В физике и технике тепловой поток или тепловой поток , иногда также называемый плотностью теплового потока [1] , плотностью теплового потока или интенсивностью теплового потока , представляет собой поток энергии на единицу площади в единицу времени . Единицы измерения СИ — ватты на квадратный метр (Вт/м 2 ). Она имеет и направление, и величину, поэтому является векторной величиной. Для определения теплового потока в определенной точке пространства берется предельный случай , когда размер поверхности становится бесконечно малым.
Тепловой поток часто обозначается индексом q , обозначающим тепловой поток, в отличие от потока массы или импульса . Закон Фурье является важным применением этих концепций.
Для большинства твердых тел в обычных условиях тепло переносится в основном за счет проводимости , и тепловой поток адекватно описывается законом Фурье.
где теплопроводность . _ Знак минус показывает, что тепловой поток перемещается из областей с более высокими температурами в области с более низкими температурами.
Многомерный случай аналогичен, тепловой поток идет «вниз», и, следовательно, градиент температуры имеет отрицательный знак:
Измерение теплового потока может быть выполнено несколькими различными способами.
Общеизвестный, но часто непрактичный метод заключается в измерении разницы температур на куске материала с известной теплопроводностью . Этот метод аналогичен стандартному способу измерения электрического тока, при котором измеряется падение напряжения на известном резисторе . Обычно этот метод сложно реализовать, поскольку термостойкость испытуемого материала часто неизвестна. Для определения термического сопротивления потребуются точные значения толщины и теплопроводности материала. Используя термическое сопротивление, а также измерения температуры по обе стороны материала, можно косвенно рассчитать тепловой поток.
Второй метод измерения теплового потока заключается в использовании датчика теплового потока или преобразователя теплового потока для непосредственного измерения количества тепла, передаваемого к/от поверхности, на которой установлен датчик теплового потока. Наиболее распространенным типом датчика теплового потока является термобатарея с дифференциальной температурой , которая работает по существу по тому же принципу, что и первый метод измерения, который был упомянут, за исключением того, что он имеет то преимущество, что тепловое сопротивление/проводимость не обязательно должны быть известным параметром. Эти параметры не обязательно знать, поскольку датчик теплового потока позволяет измерять существующий тепловой поток на месте с помощью эффекта Зеебека . Однако дифференциальные датчики теплового потока на термобатареях необходимо калибровать, чтобы связать их выходные сигналы [мкВ] со значениями теплового потока [Вт/(м 2 ⋅К)]. После калибровки датчика теплового потока его можно использовать для непосредственного измерения теплового потока, не требуя редко известных значений термического сопротивления или теплопроводности.
Одним из инструментов в арсенале ученого или инженера является энергетический баланс . Такой баланс может быть установлен для любой физической системы, от химических реакторов до живых организмов, и обычно принимает следующий вид:
где три члена означают скорость изменения во времени соответственно общего количества поступающей энергии, общего количества исходящей энергии и общего количества накопленной энергии.
Теперь, если единственный способ обмена энергией системы с окружающей средой — это теплообмен, скорость тепловыделения можно использовать для расчета энергетического баланса, поскольку
где мы проинтегрировали тепловой поток по поверхности системы.
В реальных приложениях невозможно знать точный тепловой поток в каждой точке поверхности, но для вычисления интеграла можно использовать аппроксимационные схемы, например интегрирование Монте-Карло .