Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

1.1. ПРЕДМЕТ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

При соприкосновении двух тел, имеющих различную температуру, происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов), вследствие чего интенсивность движения частиц тела, имевшего меньшую температуру, увеличивается, а интенсивность движения частиц тела с более высокой температурой уменьшается. В результате одно из соприкасающихся тел нагревается, а другое остывает. Поток энергии, передаваемой частицами более горячего тела частицам тела более холодного, называется тепловым потоком.

Таким образом, для возникновения теплового потока, т. е. процесса теплообмена между различными областями пространства, заполненного вещественной средой, необходимо и достаточно, чтобы в этих областях имели место неодинаковые температуры. Иначе говоря, единственным условием возникновения теплообмена является наличие разности температур между рассматриваемыми телами. При этом тепловой поток направлен в сторону меньших температур.

Значимость процесса теплообмена как в природе, так и в технике определяется тем, что свойства тел самым существенным образом зависят от температуры, т. е. от их теплового состояния. Последнее же, в свою очередь, определяется условиями теплообмена, которые поэтому оказывают решающее влияние на процессы изменения агрегатного состояния вещества, на течение химических реакций (в частности, процесса горения), механические, электроизоляционные, магнитные и другие свойства тел.

Именно этими обстоятельствами и объясняются бурное развитие теории теплообмена в XX веке и то исключительное внимание, которое ей уделяется в физике планетарных процессов, энергетике, химической технологии и в ряде других отраслей науки и техники. Предметом теории теплообмена являются процессы переноса тепла из одной части пространства в другую.

Наряду с рассмотренным случаем теплообмена непосредственно в вещественной среде, являющегося следствием движения структурных частиц, имеет место также перенос теплоты посредством лучеиспускания (например, в космических процессах). Поэтому следует различать теплообмен путем непосредственного соприкосновения тел и лучистый теплообмен, когда энергия передается от одного тела к другому посредством электромагнитного поля.

В вещественной среде распространение тепла, в конечном счете, всегда связано с тепловым движением структурных частиц. Однако непосредственный перенос определенных порций теплоты из одной области в другую может происходить не только в результате последовательного обмена энергией частиц, заполняющих пространство между рассматриваемыми областями, но и в результате перемещения состоящих из большого количества молекул объемов среды.

Процесс распространения тепла только вследствие движения структурных частиц называется теплопроводностью, а процесс теплопередачи, обусловленный перемещениями молярных объемов среды, — конвекцией.

Таким образом, существуют три способа переноса тепла: теплопроводность (кондукция), перемешивание (конвекция) и излучение (радиация). В действительных процессах все эти три способа теплообмена обычно сопутствуют друг другу и часто связаны с переносом массы (диффузией), т. е. имеет место сложный тепло- и массообмен.

В теории теплопередачи расчет сложного теплообмена осуществляется с помощью методов, обобщающих результаты раздельного изучения каждого из трех первичных способов переноса тепла.

Следовательно, основным методом теории теплопередачи является расчленение сложного теплообмена на его составляющие по способу (механизму) переноса тепла и изучение этих составляющих методами математической физики и научного опыта.

При рассмотрении сложного теплообмена с сильно меняющимися в пространстве и времени температурными полями могут возникать задачи, которые не сводятся к моделям с квазиавтономными частными процессами теплообмена. В этих случаях понятия коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи вообще лишены отчетливого смысла. Необходима постановка задачи, в достаточно общей форме описывающей как механизмы теплопереноса в отдельных элементах системы, так и их взаимодействия на границах раздела тел и фаз. Такие задачи называются сопряженными, и их конкретное рассмотрение, как правило, весьма индивидуализировано конкретными краевыми условиями. Общая же их постановка всегда опирается на основные уравнения, рассматриваемые в последующих главах этой книги.

Практически большинство процессов, рассматриваемых теорией теплообмена, протекает при взаимодействии твердых тел и жидких сред в областях, размеры которых чрезвычайно велики по сравнению с длиной свободного пробега структурных частиц (атомов, молекул). Так, в объеме газа, равном при давлении Па и температуре 273 К содержится примерно молекул. Поэтому такие статистические понятия, как температура, давление, теплоемкость, вязкость и т. п., могут быть приписаны даже таким малым элементам системы, которые с физико-математической точки зрения могут рассматриваться в данном случае как дифференциалы ее объема.

Это означает, что в большинстве проблем теплообмена твердые и жидкие среды, составляющие систему, рассматриваются как непрерывные. Исключение приходится делать только для взаимодействия тел с весьма разреженным газом, когда размеры тела становятся соизмеримыми с длиной пути свободного пробега молекул.