ՋԵՐՄԱՓՈԽՄԱՆ ՄԵԹՈԴՆԵՐ.

Ջերմային չորացում կատարելիս առանձնանում են երկու գործընթաց.

1) հեռացվող խոնավության գոլորշիացում.

2) առաջացած գոլորշու հեռացում նյութի մակերեւույթից.

1 կգ խոնավության գոլորշիացման համար անհրաժեշտ է բավականին որոշակի քանակությամբ ջերմություն հասցնել գոլորշիացման տարածք: Հետեւաբար, ջերմափոխանակությունը հիմք է հանդիսանում չորացման կայաններում տեղի ունեցող աշխատանքային գործընթացների։ Գործնականում այս կամ այն ​​չափով իրականացվում են ջերմության փոխանցման բոլոր երեք հիմնական ձևերը. 1) ջերմային հաղորդունակություն. 2) կոնվեկցիա; 3) ճառագայթում.

Բացի այդ, շատ չորանոցներում մեծ նշանակություն ունի ջերմության փոխանցման հատուկ տեսակը, այն է՝ ջերմության փոխանցումը կարճաժամկետ շփման միջոցով, որը տեղի է ունենում, օրինակ, գլանային չորանոցներում, վակուումային չորանոցների ջեռուցման վանդակաճաղերի վրա և թմբուկային չորանոցներում, երբ. սառը նյութը փոխազդում է ներքին սարքերի ջեռուցվող տարրերի հետ:

Չորացման տեխնոլոգիայի ջերմության փոխանցման խնդիրների մոտեցումը տարբերվում է ճարտարագիտության այլ ճյուղերի մոտեցումներից: Մեքենաշինության մեջ ջերմություն փոխանցող և ջերմություն ընդունող տարրերի ձևն ու չափերը շատ դեպքերում լավ հայտնի են (խողովակներ, թիթեղներ և այլն): Չորացող բույսերում չորացման ենթարկված գյուղատնտեսական ապրանքների մեծ մասի երկրաչափական ձևը չափազանց բազմազան է, ուստի դժվար է այն նկարագրել բավարար չափով ճշգրտությամբ վերլուծական կախվածությամբ:

Մեկ այլ դժվարություն այն է, որ նյութի մեջ խոնավության գոլորշիացման գոտին անընդհատ շարժվում է և կախված է գործընթացի պայմաններից: Այդ իսկ պատճառով, չորացման գործարաններում, ավելի քան ցանկացած այլ տեխնիկական ոլորտում, փորձարարական ուսումնասիրությունները հիմք են հանդիսանում սարքերի հաշվարկման և նախագծման համար:

Ջերմության փոխանցման հիմնական օրենքները, որոնք ներկայացված են ստորև, կներկայացվեն այնքանով, որքանով անհրաժեշտ է գյուղատնտեսական չորացման կայաններում տեղի ունեցող գործընթացների ամբողջական ըմբռնման համար:

Ջերմային հաղորդունակությունը որպես ջերմության փոխանցման մեթոդ

Հաղորդման միջոցով ջերմության փոխանցումը տեղի է ունենում պինդ մարմինների, անշարժ հեղուկների և գազերի ներսում՝ մեկից ջերմության տեսքով էներգիայի փոխանցման պատճառով: տարրական մասնիկմյուսին։ Ջերմությունը փոխանցվում է բարձր ջերմաստիճանի տարածքից ավելի ցածր ջերմաստիճանի տարածք: Կայուն վիճակում ջերմային հոսքի խտությունը մարմնի երկու զուգահեռ մակերևույթների միջև կախված է ջերմաստիճանի տարբերությունից, պատի հաստությունից և ջերմաֆիզիկական հաստատունից՝ ջերմահաղորդականությունից K (նկ. 3.13):

Բրինձ. 3.13. Հարթ պատի ջերմային հաղորդունակություն

q-ը ջերմային հոսքի խտությունն է, կկալ/(մ2 ժ);

λ – ջերմային հաղորդունակություն, կկալ/(մ ժ ºС);

U1, U2 – ջերմաստիճան առաջին և երկրորդ մակերեսների վրա, ºС;

s – պատի հաստությունը, մ

Միատարր մարմնի դեպքում սահմանափակված հարթ մակերեսներ, նրանց միջև ջերմաստիճանը կայուն վիճակում ջերմային ռեժիմում ընկնում է գծային օրենքի համաձայն։ Համար

բարդ կառուցվածքի մարմիններ, գործընթացը անսահման փոքր հաստությամբ ds շերտում նկարագրվում է ձևի հավասարմամբ.

որտեղ dυ-ն անսահման փոքր հաստությամբ շերտի ջերմաստիճանի տարբերությունն է՝ °С: Հավասարման մեջ մինուս նշանը ցույց է տալիս, որ ջերմության հոսքը ուղղված է ավելի ցածր ջերմաստիճանի:

Ամբողջ մարմնում գործընթացի վերաբերյալ եզրակացություններ անելու համար՝ հիմնվելով գործընթացի անսահման փոքր հաստության շերտում դիտարկելու վրա, անհրաժեշտ է ինտեգրում իրականացնել որոշակի սահմանային պայմաններում:

Կոնվեկցիա (ջերմային փոխանցման մեթոդ)

Կոնվեկցիայի միջոցով ջերմության փոխանցումը հիմնականում ներառում է երկու գործընթաց (Նկար 3.17).

1) ջերմային հաղորդման միջոցով պինդ մարմնի մակերևույթից շերտավոր սահմանային շերտի միջով դեպի տուրբուլենտ հոսքի միջուկի շրջակայքը.

2) ջերմության փոխանցում տուրբուլենտային փոխանցման միջոցով շերտավոր սահմանային շերտից դեպի տուրբուլենտ հոսքի միջուկ.

Չորացումը բնութագրվում է ջերմության հոսքի հակառակ ուղղությամբ՝ չորացնող նյութից մինչև պինդ նյութի մակերեսը: Ջերմային փոխանցման հավասարումը կապում է հոսքի և մարմնի մակերեսի ջերմաստիճանի տարբերությունը ջերմային հոսքի խտության հետ.

որտեղ է ջերմության փոխանցման գործակիցը, կկալ/(մ2 ժ °C);

UL;U0 - ջերմաստիճանը պատի վրա և հոսքի միջուկում, °C:

Բրինձ. 3.17. Ջերմաստիճանի պրոֆիլը տուրբուլենտ հոսքից դեպի պինդ մարմնի մակերևույթ լամինար սահմանային շերտի միջոցով ջերմության փոխանցման ժամանակ.

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործընթացները հասկանալու համար անհրաժեշտ է տարբերակել տարրական պրոցեսները (հոսքը միայնակ մարմինների շուրջ) և բարդ պրոցեսները (ջերմության փոխանցումը զանգվածային նյութերի շերտում, հակադարձ և առաջ հոսք և այլն):

Շերտավոր սահմանային շերտը, տուրբուլենտ հոսքի միջուկը, ջերմության փոխանցումը ջերմային հաղորդման և տուրբուլենտ խառնման միջոցով, ինչպես նաև զանգվածի փոխանցումը սահմանային շերտում առաջ և հետընթաց ուղղություններով, փոխկապակցված են և ունեն տարբեր ազդեցություններ միմյանց վրա: Այս գործընթացները կարելի է նկարագրել էներգիայի և զանգվածի փոխանակման հավասարակշռության հավասարումների միջոցով: Նկարագրության համար նպատակահարմար է ներդնել ֆիզիկական և տեխնոլոգիական բազմաթիվ պարամետրեր կապող չափորոշիչներ։ Նման չափանիշների օգնությամբ իրական ֆիզիկական կախվածությունները կարելի է նկարագրել ավելի պարզ և ավելի պարզ՝ միաժամանակ հրաժարվելով ուղղակիորեն օգտագործել գործընթացը բնութագրող ֆիզիկական պարամետրերը։

ճառագայթման ջերմության փոխանցում ճառագայթման միջոցով

Ջերմության փոխանցումը ճառագայթման միջոցով (օրինակ՝ ինֆրակարմիր ջեռուցմամբ) տեղի է ունենում էներգիայի փոխանցման ժամանակ։ էլեկտրամագնիսական ալիքները մի մարմնից մյուսը. Այս դեպքում ճառագայթման միջոցով էներգիայի փոխանցման մեջ ներգրավված չեն ոչ պինդ, ոչ հեղուկ, ոչ էլ գազային կրիչը։ Ստեֆան-Բոլցմանի օրենքի համաձայն՝ մարմնի կողմից շրջակա տարածություն արձակվող էներգիան համամասնական է նրա ջերմաստիճանին (Քելվին աստիճաններով) մինչև չորրորդ ուժը.

q-ը ճառագայթման էներգիայի հոսքի խտությունն է, kaal/(m2 x);

C-ն մարմնի արտանետումն է.

T - ջերմաստիճան, Կ.

Եթե ​​իրար մոտեցնում ենք տարբեր ջերմաստիճաններով երկու մարմին (նկ. 3.21), ապա այդ մարմիններից յուրաքանչյուրի կլանված և ճառագայթվող էներգիայի տարբերությունը գնահատվում է հավասարմամբ.

Ք = A1 С12[( Տ 1 / 100)4 – (T2 / 100)4] = A2 C21[( Տ 1 / 100)4 – (T2 / 100)4],

որտեղ Ք- ճառագայթման էներգիայի ջերմային հոսք, կկալ/ժ; A1, A2 - 1 և 2 մարմինների ճառագայթող մակերես; C12, C21 - ճառագայթման գործակիցներ, կկալ/[մ2-ժ (K/100)4]: C12 կամ C21 գործակիցները՝ հիմնվելով առանձին մարմինների արտանետման ներկայացման վրա, ստացվում են հետևյալ հավասարումներից.

1 / C12 \u003d 1 / C1 + A1 / A2 (1 / C2 - 1 / Cs);

1 / C21 \u003d 1 / C2 + A2 / A1 (1 / C1 - 1 / Cs);

Բրինձ. 3.22. Ճառագայթման աներգիայի հոսքի խտությունը տարբեր ջերմաստիճաններում տաքացված մարմինների միջև (C=4.0-ում)

Նկար 3.23. Ջերմաստիճանի բաշխումը կերամիկական ափսեի մեջ, երբ տաքացվում է ինֆրակարմիր ճառագայթների հոսքով (ըստ աշխատանքի)

որտեղ Cs-ը սև մարմնի արտանետումն է. Cs= 4,96 կկալ/[m2-h (K/100)4]:

Աղյուսակները հաճախ տալիս են հարաբերական բնութագրի արժեքը (Աղյուսակ 3.10)

Նկ. Նկար 3.22-ը ցույց է տալիս ճառագայթային էներգիայի հոսքի խտության կախվածությունը υ1 և υ2 ջերմաստիճանից՝ այն ենթադրությամբ, որ C12 = C21 = 4 կկալ/[m2-h (K/100)4]: Գրաֆիկներից երևում է, որ ջերմաստիճանի մեծ տարբերությունների դեպքում ճառագայթման էներգիան կախված է միայն ավելի տաք մարմնի ջերմաստիճանից:

Առանձնահատուկ հետաքրքրություն է ներկայացնում չորացման կայանքներում ճառագայթման օգնությամբ ջերմամատակարարման գործընթացը, որը պայմանավորված է տարբեր կրիչներ ճառագայթային էներգիայի ներթափանցման հնարավորությամբ: Ճառագայթման ընթացքում ջերմային հոսքերի ներթափանցման խորությունը կախված է նյութի տեսակից և ճառագայթման տեսակից: Օրգանական ծագման մազանոթ-ծակոտկեն մարմինների համար այս խորությունը 0,1-2 մմ է։

Շնորհիվ այն բանի, որ պահանջվող ջերմությունմասնակիորեն արտազատվում է մարմնի ներսում, և ոչ միայն դրա մակերեսին, մակերեսի վրա որոշակի պայմաններում ջերմային հոսքի խտությունը կարող է բազմապատիկ աճել:

Աղյուսակ 3.10 Նյութի արտանետումը՝ ըստ Շմիդտի

ՆՈՒՅԹ	Ջերմաստիճանը, °C	Արտադրողականություն ε = Գ/ Cs
Ոսկի, արծաթ, պղինձ փայլեցված
փայլեցված, մի փոքր օքսիդացված
ավազացված
սևացած (օքսիդացված)
մաքուր հող
բարձր օքսիդացված
Այրվել է կավ
Սառույցը հարթ է, ջուր
Սառույց, կոպիտ մակերես

Ըստ Ա.Վ.Լիկովի, էներգիայի հոսքի խտությունը, օրինակ, կարող է ավելացվել 750 կկալ/(մ2-ժ) կոնվեկցիայի համար մինչև 22500 կկալ/(մ2-ժ) ճառագայթման համար: Նկ. 3.23-ը գրաֆիկական տեսքով ցույց է տալիս ճառագայթային էներգիայի օգնությամբ մարմնի տաքացման գործընթացը։ Գրաֆիկից պարզ երևում է, որ ջերմային էներգիաի սկզբանե ազատվում է միայն մարմնի ներսում, քանի որ հակառակ դեպքում առավելագույն ջերմաստիճանը պետք է լինի մարմնի մակերեսին:

Կոնտակտային ջերմափոխանակություն

Կոնտակտային ջերմության փոխանցումը նկատվում է, երբ սկզբնական պահին տարբեր ջերմաստիճան ունեցող երկու մարմիններ շփվում են միմյանց հետ, ինչի արդյունքում այդ մարմինների ջերմաստիճանը հակված է որոշ ընդհանուր միջին ջերմաստիճանի: Գործնականում այս տեսակի ջերմության փոխանցումը կարող է հայտնաբերվել տաքացվող կամ տաքացվող մակերեսների վրա՝ չորացած նյութը լցնելու, թրթռման, սահելու ժամանակ:

Երկու մարմինների շփումից հետո, որոնք սկզբում ունեցել են տարբեր ջերմաստիճաններ, առաջին պահին նրանց շփման մակերևույթի վրա սահմանվում է միջին ջերմաստիճան, որը նշվում է U0-ով։ Արժեքը կոչվում է մարմնի ջերմային ակտիվություն: Որտեղ:

Կրճատված ջերմային փոխանցման գործակիցի միջին արժեքը, նշված. t ժամանակային միջակայքին և U0-U∞ ջերմաստիճանի տարբերությունը (որտեղ U∞-ը սառը մարմնի սկզբնական ջերմաստիճանն է), հաշվարկվում է բանաձևով.

Կարճաժամկետ շփման դեպքում կրճատված ջերմային փոխանցման գործակիցի միջին արժեքը կարող է բավականին բարձր լինել:

Ջերմային փոխանցումը ջեռուցման ընթացքում փոփոխվող էլեկտրամագնիսական դաշտում:

Եթե ​​միմյանցից որոշակի հեռավորության վրա գտնվող երկու մետաղական թիթեղներ տեղադրվեն փոփոխական էլեկտրամագնիսական դաշտում, ապա նրանց միջև կհայտնվի փոփոխական հոսանք՝ կախված դաշտի ուժից և հզորությունից։

Նկար 3.25. Թույլտվության v-ի և tgδ դիէլեկտրական կորստի շոշափողի փոփոխություն՝ որպես հաճախականության ֆունկցիա զսոճու փայտի փոփոխական էլեկտրամագնիսական դաշտ և խոնավության պարունակություն (ըստ աշխատանքի)

Եթե ​​կոնդենսատորի թիթեղների միջև նյութ է տեղադրվում, ապա կոնդենսացիոն հոսանքը կավելանա նյութի ε թույլատրելիության համամասնությամբ: Գյուղատնտեսական մթերքներում պարունակվող ջուրը, համեմատած դրանց չոր զանգվածի հետ, ունի բարձր դիէլեկտրական հաստատուն (0 ° C ε = 80 ջերմաստիճանում), ուստի e հաստատունը կարող է օգտագործվել նյութի խոնավության պարունակությունը չափելու համար։

Զուտ կոնդենսիվ հոսանքը չի տաքացնում թաց նյութը: Նյութի ներսում փուլային հոսանքները նույնպես ակտիվ բաղադրիչ ունեն: Ակտիվ և հզոր բաղադրիչների հարաբերակցությամբ արտահայտված արժեքը կոչվում է դիէլեկտրական կորստի անկյան շոշափում.

IR-ը ընթացիկ ուժի ակտիվ բաղադրիչն է, A; IC - ընթացիկ ուժի կոնդենսիվ բաղադրիչ, A; U - աշխատանքային լարման, V; R - ակտիվ դիմադրություն, Օհմ; w- շրջանաձև հաճախականություն, 1/վ; C - հզորություն, F; ε - դիէլեկտրական հաստատուն; զ- հաճախականություն Հց.

Նյութի մեջ ջերմության արտանետումը պայմանավորված է միայն հոսանքի ակտիվ բաղադրիչով.

Եթե ​​լարումն արտահայտենք E դաշտի ուժգնությամբ (թիթեղները բաժանող հեռավորության մեկ սանտիմետրի վրա լարում), ապա կարող ենք ստանալ ջերմության ծավալային արձակման հզորությունը բնութագրող արտահայտություն.

Q - ջերմության արտանետում, կկալ / ժ; V-ը կոնդենսատորի ծավալն է, սմ3; E - լարվածություն էլեկտրական դաշտ, V/սմ.

tgδ-ով և e դիէլեկտրական հաստատունով որոշված ​​կորուստները մեծապես կախված են նյութի խոնավության պարունակությունից և փոփոխության հաճախականությունից. էլեկտրամագնիսական դաշտ(Նկար 3.25) . Արդեն համեմատաբար ցածր խոնավության դեպքում վերը նշված երկու պարամետրերն էլ զգալիորեն ավելանում են: Սա անհրաժեշտ պայմաններ է ստեղծում այսպես կոչված դիէլեկտրիկ չորացման համար։ Միևնույն ժամանակ, ջերմության արտադրությունը դառնում է հատկապես մեծ, որտեղ խոնավությունն ամենաշատն է պարունակվում: Արդյունքում, նման վայրերում խոնավությունն ավելի արագ է գոլորշիանում։ Բացի այդ, ին այս դեպքընյութը ջրազրկվում է նախ ներսից, որն ունի մեծ նշանակությունկանխելու դրա ոչնչացումը նեղացման սթրեսներից (երբ փայտը չորանում է), որը նկատվում է չորացման սովորական մեթոդների ժամանակ, երբ նյութը չորանում է նախ դրսից, այնուհետև ներսից:

Մթնոլորտային ճնշման դեպքում խոնավ նյութի ներսում ջերմաստիճանը բարձրանում է մոտ 100°C և մնում է անփոփոխ այդ մակարդակում։ Եթե ​​խոնավությունը գոլորշիանում է այնքան մեծ քանակությամբ, որ նյութը գտնվում է հիգրոսկոպիկ գոտում, ապա ջերմաստիճանը ավելի կբարձրանա: Արդյունքում նյութի միջուկը կարող է ածխացած լինել, մինչ դրա արտաքին շերտերը դեռ խոնավ են:

Դիէլեկտրիկը կամ բարձր հաճախականությամբ չորացումը լայնորեն չի օգտագործվում ոչ միայն մեծ կապիտալ ներդրումների և բարձր որակավորում ունեցող սպասարկման արժեքի, այլև գործընթացի էներգիայի բարձր ինտենսիվության պատճառով: Խոնավության գոլորշիացման համար անհրաժեշտ ջերմային էներգիան ստացվում է էլեկտրական էներգիայի փոխակերպման արդյունքում, մինչդեռ էներգիայի փոխակերպումը կապված է նկատելի կորուստների հետ։

Ջերմային փոխանցման տեսությունը ուսումնասիրում է ջերմային էներգիայի բաշխման և փոխանցման օրինաչափությունները։ Ջերմության տեսքով էներգիայի փոխանակումը տեղի է ունենում առանձին մարմինների կամ նույն մարմնի մասերի միջև ջերմաստիճանի տարբերության առկայության դեպքում և շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև երկու մարմինների ջերմաստիճանը հավասարվի։ Քանի որ ջերմաստիճանը ներքին էներգիայի չափանիշ է, հետևաբար, ջերմության փոխանցման ժամանակ մեկ (սառը) մարմնի ներքին էներգիայի ավելացում տեղի է ունենում մեկ այլ մարմնում (տաք) նվազման պատճառով:

Ջերմափոխանակման գործընթացը բնական է և անշրջելի, այսինքն՝ այն միշտ ընթանում է մեկ ուղղությամբ՝ տաք մարմնից սառը։

Գոյություն ունեն ջերմության փոխանցման երեք տեսակ՝ հաղորդունակություն, կոնվեկցիա և ճառագայթում:

Ջերմային ջերմահաղորդություն- հանգստի վիճակում պինդ և հեղուկներում ջերմության տարածման գործընթացը. Դիէլեկտրիկներում (էլեկտրական հոսանք չհաղորդող նյութերում) ջերմային էներգիան փոխանցվում է տատանումների միջոցով. բյուրեղյա վանդակ, իսկ մետաղներում՝ հիմնականում վանդակում ազատ էլեկտրոնների շարժման շնորհիվ։ Ջերմային հաղորդունակությունն իր մաքուր տեսքով նկատվում է միայն պինդ նյութեր.

Կոնվեկցիա- ջերմության փոխանցում հեղուկ և գազային մարմինների առանձին զանգվածների և ծավալների շարժման ժամանակ.

Սովորաբար, կոնվեկցիան և ջերմային հաղորդակցությունը տեղի են ունենում միաժամանակ: Նման գործընթացը կոչվում է կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցում. Ջերմության փոխանցումը մի մարմնից մյուսը կոնվեկցիայի և ջերմահաղորդման ընթացքում իրականացվում է միայն այն դեպքում, երբ դրանք շփվում են:

Ճառագայթում- ջերմափոխանակություն մարմինների միջև հեռավորության վրա ձևով լյու-մաքուր էներգիա. Ճառագայթային էներգիայի կրողներն են էլեկտրամագնիսական ալիքները (ֆոտոնները)։ Ճառագայթելիս տաքացած մարմնի ջերմային էներգիան վերածվում է ճառագայթային էներգիայի, տարածվում շրջակա տարածության մեջ, ընկնում մեկ այլ մարմնի վրա և կրկին վերածվում ջերմային էներգիայի։

Ջերմափոխադրման խնդիրների լուծումը միշտ ունի կոնկրետ բնույթ՝ միանշանակորեն որոշված ​​գործընթացների պայմաններով։

Այս պայմանները ներառում են.

- մարմինների մակերևույթների և նրանց շրջապատող տարածության երկրաչափական առանձնահատկությունները (ձևեր, չափեր);

- գործընթացի առանձնահատկությունները ժամանակին;

- ջերմության փոխանցման գործընթացի սահմանային առանձնահատկությունները, այսինքն՝ արժեքը և բաշխումը ֆիզիկական մեծություններջերմության փոխանցման մեջ ներգրավված մարմինների միջերեսներում.

- ֆիզիկական և Քիմիական հատկություններև այն միջավայրի պարամետրերը, որոնցում տեղի է ունենում ջերմության փոխանցումը:

Այնուամենայնիվ, այս եզակիության պայմանները միշտ չէ, որ թույլ են տալիս ստանալ ջերմության փոխանցման տեսության խնդիրների վերլուծական լուծում: Ուստի ջերմափոխանակման գործընթացների ուսումնասիրության համար բացառիկ նշանակություն ունեն ֆիզիկական փորձերը և դրանց արդյունքների ընդհանրացումը։

Ջերմային ջերմահաղորդություն

Ջերմահաղորդման երևույթների առանձնահատկությունները կապված են մարմիններում ջերմաստիճանի բաշխման հետ։ Ընդհանուր դեպքում մարմինների ջերմաստիճանը ժամանակի ընթացքում կարող է փոխվել տարածության բոլոր կետերում։ Ուսումնասիրվող տարածքի բոլոր կետերում ակնթարթային ջերմաստիճանի արժեքների հավաքածուն կոչվում է ջերմաստիճանի դաշտ.

Ջերմաստիճանի դաշտն է միատարր, եթե ջերմաստիճանը նույնն է տարածության բոլոր կետերում, և տարասեռեթե դա տարբեր է. Նույն ջերմաստիճանի կետերով մակերեսները կոչվում են իզոթերմայինև այս մակերեսների խաչմերուկը - իզոթերմներ(Նկար 3.1) Ջերմությունը չի տարածվում իզոթերմ մակերեսների երկայնքով: Ջերմաստիճանի ամենաարագ փոփոխությունը տեղի է ունենում նորմալից իզոթերմ մակերեսների երկայնքով:

Բրինձ. 3.1. ջերմաստիճանի դաշտ

Երկու իզոթերմների ջերմաստիճանի տարբերության հարաբերակցության սահմանը նորմալ երկայնքով նրանց միջև եղած հեռավորությանը, երբ nձգտում է զրոյի կոչվում է գրադիենտ

ջերմաստիճանի ծավալըև նշվում է աստիճանով տ.

Գրադիենտ - ջերմաստիճանի փոփոխության ամենամեծ ինտենսիվության չափում; դա վեկտորային մեծություն է։ Ջերմաստիճանի բարձրացման ուղղությունը համարվում է դրական: Քանակականորեն ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը բնութագրվում է ջերմային հոսքի խտությունը, այսինքն՝ միավորի մակերեսով անցնող ջերմության քանակությունը միավոր ժամանակում։ Համաձայն Ֆուրիեի օրենքի - ջերմային հաղորդունակության հիմնական օրենքի - ջերմային հոսքի խտությունը, Վտ / մ 2, որոշվում է բանաձևով.

որտեղ Ք- ջերմության քանակը, J; Ֆ- Մակերես, մ2; τ - ժամանակ, ժ

Ֆուրիեի օրենքը ասում է, որ ջերմային հոսքի խտությունը համաչափ է ջերմաստիճանի գրադիենտին

որտեղ λ - ջերմային հաղորդունակության գործակիցը, որը բնութագրում է ջերմության տարածման ինտենսիվությունը, այսինքն՝ ջերմային հաղորդունակության արդյունքում անցնող ջերմության քանակությունը մեկ միավորի ժամանակում ջերմափոխանակման միավորի մակերևույթի միջով, երբ ջերմաստիճանը իջնում ​​է 1 աստիճանով մեկ միավորի երկարության նորմալից մինչև իզոթերմ մակերեսը , Վ / մ Կ .

Աջ կողմում գտնվող մինուս նշանը ցույց է տալիս մարմնի ջերմության հոսքի և ջերմաստիճանի փոփոխության հակառակ ուղղությունը: Ջերմային հաղորդունակության գործակիցը կախված է քիմիական բաղադրությունըմարմինները, դրանց կառուցվածքը, խտությունը, խոնավությունը, ճնշումը, ջերմաստիճանը և գտնվում են 0,01-ից մինչև 400 Վտ/(մ Կ) կարգի:

Մարմիններ, որոնք ունեն λ <0,2 Вт/(м·К), называются ջերմամեկուսիչներ. Ջերմության լավ հաղորդիչներն այն մարմիններն են, որոնք ունեն λ >20 Վտ/(մ Կ):

Ամենափոքր արժեքներըգազերն ունեն ջերմային հաղորդունակության գործակից (0,01-ից մինչև 1 Վտ / (մ Կ)), ամենամեծը՝ մետաղները (արծաթը՝ 410, պղինձը՝

360, ալյումին - 200-300, պողպատ - 45-55 Վտ / (մ Կ)):

Ֆուրիեի ջերմային հավասարումը մարմնի ցանկացած վայրում ժամանակի ընթացքում ջերմաստիճանի փոփոխության գործընթացի մաթեմատիկական նկարագրությունն է, որն առաջանում է արդյունքում ջերմափոխանակման արդյունքում:

Ջերմային հաղորդման հավասարումները սովորաբար վերլուծական կերպով լուծվում են կոնկրետ գործընթացի պայմանների համար՝ օգտագործելով հայտնի բացառիկության պայմանները:

Գործնականում պետք է հանդիպել ջերմահաղորդման տարբեր խնդիրների, որոնք պայմանականորեն բաժանվում են երեք խմբի.

1) ստացիոնար ջերմահաղորդություն, երբ մարմնի ջերմաստիճանի բաշխումը ժամանակի ընթացքում մնում է անփոփոխ և, համապատասխանաբար, ջերմային հոսքի խտությունը հաստատուն է. Ջերմափոխանակման գործընթացները ջեռուցման սարքերում և ապարատներում, շինարարական կառույցների կոնստրուկցիաները փակելով արտաքին և երկարատև մշտական ​​ջերմաստիճաններում ներքին միջավայրըկարելի է համարել ժամանակից անկախ.

2) ոչ ստացիոնար ջերմահաղորդականություն, երբ ջերմաստիճանի դաշտը ժամանակի հետ փոխվում է. Ոչ ստացիոնար ջերմահաղորդականություն նկատվում է, օրինակ, մարմինների տաքացման և հովացման ժամանակ, երբ մինչև ջերմային ազդեցության սկսվելը մարմնի ողջ զանգվածն ուներ նույն ջերմաստիճանը.

3) ջերմաստիճանի ալիքները պարբերական ջերմային ազդեցության ենթարկված մարմիններում. Օրինակ՝ երկրագնդի մակերեսային շերտում ջերմաստիճանի տարեկան տատանումները, արտաքին օդի ջերմաստիճանի ամենօրյա տատանումները և դրանց ազդեցությամբ՝ պարսպապատ կառույցների մակերեսների ջերմաստիճանը։

Ստորև բերված է Ֆուրիեի հավասարման հատուկ լուծումը ստացիոնար ջերմահաղորդման երկու խնդիրների համար:

1. Ջերմության միաչափ բաշխում հարթ պատի մեջ (նկ. 3.2): Հարթ պատի ջերմային հոսքը հավասար է

նորություններ Ֆ 1 և Ֆ 2, °С.

Շերտերի հաստությամբ սենդվիչ պատի համար δiև ջերմային հաղորդունակության գործակիցները λ iջերմային հոսքի հավասարումը ընդհանրացված է հետևյալ կերպ.

որտեղ α - կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցը, որը բնութագրում է կոնվեկցիայի միջոցով ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը, W / (մ 2 Կ); տ- հեղուկի ջերմաստիճանը պատից հեռու, °С; տ փող- պատի մակերեսի ջերմաստիճանը, °С; Ֆ- մարմնի ջերմություն ընդունող մակերես, մ 2:

Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման տեսության հիմնական խնդիրներից է ջերմության փոխանցման գործակիցի արժեքը որոշակի գործընթացի պայմանների համար որոշելը:

Գումարի չափով α ազդում են բազմաթիվ գործոններ, որոնցից հիմնականներն են կոնվեկցիայի բնույթը, շարժման եղանակը, հեղուկի ֆիզիկական հատկությունները, ջերմափոխանակության մեջ ներգրավված մարմինների մակերեսի երկրաչափական առանձնահատկությունները։

Կոնվեկցիա կոչվում է անվճար, եթե առաջանում է հեղուկի ջերմաստիճանի դաշտի անհամասեռության պատճառով ճնշման տարբերության (խտության) պատճառով։ Ազատ կոնվեկցիայի երևույթը նկատվում է տաքացված մարմինների մակերևույթի վրա, երբ օդի մասնիկները, որոնք գտնվում են այս մակերևույթների մոտ, տաքանում են, բարձրանում վերև, և սառը օդային զանգվածները շտապում են իրենց տեղում (նկ. 3.4):

Ազատ կոնվեկցիան բնականաբար տեղի է ունենում ցանկացած ծավալի մեջ, որտեղ կան տարբեր ջերմաստիճաններով մարմիններ, և ինչքան ավելի ինտենսիվ է ընթանում, այնքան բարձր է ջերմաստիճանի տարբերությունը:

Բրինձ. 3.4. Անվճար կոնվեկցիա. ա- ուղղահայաց ջեռուցվող պատ; բ- հորիզոնական ափսե; մեջ– հորիզոնական վառարան՝ ներքևից տաքացվող

հարկադիր կոնվեկցիակոչվում է ջերմության փոխանցում արտաքին ուժերի ազդեցության տակ գտնվող հեղուկի շարժման ժամանակ, օրինակ՝ ստեղծված պոմպի, օդափոխիչի, կոմպրեսորի կողմից։ Այս դեպքում ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը որքան մեծ է, այնքան ավելի մեծ է մարմինների մակերեսները լվացող հեղուկի հոսքի արագությունը։

Հոսքի արագության ավելացման հետ ջերմության փոխանցման ինտենսիվության ավելացման պատճառը հեղուկի շարժման ռեժիմի փոփոխությունն է, շերտային շարժումից տուրբուլենտի անցումը (տես նկ. 3.1):

Շերտավոր հոսքում ջերմային էներգիան փոխանցվում է ջերմային հաղորդման և լայնակի զանգվածի դիֆուզիայի միջոցով: Նման էներգիայի փոխանցման ինտենսիվությունը կախված է միջավայրի հատկություններից, և որքան քիչ է, այնքան մեծ է հոսքի հաստությունը: Խառնաշփոթ հոսքի դեպքում էներգիան հեղուկից դեպի պատ է փոխանցվում զանգվածների խառնման միջոցով, իսկ միայն սահմանային շերտում՝ ջերմահաղորդականությամբ։ Հետևաբար, տուրբուլենտ հոսքում ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը ավելի բարձր է, քան լամինարում:

Լամինար և տուրբուլենտ հեղուկի հոսքեր կարելի է դիտարկել ինչպես հարկադիր, այնպես էլ տակից ազատ տեղաշարժ. Սակայն վերջին դեպքում այդ ռեժիմները ստեղծվում են բացառապես ջերմային գործողության պայմաններով, մինչդեռ հարկադիր շարժման դեպքում կիրառվում են հեղուկի հոսքի վրա ազդելու արհեստական ​​մեթոդներ։

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման ինտենսիվությունը կախված է նաև հեղուկի ֆիզիկական հատկություններից, որոնք բնութագրվում են ջերմային հաղորդունակության և ջերմային դիֆուզիոն գործակիցների արժեքով, ջերմային հզորությամբ, ծավալային ընդլայնման գործակիցներով և կինեմատիկական մածուցիկությամբ:

Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման երկրաչափական պայմանները որոշվում են մարմնի ձևով, չափսերով և հեղուկով հոսող մակերեսի բնույթով։

Ըստ երկրաչափական պայմանների՝ ջերմության փոխանցումը առանձնանում է խողովակներում, ալիքներում հեղուկի ներքին հոսքի ժամանակ ( ներքին առաջադրանք) և մակերեսների արտաքին լվացում առվով (արտաքին առաջադրանք)։ Արտաքին հոսքի դեպքում հոսքը կարող է լինել երկայնական՝ կապված ամենամեծ չափըմակերեսային կամ լայնակի (օրինակ, երբ հոսում է խողովակների փաթեթի շուրջ, որը գտնվում է հոսքի ուղղությանը ուղղահայաց):

Բոլոր դեպքերում երկրաչափական պայմանները զգալի ազդեցություն ունեն հոսքի մեջ արագությունների և ջերմաստիճանների բաշխման, շարժման ռեժիմի վրա՝ փոխելով ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը։ Այս գործոնները հաշվի առնելու համար անհրաժեշտ է նշել մարմնի բնորոշ չափերն ու ձևը։

Ջերմային փոխանցման գործակիցների արժեքները տարբեր առաջադրանքներԿոնվեկտիվ ջերմային փոխանցումը որոշվում է չափորոշիչային հավասարումների լուծման միջոցով, որոնց օգնությամբ ընդհանրացվում են փորձարարական ուսումնասիրությունների տվյալները, օրինակ՝ ազատ կոնվեկցիայի համար՝ ձևի հավասարում.

որտեղ Նու լ -Nusselt չափանիշ; α - կոնվեկտիվ ջերմության գործակիցը.

Գրաշոֆ; է- ձգողականության արագացում, մ/վ 2; β - ծավալային գործակից

Ռեյնոլդս; ԻՑ, n, մ- փորձարարական գործակիցներ, - հեղուկի արագություն, մ/վ.

Էլեկտրաջերմային պրոցեսները կապված են էլեկտրական էներգիան ջերմային էներգիայի փոխակերպման հետ՝ մարմնի ներսում (պինդ, հեղուկ, գազային) կամ մեկ ծավալից մյուսը ջերմային էներգիայի փոխանցմամբ՝ ջերմության փոխանցման օրենքների համաձայն:

Ջերմափոխանակումը (ջերմափոխանակությունը) ջերմության փոխանցումն է տարածության մի մասից մյուսը, մի մարմնից մյուսը կամ մարմնի ներսում դրա մի մասից մյուսը։ Ջերմության փոխանցման անփոխարինելի պայմանը առանձին մարմինների կամ մարմինների հատվածների միջև ջերմաստիճանի տարբերության առկայությունն է։

Տարբերում են ստացիոնար և ոչ ստացիոնար ջերմափոխանակություն (նկ. 2.1):

Գոյություն ունեն ջերմության փոխանցման երեք տեսակ, ջերմության փոխանցման երեք տարբեր եղանակներ (նկ. 2.2):

Ջերմային հաղորդունակությունը պայմանավորված է միկրոմասնիկների (մոլեկուլներ, ատոմներ, էլեկտրոններ) ջերմային շարժման և էներգիայի փոխազդեցությամբ, ավելի բարձր էներգիա ունեցող մասնիկների (ավելի տաքացած և, հետևաբար, ավելի շարժունակ) իրենց էներգիայի մի մասը տալիս է ավելի քիչ տաքացվողին (ավելի քիչ շարժուն): Ջերմության փոխանցման արագությունը այս դեպքում կախված է ֆիզիկական հատկություններնյութը, մասնավորապես՝ դրա խտության վրա։ Խիտ մարմինների համար (մետաղ) ջերմության փոխանցման արագությունը ավելի բարձր է, ծակոտկենների համար (պոլիստիրոլ)՝ ավելի քիչ։

Հարթ պատի միջով ջերմային հոսքը կայուն վիճակում (որոշվում է Ֆուրիեի օրենքով) համամասնական է պատի մակերեսի ջերմաստիճանի տարբերությանը և հակադարձ համեմատական ​​պատի ջերմային դիմադրությանը:

Երբ ջերմությունը փոխանցվում է ճառագայթման միջոցով, էներգիան փոխանցվում է ձևով էլեկտրամագնիսական ալիքներ. Այս տեսակի ջերմության փոխանցումը կարող է տեղի ունենալ միայն այս ճառագայթների համար թափանցիկ միջավայրում:

Յուրաքանչյուր անթափանց տաքացված մարմին թափանցիկ միջավայրում ճառագայթում է ճառագայթային էներգիա բոլոր ուղղություններով՝ տարածվելով լույսի արագությամբ: Այլ ամբողջությամբ կամ մասամբ անթափանց մարմինների հետ հանդիպելիս այս ճառագայթային էներգիան կրկին (ամբողջությամբ կամ մասամբ) վերածվում է ջերմության՝ տաքացնելով այդ մարմինները։ Հետևաբար, ճառագայթային ջերմության փոխանցումը ուղեկցվում է էներգիայի կրկնակի փոխակերպմամբ՝ ջերմային էներգիան ճառագայթային էներգիայի և այնուհետև կրկին ճառագայթային էներգիան ջերմային էներգիայի:

Եթե ​​այն մարմինների ջերմաստիճանները, որոնց միջև իրականացվում է ճառագայթային ջերմափոխանակություն, տարբեր են, ապա դրանց միջև ջերմափոխանակության արդյունքում ջերմությունը ավելի տաքացած մարմնից կտեղափոխվի ավելի քիչ տաքացած մարմնի, նրանցից մեկը կտաքանա, և մյուսը կնվազեցնի իր ջերմաստիճանը:

Երբ տաքացվող մարմինը ճառագայթում է անսահմանափակ տարածություն (միակողմանի ջերմափոխանակմամբ), ճառագայթային ջերմային հոսքը համաչափ է ամբողջովին սև մարմնի մշտական ​​արտանետման, մարմնի սևության աստիճանին, որը թվայինորեն հավասար է նրա կլանող կարողությանը և ջեռուցվող մարմնի բացարձակ ջերմաստիճանը.

Բրինձ. 2.2. Ջերմային փոխանցման դասակարգումը ըստ ջերմության փոխանցման մեթոդի

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման հետ կապված խնդիրների վերլուծական լուծումը զգալի դժվարություններ է ներկայացնում, քանի որ այս գործընթացը նկարագրված է բարդ համակարգ դիֆերենցիալ հավասարումներ. Ուստի կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման խնդիրները լուծվում են փորձարարական ստացված հաստատունների և մեծությունների միջոցով։ Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման ջերմային հոսքը որոշվում է Նյուտոն-Ռիչմանի օրենքի հիման վրա։ Այս օրենքի համաձայն, ջերմության հոսքը ուղղակիորեն համամասնական է լվացքի մակերեսին, հովացուցիչ նյութի շարժման ռեժիմին (ջերմային փոխանցման գործակից) և պատի և գազի կամ հեղուկի ջերմաստիճանի տարբերությանը:

Այսօր մենք կփորձենք գտնել «Ջերմային փոխանցում է՞...» հարցի պատասխանը։ Հոդվածում մենք կքննարկենք, թե որն է գործընթացը, դրա ինչ տեսակներ կան բնության մեջ, ինչպես նաև կպարզենք, թե ինչ կապ կա ջերմության փոխանցման և թերմոդինամիկայի միջև:

Սահմանում

Ջերմափոխանակությունը ֆիզիկական գործընթաց է, որի էությունը փոխանցումն է:Փոխանակումը տեղի է ունենում երկու մարմինների կամ նրանց համակարգի միջև: Այս դեպքում նախապայման է ավելի տաքացվող մարմիններից ջերմության փոխանցումը ավելի քիչ ջեռուցվողներին։

Գործընթացի առանձնահատկությունները

Ջերմային փոխանցումը նույն տեսակի երևույթն է, որը կարող է առաջանալ ինչպես անմիջական շփման, այնպես էլ բաժանարար միջնորմների դեպքում: Առաջին դեպքում ամեն ինչ պարզ է, երկրորդում մարմինները, նյութերը, կրիչները կարող են օգտագործվել որպես խոչընդոտ։ Ջերմության փոխանցումը տեղի կունենա այն դեպքերում, երբ երկու կամ ավելի մարմիններից բաղկացած համակարգը վիճակում չէ ջերմային հավասարակշռություն. Այսինքն՝ առարկաներից մեկը մյուսի համեմատ ավելի կամ ավելի ցածր ջերմաստիճան ունի։ Այստեղ է տեղի ունենում ջերմային էներգիայի փոխանցումը։ Տրամաբանական է ենթադրել, որ այն կավարտվի, երբ համակարգը գա թերմոդինամիկական կամ ջերմային հավասարակշռության վիճակի։ Գործընթացը տեղի է ունենում ինքնաբուխ, ինչը կարող է մեզ ասել

Տեսակներ

Ջերմային փոխանցումը գործընթաց է, որը կարելի է բաժանել երեք եղանակով. Դրանք կունենան հիմնական բնույթ, քանի որ դրանցում կարելի է առանձնացնել իրական ենթակատեգորիաներ՝ ընդհանուր օրինաչափությունների հետ միասին ունենալով իրենց բնորոշ հատկանիշները։ Մինչ օրս ընդունված է տարբերակել երեքը՝ ջերմային հաղորդունակությունը, կոնվեկցիան և ճառագայթումը։ Սկսենք առաջինից, ենթադրում եմ:

ուղիներ

այսպես է կոչվում սրա-նրա ունեցվածքը նյութական մարմինիրականացնել էներգիայի փոխանցում. Միաժամանակ այն ավելի տաք հատվածից տեղափոխվում է ավելի սառը։ Այս երեւույթը հիմնված է մոլեկուլների քաոսային շարժման սկզբունքի վրա։ Սա այսպես կոչված Բրոունյան շարժումն է։ Որքան բարձր է մարմնի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի ակտիվ են մոլեկուլները շարժվում դրանում, քանի որ նրանք ավելի շատ կինետիկ էներգիա ունեն։ Ջերմահաղորդման գործընթացին մասնակցում են էլեկտրոնները, մոլեկուլները, ատոմները։ Այն իրականացվում է մարմիններում, որոնց տարբեր մասեր ունեն տարբեր ջերմաստիճաններ։

Եթե ​​նյութը ունակ է ջերմություն փոխանցել, ապա կարելի է խոսել քանակական հատկանիշի առկայության մասին։ Այս դեպքում նրա դերը խաղում է ջերմային հաղորդունակության գործակիցը։ Այս բնութագիրը ցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն կանցնի ժամանակի միավորի երկարության և տարածքի ցուցիչների միջով: Այս դեպքում մարմնի ջերմաստիճանը կփոխվի ուղիղ 1 Կ-ով։

Նախկինում ենթադրվում էր, որ տարբեր մարմիններում ջերմության փոխանակումը (ներառյալ շրջապատող կառույցների ջերմափոխանակումը) պայմանավորված է նրանով, որ այսպես կոչված կալորիականությունը հոսում է մարմնի մի մասից մյուսը: Այնուամենայնիվ, ոչ ոք չգտավ դրա իրական գոյության նշաններ, և երբ մոլեկուլային-կինետիկ տեսությունը զարգացավ որոշակի մակարդակի, բոլորը մոռացան մտածել կալորիականության մասին, քանի որ վարկածը պարզվեց, որ անհիմն է:

Կոնվեկցիա. Ջրի ջերմության փոխանցում

Ջերմային էներգիայի փոխանակման այս մեթոդը հասկացվում է որպես փոխանցում ներքին հոսքերի միջոցով։ Եկեք պատկերացնենք մի թեյնիկ ջուր։ Ինչպես գիտեք, ավելի տաք օդային հոսանքները բարձրանում են դեպի վեր: Եվ ցուրտ, ավելի ծանրները սուզվում են: Այսպիսով, ինչու պետք է ջուրը տարբերվի: Դա ճիշտ նույնն է նրա հետ: Իսկ նման ցիկլի ընթացքում ջրի բոլոր շերտերը, որքան էլ որ լինեն, կջերմանան այնքան ժամանակ, քանի դեռ չի առաջացել ջերմային հավասարակշռության վիճակ։ Որոշակի պայմաններում, իհարկե։

Ճառագայթում

Այս մեթոդը հիմնված է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման սկզբունքի վրա: Դա գալիս է ներքին էներգիայից: Մենք շատ չենք խորանա տեսության մեջ, պարզապես նկատենք, որ այստեղ պատճառը լիցքավորված մասնիկների, ատոմների և մոլեկուլների դասավորության մեջ է։

Պարզ ջերմային հաղորդակցման խնդիրներ

Հիմա եկեք խոսենք այն մասին, թե ինչպես է գործնականում նայում ջերմության փոխանցման հաշվարկը: Եկեք լուծենք մի պարզ խնդիր՝ կապված ջերմության քանակի հետ. Ենթադրենք, մենք ունենք կես կիլոգրամի հավասար ջրի զանգված։ Ջրի սկզբնական ջերմաստիճանը 0 աստիճան Ցելսիուս է, վերջնական ջերմաստիճանը՝ 100։ Եկեք գտնենք ջերմության քանակությունը, որը ծախսել ենք նյութի այս զանգվածը տաքացնելու համար։

Դա անելու համար մեզ անհրաժեշտ է Q \u003d սմ բանաձևը (t 2 -t 1), որտեղ Q- ը ջերմության քանակն է, c- ը հատուկ m- ը նյութի զանգվածն է, t 1-ը սկզբնականն է, t 2-ը: վերջնական ջերմաստիճանը. Ջրի համար c-ի արժեքը աղյուսակային է: Հատուկ ջերմությունհավասար կլինի 4200 Ջ / կգ * C: Այժմ մենք փոխարինում ենք այս արժեքները բանաձևի մեջ: Մենք ստանում ենք, որ ջերմության քանակը հավասար կլինի 210000 Ջ կամ 210 կՋ։

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը

Թերմոդինամիկան և ջերմության փոխանցումը փոխկապակցված են որոշ օրենքներով։ Դրանք հիմնված են այն գիտելիքի վրա, որ համակարգի ներսում ներքին էներգիայի փոփոխությունները կարող են իրականացվել երկու եղանակով: Առաջինը մեխանիկական աշխատանքն է։ Երկրորդը որոշակի քանակությամբ ջերմության հաղորդակցությունն է: Ի դեպ, այս սկզբունքի վրա է հիմնված թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը։ Ահա դրա ձևակերպումը. եթե որոշակի քանակությամբ ջերմություն է փոխանցվել համակարգին, այն կծախսվի արտաքին մարմինների վրա աշխատանք կատարելու կամ դրա ներքին էներգիան ավելացնելու վրա: Մաթեմատիկական նշում՝ dQ = dU + dA:

Կողմ, թե դեմ.

Բացարձակապես բոլոր մեծությունները, որոնք ներառված են թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մաթեմատիկական նշումներում, կարելի է գրել ինչպես գումարած, այնպես էլ մինուս նշանով։ Ընդ որում, նրանց ընտրությունը թելադրվելու է գործընթացի պայմաններով։ Ենթադրենք, որ համակարգը ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն: Այս դեպքում դրա մեջ գտնվող մարմինները տաքանում են: Հետեւաբար, գազը ընդլայնվում է, ինչը նշանակում է, որ աշխատանքը կատարվում է: Արդյունքում արժեքները դրական կլինեն։ Եթե ​​ջերմության քանակությունը հանվում է, գազը սառչում է, և դրա վրա աշխատանքներ են տարվում։ Արժեքները կփոխվեն.

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի այլընտրանքային ձևակերպում

Ենթադրենք, որ մենք ունենք պարբերաբար գործող շարժիչ։ Դրանում աշխատանքային մարմինը (կամ համակարգը) շրջանաձև գործընթաց է կատարում։ Այն սովորաբար կոչվում է ցիկլ: Արդյունքում համակարգը կվերադառնա իր սկզբնական վիճակին: Տրամաբանական կլինի ենթադրել, որ այս դեպքում ներքին էներգիայի փոփոխությունը կլինի զրո. Ստացվում է, որ ջերմության քանակությունը հավասար կլինի կատարված աշխատանքին։ Այս դրույթները մեզ թույլ են տալիս այլ կերպ ձևակերպել թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը։

Դրանից մենք կարող ենք հասկանալ, որ առաջին տեսակի հավերժական շարժման մեքենան չի կարող գոյություն ունենալ բնության մեջ: Այսինքն՝ սարք, որն իրոք աշխատում է ավելի մեծ քանակությամբ՝ համեմատած դրսից ստացվող էներգիայի հետ։ Այս դեպքում գործողությունները պետք է պարբերաբար կատարվեն:

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը իզոպրոցեսների համար

Դիտարկենք նախ իզոխորիկ գործընթացը: Այն կայուն է պահում ծավալը: Սա նշանակում է, որ ծավալի փոփոխությունը կլինի զրո։ Հետեւաբար, աշխատանքը նույնպես հավասար կլինի զրոյի։ Եկեք մերժենք այս տերմինը թերմոդինամիկայի առաջին օրենքից, որից հետո մենք ստանում ենք dQ = dU բանաձևը: Սա նշանակում է, որ իզոխորիկ գործընթացում համակարգին մատակարարվող ողջ ջերմությունը գնում է գազի կամ խառնուրդի ներքին էներգիայի ավելացմանը:

Այժմ խոսենք իզոբարային գործընթացի մասին։ Մշտական ​​արժեքդրա մեջ ճնշում կա. Այս դեպքում աշխատանքին զուգահեռ կփոխվի ներքին էներգիան։ Ահա սկզբնական բանաձևը՝ dQ = dU + pdV: Մենք հեշտությամբ կարող ենք հաշվարկել կատարված աշխատանքը։ Այն հավասար կլինի uR(T 2 -T 1) արտահայտությանը: Ի դեպ, սա է ֆիզիկական իմաստունիվերսալ գազի հաստատուն. Մեկ մոլ գազի և մեկ Կելվինի ջերմաստիճանի տարբերության առկայության դեպքում գազի համընդհանուր հաստատունը հավասար կլինի իզոբարային գործընթացում կատարված աշխատանքին։

Ջերմափոխանակություն- սա ներքին էներգիան փոխելու գործընթաց է՝ առանց մարմնի կամ մարմնի վրա աշխատանք կատարելու:
Ջերմային փոխանցումը միշտ տեղի է ունենում որոշակի ուղղությամբ. ավելի բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմիններից մինչև ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմիններ.
Երբ մարմինների ջերմաստիճանները հավասարվում են, ջերմության փոխանցումը դադարում է։
Ջերմափոխանակությունը կարող է իրականացվել երեք եղանակով.

1. ջերմային ջերմահաղորդություն
2. կոնվեկցիա
3. ճառագայթում

Ջերմային ջերմահաղորդություն

Ջերմային ջերմահաղորդություն- մարմնի մի մասից մյուսը կամ մի մարմնից մյուսը նրանց անմիջական շփման ընթացքում ներքին էներգիայի փոխանցման երեւույթը.
Մետաղներն ունեն ամենաբարձր ջերմային հաղորդունակությունը- Նրանք հարյուրապատիկ անգամ ավելի շատ ունեն, քան ջուրը: Բացառություն են կազմում սնդիկը և կապարը:, բայց նույնիսկ այստեղ ջերմահաղորդականությունը տասնյակ անգամ ավելի մեծ է, քան ջրինը։
Մետաղական ասեղը բաժակի մեջ իջեցնելիս հետ տաք ջուրշատ շուտով խոսակցության վերջն էլ թեժացավ։ Հետևաբար, ներքին էներգիան, ինչպես ցանկացած տեսակի էներգիա, կարող է փոխանցվել մի մարմնից մյուսը։ Ներքին էներգիան կարող է փոխանցվել նաև մարմնի մի մասից մյուսը։ Այսպիսով, օրինակ, եթե եղունգի մի ծայրը տաքացվի կրակի մեջ, ապա նրա մյուս ծայրը, որը գտնվում է ձեռքում, աստիճանաբար կջերմանա և այրվի ձեռքը։
Էլեկտրական վառարանի վրա թավայի տաքացումը տեղի է ունենում ջերմահաղորդման միջոցով:
Եկեք ուսումնասիրենք այս երևույթը՝ կատարելով մի շարք փորձեր պինդ, հեղուկների և գազերի հետ:
Փայտե փայտի ծայրը մտցնենք կրակի մեջ։ Այն կբռնկվի։ Փայտի մյուս ծայրը, որը դրսում է, սառը կլինի։ Նշանակում է, փայտը վատ ջերմային հաղորդունակություն ունի.
Մենք բարակ ապակյա ձողի ծայրը հասցնում ենք սպիրտային լամպի բոցին։ Որոշ ժամանակ անց այն կտաքանա, իսկ մյուս ծայրը կմնա սառը։ Հետևաբար, և ապակին վատ ջերմային հաղորդունակություն ունի.
Եթե ​​մետաղյա ձողի ծայրը տաքացնենք բոցի մեջ, ապա շատ շուտով ամբողջ ձողը շատ կտաքանա։ Մենք այլևս չենք կարող այն պահել մեր ձեռքերում։
Նշանակում է, մետաղները լավ են փոխանցում ջերմությունը, այսինքն՝ ունեն բարձր ջերմային հաղորդունակություն։ Արծաթն ու պղինձն ունեն ամենաբարձր ջերմային հաղորդունակությունը։.
Ջերմային հաղորդունակությունը ժամը տարբեր նյութերտարբեր.
Բուրդը, մազերը, թռչնի փետուրները, թուղթը, խցանափայտը և այլ ծակոտկեն մարմինները ունեն վատ ջերմահաղորդություն։Դա պայմանավորված է նրանով, որ օդը պարունակվում է այդ նյութերի մանրաթելերի միջև: Վակուումը (օդից ազատված տարածությունը) ունի ամենացածր ջերմային հաղորդունակությունը։Սա բացատրվում է նրանով, որ ջերմահաղորդականությունը մարմնի մի մասից մյուսն էներգիայի փոխանցումն է, որը տեղի է ունենում մոլեկուլների կամ այլ մասնիկների փոխազդեցության ժամանակ։ Մի տարածության մեջ, որտեղ չկան մասնիկներ, ջերմային հաղորդակցությունը չի կարող տեղի ունենալ:
Եթե ​​անհրաժեշտություն կա պաշտպանել մարմինը սառեցումից կամ տաքացումից, ապա օգտագործվում են ցածր ջերմահաղորդականություն ունեցող նյութեր։ Այսպիսով, կաթսաների, կաթսաների, պլաստիկ բռնակների համար: Տները կառուցված են գերաններից կամ աղյուսներից, որոնք ունեն վատ ջերմահաղորդություն, ինչը նշանակում է, որ դրանք պաշտպանված են հովացումից:

Կոնվեկցիա

Կոնվեկցիաջերմության փոխանցման գործընթաց է, որն իրականացվում է հեղուկի կամ գազի հոսքերի միջոցով էներգիայի փոխանցման միջոցով:
Կոնվեկցիայի երևույթի օրինակՓոքր թղթե անիվը, որը տեղադրված է մոմի բոցի կամ էլեկտրական լամպի վրա, սկսում է պտտվել բարձրացող տաքացած օդի ազդեցության տակ: Այս երեւույթը կարելի է բացատրել այսպես. Օդը, շփվելով տաք լամպի հետ, տաքանում է, ընդլայնվում և դառնում ավելի քիչ խիտ, քան իրեն շրջապատող սառը օդը: Արքիմեդյան ուժը, որը գործում է տաք օդի վրա սառը կողմից դեպի վեր, ավելի մեծ է, քան տաք օդի վրա ազդող ծանրության ուժը: Արդյունքում տաքացած օդը «լողում» է, բարձրանում է, իսկ սառը օդը զբաղեցնում է նրա տեղը։
Կոնվեկցիայի ժամանակ էներգիան փոխանցվում է հենց գազի կամ հեղուկի շիթերով:
Կոնվեկցիայի երկու տեսակ կա.

• բնական (կամ անվճար)

Նյութի մեջ առաջանում է ինքնաբերաբար, երբ այն տաքացվում է անհավասարաչափ։ Նման կոնվեկցիայի դեպքում նյութի ստորին շերտերը տաքանում են, դառնում ավելի թեթև և լողում, իսկ վերին շերտերը, ընդհակառակը, սառչում են, ծանրանում և իջնում, որից հետո գործընթացը կրկնվում է։

• հարկադրված

Դիտվում է հեղուկը հարիչով, գդալով, պոմպով և այլն խառնելիս։
Հեղուկների և գազերի մեջ կոնվեկցիա առաջանալու համար անհրաժեշտ է դրանք տաքացնել ներքևից։
Կոնվեկցիա չի կարող առաջանալ պինդ մարմիններում:

Ճառագայթում

Ճառագայթում- որոշակի ջերմաստիճանում նյութի կողմից ներքին էներգիայի պատճառով արտանետվող էլեկտրամագնիսական ճառագայթում.
Սև մարմնի չափանիշներին բավարարող օբյեկտի ջերմային ճառագայթման հզորությունը նկարագրված է Ստեֆան-Բոլցմանի օրենքը.
Նկարագրված է մարմինների արտանետման և ներծծող ունակությունների հարաբերակցությունը Կիրխհոֆի ճառագայթման օրենքը.
Ճառագայթման միջոցով էներգիայի փոխանցումը տարբերվում է ջերմության փոխանցման այլ տեսակներից կարող է իրականացվել լրիվ վակուումում.
Բոլոր մարմիններն էլ էներգիա են ճառագում. և՛ ուժեղ, և՛ թույլ, օրինակ՝ մարդու մարմինը, վառարանը, էլեկտրական լամպը և այլն։ Բայց որքան բարձր է մարմնի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի շատ էներգիա է այն փոխանցում ճառագայթման միջոցով։ Այս դեպքում էներգիան մասամբ կլանում է այդ մարմինները, մասամբ արտացոլվում։ Երբ էներգիան կլանվում է, մարմինները տաքանում են տարբեր ձևերով՝ կախված մակերեսի վիճակից։
Մուգ մակերես ունեցող մարմիններն ավելի լավ են կլանում և ճառագայթում էներգիան, քան թեթև մակերեսով մարմինները։ Միաժամանակ, մուգ մակերեսով մարմինները սառչում են ավելի արագ ճանապարհճառագայթում, քան թեթև մակերեսով մարմինները։ Օրինակ՝ թեթեւ թեյնիկի մեջ տաք ջուրպահպանում է ջերմությունը ավելի երկար, քան մթության մեջ: