Теплопередача — это дисциплина тепловой инженерии , которая занимается генерацией, использованием, преобразованием и обменом тепловой энергии ( тепла ) между физическими системами. Теплопередача классифицируется по различным механизмам, таким как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии путем фазовых переходов . Инженеры также рассматривают перенос массы различных химических видов (перенос массы в форме адвекции ), как холодной, так и горячей, для достижения теплопередачи. Хотя эти механизмы имеют различные характеристики, они часто происходят одновременно в одной и той же системе.
Теплопроводность, также называемая диффузией, представляет собой прямой микроскопический обмен кинетической энергией частиц (таких как молекулы) или квазичастиц (таких как решеточные волны) через границу между двумя системами. Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого тела или его окружения, тепло течет так, что тело и окружение достигают одинаковой температуры, и в этой точке они находятся в тепловом равновесии . Такой спонтанный перенос тепла всегда происходит из области с высокой температурой в другую область с более низкой температурой, как описано во втором законе термодинамики .
Тепловая конвекция происходит, когда объемный поток жидкости (газа или жидкости) переносит свое тепло через жидкость. Все конвективные процессы также перемещают тепло частично путем диффузии. Поток жидкости может быть вызван внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), тем самым влияя на ее собственный перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Первый процесс часто называют «вынужденной конвекцией». В этом случае жидкость вынуждена течь с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.
Тепловое излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду ( твердое тело , жидкость или газ ). Это передача энергии посредством фотонов или электромагнитных волн, подчиняющаяся тем же законам. [1]
Теплопередача — это обмен энергией между материалами (твердое тело/жидкость/газ) в результате разницы температур. Термодинамическая свободная энергия — это количество работы, которую может выполнить термодинамическая система. Энтальпия — это термодинамический потенциал , обозначаемый буквой «H», который представляет собой сумму внутренней энергии системы (U) плюс произведение давления (P) на объем (V). Джоуль — это единица для количественного измерения энергии , работы или количества тепла. [2]
Передача тепла является функцией процесса (или функцией пути), в отличие от функций состояния ; поэтому количество тепла, передаваемого в термодинамическом процессе , который изменяет состояние системы , зависит от того, как происходит этот процесс, а не только от чистой разницы между начальным и конечным состояниями процесса.
Термодинамическая и механическая теплопередача рассчитывается с помощью коэффициента теплопередачи , пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой для потока тепла. Тепловой поток является количественным, векторным представлением теплового потока через поверхность. [3]
В инженерном контексте термин «тепло» воспринимается как синоним тепловой энергии. Такое использование берет свое начало в исторической интерпретации тепла как жидкости ( калории ), которая может передаваться различными причинами, [4] и которая также распространена в языке обывателей и повседневной жизни.
Уравнения переноса тепловой энергии ( закон Фурье ), механического импульса ( закон Ньютона для жидкостей ) и переноса массы ( законы диффузии Фика ) схожи, [5] [6] и аналогии между этими тремя процессами переноса были разработаны для облегчения прогнозирования преобразования одного из них в другой. [6]
Тепловая инженерия занимается генерацией, использованием, преобразованием, хранением и обменом теплопередачей. Таким образом, теплопередача задействована практически в каждом секторе экономики. [7] Теплопередача классифицируется по различным механизмам, таким как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии путем фазовых переходов .
Основными способами теплопередачи являются:
Передавая материю, энергия, включая тепловую энергию, перемещается путем физического перемещения горячего или холодного объекта из одного места в другое. Это может быть так же просто, как налить горячую воду в бутылку и нагреть кровать, или движение айсберга в изменяющихся океанских течениях. Практическим примером является тепловая гидравлика . Это можно описать формулой: где
В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним частицам. Другими словами, тепло передается посредством теплопроводности, когда соседние атомы вибрируют друг против друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Теплопроводность является наиболее значимым средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте . Жидкости, особенно газы, обладают меньшей теплопроводностью. Теплопроводность теплового контакта — это изучение теплопроводности между твердыми телами, находящимися в контакте. [8] Процесс передачи тепла из одного места в другое место без движения частиц называется теплопроводностью, например, когда кладешь руку на холодный стакан с водой — тепло передается от теплой кожи к холодному стакану, но если держать руку в нескольких дюймах от стакана, то теплопроводность будет незначительной, поскольку воздух является плохим проводником тепла. Установившаяся теплопроводность — это идеализированная модель теплопроводности, которая происходит, когда разность температур, обуславливающая теплопроводность, постоянна, так что с течением времени пространственное распределение температур в проводящем объекте больше не меняется (см. закон Фурье ). [9] При установившейся теплопроводности количество тепла, поступающего в секцию, равно количеству тепла, выходящего из нее, поскольку изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. [8] Примером установившейся теплопроводности является поток тепла через стены теплого дома в холодный день — внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи температура остается низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается около постоянной скорости, определяемой изоляцией в стене, а пространственное распределение температуры в стенах будет приблизительно постоянным с течением времени.
Переходная проводимость (см. Уравнение теплопроводности ) происходит, когда температура внутри объекта изменяется как функция времени. Анализ переходных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности действительны только для идеализированных модельных систем. Практические приложения обычно исследуются с использованием численных методов, методов аппроксимации или эмпирического исследования. [8]
Течение жидкости может быть вызвано внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), тем самым влияя на ее собственный перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Все конвективные процессы также перемещают тепло частично путем диффузии. Другой формой конвекции является вынужденная конвекция. В этом случае жидкость вынуждена течь с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.
Конвективный перенос тепла , или просто конвекция, — это перенос тепла из одного места в другое посредством движения жидкостей , процесс, который по сути является переносом тепла посредством массопереноса . Объемное движение жидкости усиливает теплопередачу во многих физических ситуациях, например, между твердой поверхностью и жидкостью. [10] Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя иногда ее рассматривают как третий метод теплопередачи, конвекция обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности внутри жидкости (диффузии) и теплопередачи посредством объемного течения жидкости. [11] Процесс переноса течением жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — это термин, который обычно ассоциируется только с массопереносом в жидкостях, например, с адвекцией гальки в реке. В случае теплопередачи в жидкостях, где перенос путем адвекции в жидкости всегда сопровождается переносом посредством диффузии тепла (также известной как теплопроводность), под процессом тепловой конвекции понимается сумма переноса тепла путем адвекции и диффузии/проводимости.
Свободная или естественная конвекция происходит, когда объемные движения жидкости (потоки и течения) вызваны силами плавучести, которые возникают из-за изменений плотности из-за изменений температуры в жидкости. Вынужденная конвекция — это термин, используемый, когда потоки и течения в жидкости вызываются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосы, создающими искусственно вызванный конвекционный поток. [12]
Конвективное охлаждение иногда описывают как закон охлаждения Ньютона :
Скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой .
Однако, по определению, справедливость закона охлаждения Ньютона требует, чтобы скорость потери тепла от конвекции была линейной функцией («пропорциональной») разницы температур, которая управляет теплопередачей, а при конвективном охлаждении это иногда не так. В общем случае конвекция не зависит линейно от градиентов температуры , а в некоторых случаях является сильно нелинейной. В этих случаях закон Ньютона не применяется.
В теле жидкости, которое нагревается снизу контейнера, можно считать, что теплопроводность и конвекция конкурируют за доминирование. Если теплопроводность слишком велика, жидкость, движущаяся вниз конвекцией, нагревается теплопроводностью так быстро, что ее движение вниз будет остановлено из-за ее плавучести , в то время как жидкость, движущаяся вверх конвекцией, охлаждается теплопроводностью так быстро, что ее движущая плавучесть уменьшится. С другой стороны, если теплопроводность очень низкая, может образоваться большой градиент температуры, и конвекция может быть очень сильной.
Число Рэлея ( ) является произведением чисел Грасгофа ( ) и Прандтля ( ). Это мера, которая определяет относительную силу проводимости и конвекции. [13]
где
Число Рэлея можно понимать как отношение скорости передачи тепла конвекцией к скорости передачи тепла проводимостью; или, что эквивалентно, отношение соответствующих временных шкал (т.е. временной шкалы проводимости, деленной на временную шкалу конвекции), с точностью до числового множителя. Это можно увидеть следующим образом, где все вычисления производятся с точностью до числовых множителей, зависящих от геометрии системы.
Сила плавучести, движущая конвекцию, составляет примерно , поэтому соответствующее давление составляет примерно . В устойчивом состоянии это компенсируется касательным напряжением из- за вязкости и, следовательно, примерно равно , где V — типичная скорость жидкости из-за конвекции и порядок ее временной шкалы. [14] Временная шкала проводимости, с другой стороны, имеет порядок .
Конвекция возникает, когда число Рэлея превышает 1000–2000.
Лучистый перенос тепла — это перенос энергии посредством теплового излучения , т. е. электромагнитных волн . [1] Он происходит в вакууме или любой прозрачной среде ( твердой , жидкой или газообразной ). [15] Тепловое излучение испускается всеми объектами при температурах выше абсолютного нуля из-за случайных движений атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц ( протонов и электронов ), их движение приводит к излучению электромагнитного излучения , которое уносит энергию. Излучение, как правило, важно только в инженерных приложениях для очень горячих объектов или для объектов с большой разницей температур.
Когда объекты и расстояния, разделяющие их, велики по размеру и сравнимы с длиной волны теплового излучения, скорость передачи лучистой энергии лучше всего описывается уравнением Стефана-Больцмана . Для объекта в вакууме уравнение имеет вид:
Для переноса излучения между двумя объектами уравнение выглядит следующим образом: где
Предел черного тела, установленный уравнением Стефана-Больцмана, может быть превышен, когда объекты, обменивающиеся тепловым излучением, или расстояния, разделяющие их, сопоставимы по масштабу или меньше доминирующей тепловой длины волны . Изучение этих случаев называется ближнепольной лучистой теплопередачей .
Излучение от солнца или солнечная радиация может быть собрана для получения тепла и электроэнергии. [17] В отличие от конвективных и конвективных форм передачи тепла, тепловое излучение — приходящее под узким углом, т.е. исходящее от источника, расположенного намного меньше, чем расстояние до него — может быть сконцентрировано в небольшой точке с помощью отражающих зеркал, что используется для концентрирования солнечной энергии или зажигательного стекла . [18] Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, нагревает солнечную электростанцию PS10 , и в течение дня она может нагревать воду до 285 °C (545 °F). [19]
Достижимая температура на мишени ограничена температурой горячего источника излучения. (Закон T 4 позволяет обратному потоку излучения обратно к источнику расти.) Солнце (на своей поверхности) с температурой около 4000 К позволяет достичь грубо 3000 К (или 3000 °C, что составляет около 3273 К) на небольшом зонде в фокусном пятне большого вогнутого концентрирующего зеркала солнечной печи Мон-Луи во Франции. [20]
Фазовый переход или изменение фазы происходит в термодинамической системе из одной фазы или состояния вещества в другое путем передачи тепла. Примерами изменения фазы являются таяние льда или кипение воды. Уравнение Мейсона объясняет рост капли воды на основе эффектов переноса тепла при испарении и конденсации.
Фазовые переходы включают четыре основных состояния материи :
Температура кипения вещества — это температура, при которой давление паров жидкости становится равным давлению, окружающему жидкость [22] [23] , и жидкость испаряется, что приводит к резкому изменению объема пара.
В закрытой системе температура насыщения и точка кипения означают одно и то же. Температура насыщения — это температура для соответствующего давления насыщения, при которой жидкость закипает в паровую фазу. Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией. Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу.
При стандартном атмосферном давлении и низких температурах кипения не происходит, и скорость теплопередачи контролируется обычными однофазными механизмами. По мере повышения температуры поверхности происходит локальное кипение, и пузырьки пара зарождаются, прорастают в окружающую более холодную жидкость и разрушаются. Это недогретое пузырьковое кипение , и это очень эффективный механизм теплопередачи. При высоких скоростях образования пузырьков пузырьки начинают мешать, и тепловой поток больше не увеличивается быстро с температурой поверхности (это отход от пузырькового кипения , или DNB).
При аналогичном стандартном атмосферном давлении и высоких температурах достигается гидродинамически более спокойный режим пленочного кипения . Тепловые потоки через устойчивые слои пара низкие, но медленно растут с температурой. Любой контакт между жидкостью и поверхностью, который можно увидеть, вероятно, приводит к чрезвычайно быстрому зародышеобразованию свежего слоя пара («спонтанное зародышеобразование »). При еще более высоких температурах достигается максимум теплового потока ( критический тепловой поток , или CHF).
Эффект Лейденфроста демонстрирует, как пузырьковое кипение замедляет теплопередачу из-за пузырьков газа на поверхности нагревателя. Как уже упоминалось, теплопроводность газовой фазы намного ниже теплопроводности жидкой фазы, поэтому результатом является своего рода «газовый тепловой барьер ».
Конденсация происходит, когда пар охлаждается и меняет свою фазу на жидкость. Во время конденсации скрытая теплота испарения должна выделяться. Количество тепла такое же, как и поглощенное при испарении при том же давлении жидкости. [24]
Существует несколько типов конденсации:
Плавление — это термический процесс, который приводит к фазовому переходу вещества из твердого состояния в жидкое . Внутренняя энергия вещества увеличивается, как правило, за счет тепла или давления, что приводит к повышению его температуры до точки плавления , при которой упорядоченность ионных или молекулярных объектов в твердом теле нарушается до менее упорядоченного состояния, и твердое тело разжижается. Расплавленные вещества обычно имеют пониженную вязкость при повышенной температуре; исключением из этого правила является элемент сера , вязкость которого увеличивается до определенной точки из-за полимеризации , а затем уменьшается при более высоких температурах в расплавленном состоянии. [25]
Теплопередачу можно моделировать различными способами.
Уравнение теплопроводности является важным частным дифференциальным уравнением , которое описывает распределение тепла (или изменение температуры) в заданной области с течением времени. В некоторых случаях доступны точные решения уравнения; [26] в других случаях уравнение должно быть решено численно с использованием вычислительных методов , таких как модели на основе ЦМР для тепловых/реагирующих систем частиц (как критически рассмотрено Пэном и др. [27] ).
Анализ сосредоточенных систем часто сводит сложность уравнений к одному линейному дифференциальному уравнению первого порядка, в этом случае нагрев и охлаждение описываются простым экспоненциальным решением, часто называемым законом охлаждения Ньютона .
Системный анализ с помощью модели сосредоточенной емкости является распространенным приближением в переходной проводимости, которое может использоваться всякий раз, когда теплопроводность внутри объекта намного быстрее, чем теплопроводность через границу объекта. Это метод приближения, который сводит один аспект переходной системы проводимости — внутри объекта — к эквивалентной стационарной системе. То есть метод предполагает, что температура внутри объекта полностью однородна, хотя ее значение может меняться со временем.
В этом методе вычисляется отношение сопротивления теплопроводности внутри объекта к сопротивлению конвективной теплопередаче через границу объекта, известное как число Био . Для малых чисел Био можно использовать приближение пространственно однородной температуры внутри объекта : можно предположить, что тепло, переданное в объект, успевает равномерно распределиться из-за меньшего сопротивления этому, по сравнению с сопротивлением теплу, поступающему в объект. [28]
Климатические модели изучают лучистый перенос тепла , используя количественные методы для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и льда. [29]
Теплопередача имеет широкое применение в функционировании многочисленных устройств и систем. Принципы теплопередачи могут использоваться для сохранения, увеличения или уменьшения температуры в самых разных обстоятельствах. [30] Методы теплопередачи используются во многих дисциплинах, таких как автомобилестроение , терморегулирование электронных устройств и систем , климат-контроль , изоляция , обработка материалов , химическая инженерия и электростанция .
Теплоизоляторы — это материалы, специально разработанные для уменьшения потока тепла путем ограничения проводимости, конвекции или того и другого. Тепловое сопротивление — это тепловое свойство и мера, с помощью которой объект или материал сопротивляется тепловому потоку (тепло в единицу времени или тепловое сопротивление) к разнице температур.
Radiance или спектральное излучение — это мера количества излучения, которое проходит или испускается. Лучистые барьеры — это материалы, которые отражают излучение и, следовательно, уменьшают поток тепла от источников излучения. Хорошие изоляторы не обязательно являются хорошими лучистыми барьерами, и наоборот. Например, металл — отличный отражатель и плохой изолятор.
Эффективность лучистого барьера определяется его отражательной способностью , которая представляет собой долю отраженного излучения. Материал с высокой отражательной способностью (на данной длине волны) имеет низкую излучательную способность (на той же длине волны), и наоборот. На любой определенной длине волны отражательная способность = 1 - излучательная способность. Идеальный лучистый барьер имел бы отражательную способность 1 и, следовательно, отражал бы 100 процентов входящего излучения. Вакуумные колбы , или сосуды Дьюара, посеребрены , чтобы приблизиться к этому идеалу. В вакууме космоса спутники используют многослойную изоляцию , которая состоит из многих слоев алюминизированного (блестящего) майлара , чтобы значительно уменьшить передачу тепла излучением и контролировать температуру спутника. [31]
Тепловой двигатель — это система, которая осуществляет преобразование потока тепловой энергии (тепла) в механическую энергию для выполнения механической работы . [32] [33]
Термопара — это прибор для измерения температуры и широко используемый тип датчика температуры для измерения и контроля, а также может использоваться для преобразования тепла в электрическую энергию.
Термоэлектрический охладитель — это твердотельное электронное устройство, которое перекачивает (переносит) тепло с одной стороны устройства на другую при пропускании через него электрического тока. Он основан на эффекте Пельтье .
Термодиод или термовыпрямитель — это устройство , которое заставляет тепло течь преимущественно в одном направлении.
Теплообменник используется для более эффективной теплопередачи или рассеивания тепла. Теплообменники широко используются в холодильной технике , кондиционировании воздуха , отоплении помещений , производстве электроэнергии и химической обработке. Одним из распространенных примеров теплообменника является радиатор автомобиля, в котором горячая охлаждающая жидкость охлаждается потоком воздуха над поверхностью радиатора. [34] [35]
Распространенные типы потоков в теплообменниках включают параллельный поток, противоток и перекрестный поток. В параллельном потоке обе жидкости движутся в одном направлении, передавая тепло; в противотоке жидкости движутся в противоположных направлениях; а в перекрестном потоке жидкости движутся под прямым углом друг к другу. Распространенные типы теплообменников включают кожухотрубчатые , двухтрубчатые , экструдированные оребренные трубы, спирально-ребристые трубы, U-образные трубки и многослойные пластины. Каждый тип имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с другими типами. [ необходимо дополнительное объяснение ]
Радиатор — это компонент, который переносит тепло, вырабатываемое в твердом материале, в текучую среду, например, воздух или жидкость. Примерами радиаторов являются теплообменники, используемые в системах охлаждения и кондиционирования воздуха, или радиатор в автомобиле. Тепловая трубка — это еще одно устройство теплопередачи, которое сочетает теплопроводность и фазовый переход для эффективной передачи тепла между двумя твердыми поверхностями.
Эффективное использование энергии — это цель снижения количества энергии, необходимой для отопления или охлаждения. В архитектуре конденсация и потоки воздуха могут вызвать косметические или структурные повреждения. Энергетический аудит может помочь оценить реализацию рекомендуемых корректирующих процедур. Например, улучшение изоляции, герметизация структурных утечек или добавление энергосберегающих окон и дверей. [36]
Климатическая инженерия состоит из удаления углекислого газа и управления солнечной радиацией . Поскольку количество углекислого газа определяет радиационный баланс атмосферы Земли, методы удаления углекислого газа могут применяться для снижения радиационного воздействия . Управление солнечной радиацией — это попытка поглощать меньше солнечной радиации, чтобы компенсировать воздействие парниковых газов .
Альтернативным методом является пассивное дневное радиационное охлаждение , которое увеличивает поток земного тепла в космическое пространство через инфракрасное окно (8–13 мкм). [37] [38] Вместо того, чтобы просто блокировать солнечное излучение, этот метод увеличивает исходящую передачу тепла длинноволновым инфракрасным (LWIR) тепловым излучением при чрезвычайно низкой температуре космического пространства (~2,7 К ) для снижения температуры окружающей среды, при этом не требуя никаких затрат энергии. [39] [40]
Парниковый эффект — это процесс, при котором тепловое излучение с поверхности планеты поглощается парниковыми газами и облаками атмосферы и переизлучается во всех направлениях, что приводит к уменьшению количества теплового излучения, достигающего космоса, по сравнению с тем, которое достигло бы космоса при отсутствии поглощающих материалов. Это уменьшение исходящего излучения приводит к повышению температуры поверхности и тропосферы до тех пор, пока скорость исходящего излучения снова не сравняется со скоростью, с которой тепло поступает от Солнца. [42]
Принципы теплопередачи в инженерных системах могут быть применены к человеческому телу, чтобы определить, как тело переносит тепло. Тепло вырабатывается в теле в результате непрерывного метаболизма питательных веществ, который обеспечивает энергией системы тела. [43] Человеческое тело должно поддерживать постоянную внутреннюю температуру для поддержания здоровых телесных функций. Поэтому избыточное тепло должно рассеиваться из тела, чтобы не допустить его перегрева. Когда человек занимается повышенным уровнем физической активности, телу требуется дополнительное топливо, которое увеличивает скорость метаболизма и скорость выработки тепла. Затем тело должно использовать дополнительные методы для удаления дополнительного вырабатываемого тепла, чтобы поддерживать внутреннюю температуру на здоровом уровне.
Передача тепла конвекцией осуществляется за счет движения жидкостей по поверхности тела. Эта конвективная жидкость может быть как жидкостью, так и газом. Для передачи тепла с внешней поверхности тела механизм конвекции зависит от площади поверхности тела, скорости воздуха и градиента температуры между поверхностью кожи и окружающим воздухом. [44] Нормальная температура тела составляет приблизительно 37 °C. Передача тепла происходит быстрее, когда температура окружающей среды значительно ниже нормальной температуры тела. Эта концепция объясняет, почему человек чувствует холод, когда на нем недостаточно одежды при воздействии холодной среды. Одежду можно считать изолятором, который обеспечивает тепловое сопротивление тепловому потоку через покрытую часть тела. [45] Это тепловое сопротивление приводит к тому, что температура на поверхности одежды меньше температуры на поверхности кожи. Этот меньший градиент температуры между температурой поверхности и температурой окружающей среды приведет к более низкой скорости передачи тепла, чем если бы кожа не была покрыта.
Чтобы гарантировать, что одна часть тела не будет значительно горячее другой, тепло должно равномерно распределяться по тканям тела. Кровь, текущая по кровеносным сосудам, действует как конвективная жидкость и помогает предотвратить накопление избыточного тепла внутри тканей тела. Этот поток крови по сосудам можно смоделировать как поток в трубе в инженерной системе. Тепло, переносимое кровью, определяется температурой окружающей ткани, диаметром кровеносного сосуда, толщиной жидкости , скоростью потока и коэффициентом теплопередачи крови. Скорость, диаметр кровеносного сосуда и толщина жидкости могут быть связаны с числом Рейнольдса , безразмерным числом, используемым в механике жидкости для характеристики потока жидкостей.
Скрытая потеря тепла, также известная как испарительная потеря тепла, составляет большую часть потери тепла организмом. Когда внутренняя температура тела повышается, организм активирует потовые железы в коже, чтобы доставить дополнительную влагу на поверхность кожи. Затем жидкость превращается в пар, который удаляет тепло с поверхности тела. [46] Скорость потери тепла путем испарения напрямую связана с давлением пара на поверхности кожи и количеством влаги, присутствующей на коже. [44] Таким образом, максимальная теплопередача будет происходить, когда кожа полностью мокрая. Тело непрерывно теряет воду путем испарения, но наиболее значительное количество потери тепла происходит в периоды повышенной физической активности.
Испарительное охлаждение происходит, когда водяной пар добавляется в окружающий воздух. Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в форме явного тепла и преобразуется в скрытое тепло, в то время как воздух остается при постоянной энтальпии . Скрытое тепло описывает количество тепла, необходимое для испарения жидкости; это тепло исходит от самой жидкости и окружающего газа и поверхностей. Чем больше разница между двумя температурами, тем больше эффект испарительного охлаждения. Когда температуры одинаковы, чистого испарения воды в воздухе не происходит; таким образом, нет эффекта охлаждения.
В квантовой физике лазерное охлаждение используется для достижения температур, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C, −459,67 °F) атомных и молекулярных образцов, с целью наблюдения уникальных квантовых эффектов , которые могут возникать только при этом уровне температуры.
Магнитное испарительное охлаждение — это процесс понижения температуры группы атомов после предварительного охлаждения такими методами, как лазерное охлаждение. Магнитное охлаждение охлаждает ниже 0,3К, используя магнитокалорический эффект .
Радиационное охлаждение — это процесс, при котором тело теряет тепло посредством излучения. Исходящая энергия является важным эффектом в энергетическом бюджете Земли . В случае системы Земля-атмосфера это относится к процессу, при котором длинноволновое (инфракрасное) излучение испускается для балансирования поглощения коротковолновой (видимой) энергии Солнца. Термосфера (верхняя часть атмосферы) охлаждается в космосе в основном за счет инфракрасной энергии, излучаемой углекислым газом (CO2 ) на длине волны 15 мкм и оксидом азота (NO) на длине волны 5,3 мкм. [48] Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла удаляют тепло с поверхности и перераспределяют его в атмосфере.
Хранение тепловой энергии включает технологии сбора и хранения энергии для последующего использования. Может использоваться для балансировки спроса на энергию между днем и ночью. Тепловой резервуар может поддерживаться при температуре выше или ниже температуры окружающей среды. Применения включают отопление помещений, бытовые или технологические системы горячего водоснабжения или выработку электроэнергии.
В 1701 году Исаак Ньютон анонимно опубликовал статью в Philosophical Transactions, отметив (в современных терминах), что скорость изменения температуры тела пропорциональна разнице температур ( graduum caloris , «степени тепла») между телом и его окружением. [49] Позднее фраза «изменение температуры» была заменена на «потерю тепла», а соотношение было названо законом охлаждения Ньютона. В общем, закон действителен только в том случае, если разница температур мала, а механизм теплопередачи остается прежним.
В теплопроводности закон справедлив только в том случае, если теплопроводность более теплого тела не зависит от температуры. Теплопроводность большинства материалов слабо зависит от температуры, поэтому в целом закон справедлив.
При конвективном теплообмене закон справедлив для принудительного охлаждения воздухом или перекачиваемой жидкостью, где свойства жидкости не сильно меняются в зависимости от температуры, но он лишь приблизительно верен для конвекции, вызванной плавучестью, где скорость потока увеличивается с разницей температур.
В случае передачи тепла посредством теплового излучения закон охлаждения Ньютона справедлив лишь при очень малых разностях температур.
.jpg/1280px-Jan_Ingenhousz_(cropped).jpg)
В письме 1780 года Бенджамину Франклину британский ученый голландского происхождения Ян Ингенхауз описывает эксперимент, который позволил ему ранжировать семь различных металлов по их теплопроводности: [50]
Вы помните, что вы дали мне проволоку из пяти металлов, протянутую через одно и то же отверстие, а именно: одну из золота, одну из серебра, меди, стали и железа. Я поместил сюда две другие, а именно: одну из олова, другую из свинца. Я закрепил эти семь проволок в деревянной рамке на равном расстоянии друг от друга... Я окунул семь проволок в этот расплавленный воск так же глубоко, как и деревянная рама... Вынув их, они покрылись слоем воска... Когда я обнаружил, что эта корка была примерно одинаковой толщины на всех проволоках, я поместил их все в глазурованный глиняный сосуд, наполненный оливковым маслом, нагретым до нескольких градусов при кипении, следя за тем, чтобы каждая проволока была погружена в масло так же глубоко, как и другая... Теперь, поскольку все они были одновременно окунуты в одно и то же масло, из этого следует, что проволока, на которой воск был расплавлен сильнее всего, была лучшим проводником тепла. ... Серебро проводило тепло лучше всех других металлов, за ним следовала медь, затем золото, олово, железо, сталь и свинец.
.jpg/1280px-Sir_Benjamin_Thompson,_Count_von_Rumford_by_Moritz_Kellerhoven_(cropped).jpg)
В 1784–1798 годах британский физик Бенджамин Томпсон (граф Рамфорд) жил в Баварии , реорганизовывая баварскую армию для курфюрста Карла Теодора , а также выполняя другие официальные и благотворительные обязанности. Курфюрст предоставил Томпсону доступ к помещениям Академии наук курфюрста в Мангейме . За годы работы в Мангейме, а затем в Мюнхене Томпсон сделал большое количество открытий и изобретений, связанных с теплом.
В 1785 году Томпсон провел ряд экспериментов по теплопроводности, которые он подробно описал в статье «Новые эксперименты по теплу» в Philosophical Transactions от 1786 года. [51] [52] Тот факт, что хорошие проводники электричества часто являются также хорошими проводниками тепла и наоборот, должно быть, был хорошо известен в то время, поскольку Томпсон упоминает об этом мимоходом. [53] Он намеревался измерить относительную проводимость ртути, воды, влажного воздуха, «обычного воздуха» (сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении), сухого воздуха различной разреженности и « торричеллиевого вакуума ».
Из поразительной аналогии между электрической жидкостью и теплом относительно их проводников и непроводников (обнаружив, что тела, в общем, являющиеся проводниками электрической жидкости, являются также хорошими проводниками тепла, и, наоборот, что электрические тела или такие, которые являются плохими проводниками электрической жидкости, являются также плохими проводниками тепла), я пришел к выводу, что торричеллиев вакуум, который, как известно, обеспечивает столь легкий проход для электрической жидкости, также должен был обеспечить легкий проход для тепла.
Для этих экспериментов Томпсон использовал термометр внутри большой закрытой стеклянной трубки. При описанных обстоятельствах тепло могло — без ведома Томпсона — передаваться больше излучением, чем проводимостью . [ 54] Таковы были его результаты.
После экспериментов Томпсон с удивлением обнаружил, что вакуум является значительно худшим проводником тепла, чем воздух, «который сам по себе считается одним из худших», [55], но разница между обычным воздухом и разреженным воздухом очень мала. [56] Он также отметил большую разницу между сухим воздухом и влажным воздухом, [57] и большую выгоду, которую это дает. [58]
Я не могу не заметить, с какой бесконечной мудростью и добротой Божественное Провидение, по-видимому, охраняет нас от пагубных последствий чрезмерного тепла и холода в атмосфере; ибо если бы воздух мог быть одинаково влажным во время суровых холодов зимы... как это иногда бывает летом, его проводящая способность, а следовательно, и его кажущаяся холодность... стали бы совершенно невыносимыми; но, к счастью для нас, его способность удерживать воду в растворе уменьшается, а вместе с ней и его способность лишать нас нашего животного тепла.
Каждый знает, как неприятна очень умеренная степень холода, когда воздух очень влажный; и отсюда следует, почему термометр не всегда является точной мерой кажущегося или ощущаемого тепла атмосферы. Если простуда... вызвана тем, что наши тела лишаются нашего животного тепла, то ясна причина, по которой эти расстройства преобладают больше всего во время холодных осенних дождей и после исчезновения заморозков весной. Также ясно [почему]... жить в сырых домах так опасно; и почему вечерний воздух так губителен летом... и почему он не таков во время сильных морозов зимой.
Томпсон завершил свое выступление некоторыми комментариями о важном различии между температурой и явным теплом .
... ощущение тепла или холода зависит не только от температуры тела, вызывающего в нас эти ощущения... но и от количества тепла, которое оно способно нам сообщить или получить от нас... а это в большой степени зависит от проводимости рассматриваемых тел. Ощущение тепла есть вход тепла в наши тела; ощущение холода есть его выход... Это еще одно доказательство того, что термометр не может быть точной мерой ощущаемого тепла... или, скорее, что прикосновение не дает нам точного указания на... реальные температуры.
.jpg/1280px-Prout_William_painting_(cropped).jpg)
_(cropped).jpg/1280px-Fireplace_(60857557)_(cropped).jpg)
В 1830-х годах в «Трактатах Бриджуотера » термин «конвекция» засвидетельствован в научном смысле. В трактате VIII Уильяма Праута , в книге по химии , говорится: [59]
Это движение тепла происходит тремя способами, которые очень хорошо иллюстрирует обычный камин. Если, например, мы поместим термометр прямо перед огнем, он вскоре начнет подниматься, указывая на повышение температуры. В этом случае тепло прошло через пространство между огнем и термометром, посредством процесса, называемого излучением . Если мы поместим второй термометр в контакте с любой частью решетки и вдали от прямого влияния огня, мы обнаружим, что этот термометр также указывает на повышение температуры; но здесь тепло должно было пройти через металл решетки, в результате того, что называется проводимостью . Наконец, третий термометр, помещенный в дымоход, вдали от прямого влияния огня, также покажет значительное повышение температуры; в этом случае часть воздуха, проходя через огонь и вблизи него, нагрелась и перенесла по дымоходу температуру, приобретенную от огня. В настоящее время в нашем языке нет единого термина, используемого для обозначения этого третьего способа распространения тепла; но мы осмелимся предложить для этой цели термин «конвекция » [в сноске: [лат.] Convectio , перенос или передача], который не только выражает основной факт, но и очень хорошо согласуется с двумя другими терминами.
Позднее, в том же трактате VIII, в книге о метеорологии , понятие конвекции применяется также к «процессу, посредством которого тепло передается через воду».
{{cite book}}: |author=имеет общее название ( помощь )Когда вещество конденсируется из газа в жидкость, выделяется то же количество тепла, но тепло выделяется, а не поглощается.
Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) рассеивает земное тепло в чрезвычайно холодном космическом пространстве без использования какой-либо энергии или загрязнения окружающей среды. Оно может одновременно решить две основные проблемы энергетического кризиса и глобального потепления.
Покрывая Землю небольшой долей теплоизлучающих материалов, можно увеличить отвод тепла от Земли, а чистый поток излучения можно свести к нулю (или даже сделать отрицательным), тем самым стабилизируя (или охлаждая) Землю.
Радиационное охлаждение — это возобновляемая технология, которая обещает достичь этой цели. Это пассивная стратегия охлаждения, которая рассеивает тепло через атмосферу во вселенную. Радиационное охлаждение не потребляет внешнюю энергию, а скорее собирает холод из внешнего космоса в качестве нового возобновляемого источника энергии.
Парниковый эффект: инфракрасное радиационное воздействие всех поглощающих инфракрасное излучение компонентов в атмосфере. Парниковые газы (ПГ), облака и некоторые аэрозоли поглощают земную радиацию, испускаемую поверхностью Земли и в других местах атмосферы. Эти вещества испускают инфракрасное излучение во всех направлениях, но при прочих равных условиях чистое количество, испускаемое в космос, обычно меньше, чем было бы испущено при отсутствии этих поглотителей из-за снижения температуры с высотой в тропосфере и последующего ослабления эмиссии. Увеличение концентрации ПГ увеличивает величину этого эффекта; разницу иногда называют усиленным парниковым эффектом. Изменение концентрации парниковых газов из-за антропогенных выбросов способствует мгновенному радиационному воздействию. Температура поверхности Земли и тропосферы нагреваются в ответ на это воздействие, постепенно восстанавливая радиационный баланс в верхней части атмосферы.
