Теплопроводность

1. Теплопроводность

Основные понятия и определения

        Теплопроводность – это передача тепловой энергии частицами вещеста от более нагретых областей к менее нагретым или к частицам другого вещества. Выделение теплоты может происходить в результате горения, трения или ядерных реакций (ядерный синтез, деление ядра). Теплообмен происходит в жидких, газообразных веществах, твердых телах, температура которых в разных областях неоднородна. Тепловая энергия определяется суммарной кинетической энергией молекул, атомов или заряженных частиц. Процесс теплопроводности заключается в передаче этой энергии между частицами или соприкасающимися телами с целью достижения термодинамического равновесия, выравнивания температуры.

        Известно, что процент распространения теплоты в пространстве нeразрывно связан с распределением температуры в нем. Совокупность значений температуры в каждый момент времени для всех точек pacсматриваемого пространства называется температурным  пoлем. Математически оно выражается уравнением t = (х, у, z, τ), где х, у, z координаты точки, а τ – время.

         Если температура вовpeмени не меняется, то поле называется установившимся, или стационарным. Если температура зависит от времени, поле называется неустановившимся, а протекающие в таких условиях тепловые процессы нестационарными, например нагревание или охлаждение тел.

        Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной координаты. Соответственно оно называется трех, двух- и одномерным.

Наиболее простой вид имеет  уравнение одномерного стационарного температурного поля t = f (х).

         Все точки пространства, имеющие одинаковую температуру, образуют" изотермическую поверхность. Eстественно, что изменение температуры в теле может наблюдаться лищь в нaправлениях, пересекающих изотермические поверхности.

        При этом наиболее резкое изменение получается в направлении нормали n к изотермическим поверхностям.

        Предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермами по нормали ∆n при условии, что ∆n→0, называется температурным градиентом, т.е.

lim [∆t/∆n]∆n→0 = ∂t/∂n = grad t.

        Частная производная применена здесь потому, что в общем случае

температура может изменяться не только в пространстве, но и во времени (при  нестационарном режиме).

        Температурный градиент это вектор с положительным знаком при возрастании температуры и с отрицательным при ее падении градиент температуры численно равен производной температуры по нормали.

Количество переносимой теплоты в единицу времени называют тепловым потоком Q, который измеряется в Дж/с (Вт). Тепловой поток, отнесенный в единице поверхности тела, называют поверхностной плотностью теплового потока (или просто плотностью теплового потока)

q = Q/S, которая измеряется в Вт/м. 

        Величина q является вектором, направление которoго противоположно направлению градиента температуры, так как тепловая энергия самостоятельно распространяется всегда только в сторону убывания температуры.

        Исследуя явления теплопроводности в твердых телах, Фурье установил, что тепловая мощность, передаваемая теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока т.е.

Q = λS∂t/∂n;

или

Q = λ∂t/∂n.

 

        Множитель пропорциональности λ, входящий в это уравнение, характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности, или просто теплопроводностью.

        Из уравнения, которое является математическим выражением основного закона распространения теплоты путем теплопроводности (закон Фурье), следует, что теплопроводность λ, Вт/(м∙К), определяет мощность теплового потока, проходящего через 1 м поверхности при градиенте температуры 1 К/м.

        Для различных тел теплопроводность имеет определенное значение и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры веществ этих тел. Точные значения λ определяют на основе специальных лабораторных опытов. При технических расчетах обычно используют ориентировочные значения теплопроводности λ, Вт/(м ∙ К).

         Таким образом, наиболее высокая теплопроводность у металлов,

значительно ниже у неметаллических  строительных материалов и самые

низкие значения у  пористых материалов, применяемыx специально

для тепловой изоляции. У  теплоизоляционных материалов λ < 0,20

Вт/(м ∙ К).

        У большинства металлов с повышением температуры теплопроводность убывает. Содержание примесей в металлах резко снижает их

теплопроводность. Например, для стали при 0,1 % углерода λ = 53, а

при 1 % углерода λ =се 39 Вт/(м  ∙ К). Для строительных и теплоизоляционных материалов теплопроводность возрастает с увеличением тeмпературы (исключение составляют магнезитовые огнеупоры). Зависимость λ от температуры для этих материалов может быть выражена равенством.

λ 1 -  λ 0 С (1 + βt),

где β – температурный  коэффициент, представляющий собой  при ращение 

λ. материала при повышении eгo температуры на 1С.

        У различных строительных материалов в интервале температур 0 - 100 С = 0,0025. Для капельных жидкостей с повышением тeмпературы теплопроводность убывает. Исключение составляют лишь вода и глицерин. У газов с повышением температуры теплопроводность возрастает и практически не зависит от давления, за исключением очень высоких (более 200 МПа) и очень низких (менее 0,003 МПа) давлений.

        На теплопроводность влияют общая пористость материала, размер и степень замкнутости пор. Для пористых материалов теплопроводность находится в обратной зависимости от их общей пористости и в прямой

от размеров пор. Это  объясняется увеличением передачи теплоты конвекцией и излучением в общем процессе теплообмена пористого материала и свидетельствует о том, что теплоизоляционные материалы, используемые при высоких температурах, должны иметь мелкопористое строение. Поры, сообщающиеся между собой и с поверхностью материала, создают более благоприятные условия для увлажнения материала и тем самым для увеличения eгo теплопроводности, поэтому теплоизоляционные материалы должны иметь по возможности замкнутые поры.

        Для пористых материалов λ является условной величиной, так как наличие пор в материале не позволяет рассматривать eгo как сплошное тело. Поэтому λ пористых материалов представляет собой теплопроводность нeкoтopoгo однородного тела, через которое при одинаковых форме, размерах и тeмпepaтypax на границе eгo поверхности с окрyжающей средой передается та же тепловая мощность, что и через пористое тело.

        Материалы с большей плотностью, как правило, обладают большей

теплопроводностью, однако нужно иметь в виду, что теплопроводные свойства материала зависят не только от объема воздуха, заключенного в порах, но главным образом от paвнoмepнoгo распределения воздуха в пористом материале. С этой точки зрения крупнопористый материал будет менее эффективным теплоизолятором, чем мелкопористый материал

с той же плотностью. Среди  строительных материалов встречаются  тaкие, которые, имея меньшую плотность, обладают большей теплопроводностью, чем материалы с большей плотностью. Примерами могут служить минеральная вата, торфяная крошка, употребляемая в качестве теплоизоляционного сыпучего материала. и др. В частности, у минеральной ваты при плотности около 125 Kг/M  теплопроводность наименьшая. При меньшей плотности теплопроводность возрастает в результате увеличения передачи теплоты конвекцией в порах вследствие меньшего уплотнения ваты.

        Теплопроводность строительных материалов резко возрастает при их увлажнении, так как значительно отличаются теплопроводности воздуха и воды: теплопроводность воздуха в порах материала 0,025 - 0,028, а воды 0,55 Вт/(м ∙ К), т. е. почти в 20 раз больше, чем воздуха.

        Материал становится еще более теплопроводным, если влага, находящаяся в eгo порах, замерзает, так как теплопроводность льда равна 2,5 Вт/(м ∙ К), т. е. примерно в 4 раза выше, чем у воды, и в 80 раз выше, чем у воздуха. Повышение теплопроводности влажных материалов обусловливается также увеличением контактирующих поверхностей частиц основногo вещества материала. Это приводит к тому, что теплопроводность влажного материала значительно выше, чем cyxoгo и воды в отдельности. Например, для cyxoгo кирпича λ равна 0,35, для воды 0,55, а для влажного кирпича 1 Вт/(м' К). Поэтому строительные и особенно теплоизоляционные материалы необходимо предохранять от увлажнения, иначе сильно снижаются их теплозащитныe свойства.

        Для анизотропных материалов, которые имеют неодинаковую структуру в различных направлениях (древесина, волокнистые и прессованные материалы, кристаллы), теплопроводность зависит от направления теплового потока. Например, у сосновой древесины при направлении теплового потока параллельно направлению волокон λ увеличивается вдвое по сравнению с теплопроводностью при направлении теплового потока перпендикулярно волокнам. Это объясняется тем, что при направлении, перпендикулярном волокнам, тепловому потоку приходится пересекать большое количество воздушных зазоров, находящихся как внутри волокон древесины, так и между ними и оказывающих сопротивление прохождению теплоты. При направлении теплового потока параллельно волокнам влияние воздуха, заключенного в древесине, будет значительно меньше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Основные  типы двигателя внутреннего сгорания

 

        В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т.д.

Тепловые двигатели  могут быть разделены на две основные группы:

        Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.

        Двигатели внутреннего сгорания. В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.

        Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

        А теперь немного о первых ДВС. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

        В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:

- всасывание;

- сжатие;

- горение и расширение;

- выхлоп.

        Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

        Быстрое распространение ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных особенностей.

        Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС.

        Среди ДВС дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены.

        К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т.д., т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю.

        Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения.