การพาความร้อนตามธรรมชาติ ประเภทของการพาความร้อนและความแตกต่าง

ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่อุณหภูมิห้อง

ลำดับความสำคัญของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารต่างๆ

การพาความร้อนนี่เป็นวิธีที่ 2 ของการถ่ายเทความร้อนในอวกาศ

การพาความร้อน- นี่คือการถ่ายเทความร้อนในของเหลวและก๊าซที่มีการกระจายอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดใหญ่

การถ่ายเทความร้อนร่วมกับมวลมหภาคเรียกว่า การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน, หรือ ง่ายๆ การพาความร้อน.

การถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวของเหลวและของแข็ง กระบวนการนี้มีชื่อพิเศษ การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน(ความร้อนถูกถ่ายเทจากของเหลวไปยังพื้นผิวหรือในทางกลับกัน)

แต่ไม่มีพาความร้อนในรูปแบบบริสุทธิ์มันมักจะมาพร้อมกับการนำความร้อนเรียกว่าการถ่ายเทความร้อนร่วมกัน การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน

กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างพื้นผิวของของแข็งกับของเหลวเรียกว่า การกระจายความร้อนและพื้นผิวของร่างกายที่ถ่ายเทความร้อน - พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนหรือพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน.

การถ่ายเทความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนจากของไหลหนึ่งไปยังอีกของเหลวหนึ่งผ่านผนังทึบที่แยกออกจากกัน

ประเภทของการเคลื่อนที่ของของไหลแยกแยะระหว่างการพาความร้อนแบบบังคับกับการพาความร้อนตามธรรมชาติ การเคลื่อนไหวที่เรียกว่า บังคับหากเกิดขึ้นเนื่องจากแรงภายนอกที่ไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการถ่ายเทความร้อน ตัวอย่างเช่นเนื่องจากการสื่อสารของพลังงานโดยปั๊มหรือพัดลม การเคลื่อนไหวที่เรียกว่า ฟรีหากถูกกำหนดโดยกระบวนการถ่ายเทความร้อนและเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในความหนาแน่นของอนุภาคขนาดใหญ่ของของไหลที่ร้อนและเย็น

การเคลื่อนไหวโหมดของเหลวการเคลื่อนที่ของของไหลจะคงที่และไม่เสถียร ที่จัดตั้งขึ้นเรียกว่าการเคลื่อนที่ดังกล่าวซึ่งความเร็วทุกจุดในพื้นที่ที่ของเหลวครอบครองไม่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา หากความเร็วการไหลเปลี่ยนแปลงตามเวลา (ในขนาดหรือทิศทาง) การเคลื่อนที่จะเป็น ชั่วคราว.

การทดลองสร้างโหมดการเคลื่อนที่ของของไหลสองโหมด: ลามินาร์และแบบปั่นป่วน ที่ ไหลลื่นอนุภาคของเหลวทั้งหมดเคลื่อนที่ขนานกันและกับพื้นผิวที่ปิดล้อม ที่ โหมดปั่นป่วนอนุภาคของของเหลวเคลื่อนที่แบบสุ่มไม่เป็นระเบียบ นอกจากการเคลื่อนที่ตามกระแสแล้ว อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ข้ามและเข้าหากระแสน้ำได้ ในกรณีนี้ ความเร็วของของเหลวจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องทั้งในด้านขนาดและทิศทาง

การเลือกระบบที่ราบเรียบและปั่นป่วนมี สำคัญมากเนื่องจากกลไกการถ่ายเทความร้อนในของเหลวจะแตกต่างกันไปตามโหมด ในระบบลามิเนตความร้อนในทิศทางตามขวางของการไหลจะถูกถ่ายโอนโดยการนำความร้อนเท่านั้นและในทิศทางของการไหลจะถูกถ่ายโอนโดยการนำความร้อนเท่านั้นและในความปั่นป่วนนอกจากนี้เนื่องจากกระแสน้ำวนหรือการพาความร้อน

แนวคิดของเลเยอร์ขอบเขตจากการศึกษาพบว่าในการไหลของของเหลวหนืดที่ล้างร่างกาย เมื่อมันเข้าใกล้พื้นผิว ความเร็วจะลดลงและกลายเป็นศูนย์บนพื้นผิวของมันเอง ข้อสรุปที่ว่าความเร็วของของไหลที่วางอยู่บนพื้นผิวของร่างกายเป็นศูนย์นั้นเรียกว่าสมมติฐานการเกาะติด ใช้ได้ตราบเท่าที่ของเหลวถือได้ว่าเป็นสื่อต่อเนื่อง

ให้การไหลของของเหลวที่ไม่มีขอบเขตเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวเรียบ (รูปที่) ความเร็วของของไหลที่อยู่ไกลจากมันเท่ากับ w0 และบนพื้นผิวของมันเอง ตามสมมติฐานที่ไม่ลื่น มันจะเท่ากับศูนย์ ดังนั้นใกล้พื้นผิวจึงมีชั้นของของเหลวแช่แข็งที่เรียกว่า เลเยอร์ขอบเขตแบบไดนามิกซึ่งความเร็วแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0 ถึง ...... เนื่องจากความเร็วในชั้นขอบเขตเข้าใกล้ 0 โดยไม่มีอาการ จึงมีการแนะนำคำจำกัดความของความหนาดังต่อไปนี้: ความหนา เลเยอร์ขอบเขตแบบไดนามิกคือระยะห่างจากพื้นผิวที่ความเร็วแตกต่างจาก w0 เป็นจำนวนหนึ่ง โดยปกติ 1%

เมื่อเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิว ความหนาของชั้นขอบจะเพิ่มขึ้น ประการแรก ชั้นของขอบลามิเนตจะก่อตัวขึ้น ซึ่งจะไม่เสถียรเมื่อความหนาเพิ่มขึ้นและยุบตัวลง กลายเป็นชั้นขอบที่ปั่นป่วน อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งที่นี่ ใกล้พื้นผิว ชั้นย่อยเคลือบบาง ๆ ก็ยังถูกเก็บรักษาไว้……. ซึ่งของเหลวจะเคลื่อนที่เป็นชั้นๆ ในรูป แสดงการเปลี่ยนแปลงของความเร็วภายในแผ่นเรียบ (ตอนที่ 1) และแบบปั่นป่วน (ส่วนที่ 2)

การพาความร้อน- การถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของอนุภาคของสสาร การพาความร้อนเกิดขึ้นเฉพาะในของเหลวและสารที่เป็นก๊าซเท่านั้น เช่นเดียวกับระหว่างตัวกลางที่เป็นของเหลวหรือก๊าซกับพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง ในกรณีนี้จะมีการถ่ายเทความร้อนและการนำความร้อน ผลรวมของการพาความร้อนและการนำความร้อนในบริเวณขอบเขตใกล้พื้นผิวเรียกว่าการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน

การพาความร้อนเกิดขึ้นบนพื้นผิวด้านนอกและด้านในของรั้วอาคาร การพาความร้อนมีบทบาทสำคัญในการแลกเปลี่ยนความร้อนของพื้นผิวภายในห้อง ที่ ค่านิยมที่แตกต่างกันอุณหภูมิของพื้นผิวและอากาศที่อยู่ติดกันมีการเปลี่ยนแปลงของความร้อนไปสู่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า ฟลักซ์ความร้อนที่ส่งผ่านการพาความร้อนขึ้นอยู่กับโหมดการเคลื่อนที่ของของเหลวหรือก๊าซที่ล้างพื้นผิว อุณหภูมิ ความหนาแน่นและความหนืดของตัวกลางที่เคลื่อนที่ ความขรุขระของพื้นผิว กับความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของพื้นผิวและบริเวณโดยรอบ ปานกลาง.

กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างพื้นผิวกับก๊าซ (หรือของเหลว) จะแตกต่างกันไปตามลักษณะของการเคลื่อนที่ของแก๊ส แยกแยะ การพาความร้อนแบบธรรมชาติและแบบบังคับในกรณีแรก การเคลื่อนที่ของก๊าซเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและก๊าซ ในครั้งที่สอง - เนื่องจากแรงภายนอกกระบวนการนี้ (การทำงานของพัดลม ลม)

การพาความร้อนแบบบังคับในกรณีทั่วไปอาจมาพร้อมกับกระบวนการพาความร้อนตามธรรมชาติ แต่เนื่องจากความเข้มของการพาความร้อนแบบบังคับนั้นสูงกว่าความเข้มของการพาความร้อนตามธรรมชาติอย่างเห็นได้ชัด เมื่อพิจารณาถึงการพาความร้อนแบบบังคับ การพาความร้อนตามธรรมชาติจึงมักถูกละเลย

ในอนาคตจะพิจารณาเฉพาะกระบวนการถ่ายเทความร้อนแบบหมุนเวียนที่อยู่กับที่เท่านั้น โดยสมมติว่าความเร็วและอุณหภูมิคงที่ตลอดเวลา ณ จุดใดในอากาศ แต่เนื่องจากอุณหภูมิขององค์ประกอบของห้องเปลี่ยนแปลงค่อนข้างช้า การพึ่งพาอาศัยกันที่ได้รับจากสภาวะคงที่จึงสามารถขยายไปสู่กระบวนการได้ สภาพความร้อนที่ไม่คงที่ของห้องซึ่งในแต่ละช่วงเวลาที่พิจารณา กระบวนการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนบนพื้นผิวด้านในของรั้วจะถือว่าหยุดนิ่ง การพึ่งพาอาศัยกันที่ได้รับสำหรับสภาวะคงที่ยังสามารถขยายไปถึงกรณีของการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในลักษณะของการพาความร้อนจากธรรมชาติไปเป็นการบังคับ ตัวอย่างเช่น เมื่ออุปกรณ์หมุนเวียนเพื่อให้ความร้อนในห้อง (คอยล์พัดลมหรือระบบแยกในโหมดปั๊มความร้อน) คือ เปิดในห้อง ประการแรก โหมดการเคลื่อนที่ของอากาศใหม่ถูกสร้างขึ้นอย่างรวดเร็ว และประการที่สอง ความแม่นยำที่จำเป็นของการประเมินทางวิศวกรรมของกระบวนการถ่ายเทความร้อนนั้นต่ำกว่าความไม่ถูกต้องที่เป็นไปได้จากการขาดการแก้ไข การไหลของความร้อนในช่วงเปลี่ยนสถานะ

สำหรับแนวปฏิบัติทางวิศวกรรมในการคำนวณความร้อนและการระบายอากาศ การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างพื้นผิวของเปลือกอาคารหรือท่อกับอากาศ (หรือของเหลว) เป็นสิ่งสำคัญ ในการคำนวณเชิงปฏิบัติ ในการประมาณค่าความร้อนหมุนเวียน (รูปที่ 3) จะใช้สมการของนิวตัน:

ที่ไหน q ถึง- ฟลักซ์ความร้อน W ถ่ายโอนโดยการพาความร้อนจากตัวกลางที่เคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวหรือในทางกลับกัน

ตา- อุณหภูมิของอากาศล้างพื้นผิวของผนัง o C;

τ - อุณหภูมิของพื้นผิวผนัง o C;

α ถึง- ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนบนพื้นผิวผนัง W / m 2 o C

รูปที่ 3 การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนของผนังกับอากาศ

ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน ถึง - ปริมาณทางกายภาพเท่ากับปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทจากอากาศสู่พื้นผิวของวัตถุแข็งโดยการพาความร้อนที่ความต่างระหว่างอุณหภูมิอากาศและอุณหภูมิพื้นผิวร่างกายเท่ากับ 1 o C

ด้วยวิธีนี้ ความซับซ้อนทั้งหมดของกระบวนการทางกายภาพของการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะอยู่ที่สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ถึง. โดยปกติ ค่าของสัมประสิทธิ์นี้เป็นฟังก์ชันของอาร์กิวเมนต์หลายตัว สำหรับการใช้งานจริงยอมรับค่าโดยประมาณมาก ถึง.

สมการ (2.5) สามารถเขียนใหม่ได้สะดวกเป็น:

ที่ไหน R ถึง - ความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนหมุนเวียนบนพื้นผิวของโครงสร้างที่ปิดล้อม m 2 o C / W เท่ากับความแตกต่างของอุณหภูมิบนพื้นผิวของรั้วและอุณหภูมิของอากาศระหว่างทางของฟลักซ์ความร้อนที่มีความหนาแน่นของพื้นผิว 1 W / m 2 จาก พื้นผิวสู่อากาศหรือในทางกลับกัน ความต้านทาน R ถึงคือส่วนกลับของสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนหมุนเวียน ถึง.

หากคุณเอื้อมมือไปเหนือเตาร้อนหรือหลอดไฟฟ้าที่กำลังลุกไหม้ คุณจะสัมผัสได้ว่าอากาศอุ่นพุ่งขึ้นเหนือวัตถุเหล่านี้อย่างไร กระดาษแผ่นหนึ่งที่ห้อยอยู่เหนือเทียนหรือหลอดไฟฟ้าที่กำลังลุกไหม้เริ่มหมุนภายใต้อิทธิพลของอากาศอุ่นที่เพิ่มขึ้น

สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ดังนี้ อากาศสัมผัสกับตะเกียงร้อน ร้อนขึ้น ขยายตัวและมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็นโดยรอบ แรงของอาร์คิมิดีสซึ่งกระทำกับอากาศอุ่นจากด้านข้างของอากาศเย็นจากล่างขึ้นบนนั้น มากกว่าแรงโน้มถ่วงซึ่งกระทำกับอากาศอุ่น อากาศอุ่นจึงลอยขึ้น ทำให้เกิดลมเย็น

เราสามารถสังเกตปรากฏการณ์ที่คล้ายกันเมื่อของเหลวถูกทำให้ร้อนจากด้านล่าง ชั้นของเหลวที่อบอุ่น - หนาแน่นน้อยกว่าและเบากว่า - ถูกแทนที่ด้วยชั้นเย็นที่หนาแน่นและหนักกว่า ชั้นของเหลวเย็นที่ตกลงมา ถูกทำให้ร้อนโดยแหล่งความร้อน และถูกแทนที่ด้วยของเหลวที่มีความร้อนน้อยกว่าอีกครั้ง ดังนั้นการเคลื่อนไหวดังกล่าวจึงทำให้น้ำทั้งหมดอุ่นขึ้นอย่างสม่ำเสมอ สิ่งนี้สามารถเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นหากคุณใส่โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตสองสามคริสตัลที่ด้านล่างของภาชนะซึ่งจะทำให้น้ำมีสี สีม่วง. ในการทดลองดังกล่าว เราสามารถสังเกตการถ่ายเทความร้อนแบบอื่นได้ - การพาความร้อน(คำภาษาละติน "การหมุนเวียน"- โอนย้าย).

ควรสังเกตว่าในระหว่างกระบวนการพาความร้อนพลังงานจะถูกเคลื่อนย้ายโดยไอพ่นของก๊าซหรือของเหลวเอง ตัวอย่างเช่นในห้องที่มีความร้อนเนื่องจากปรากฏการณ์การพาความร้อนการไหลของอากาศร้อนขึ้นสู่เพดานและอากาศเย็นตกลงสู่พื้น ดังนั้นอากาศที่ด้านบนจึงอุ่นกว่าใกล้พื้นมาก

การพาความร้อนมีสองประเภท: เป็นธรรมชาติ(หรือเรียกอีกอย่างว่าฟรี) และ ถูกบังคับตัวอย่างของของเหลวที่ให้ความร้อนและอากาศในห้องคือตัวอย่างการพาความร้อนตามธรรมชาติ เราสามารถสังเกตการพาความร้อนแบบบังคับได้เมื่อเรากวนของเหลวด้วยช้อน คนกวน หรือปั๊ม

สารเช่นของเหลวและก๊าซจะต้องได้รับความร้อนจากด้านล่าง หากคุณทำตรงกันข้าม - ให้ความร้อนจากด้านบนจะไม่มีการพาความร้อน ชั้นที่อบอุ่นไม่สามารถจมลงใต้ชั้นที่เย็น หนาแน่นและหนักกว่าได้ ดังนั้นเพื่อให้กระบวนการพาความร้อนดำเนินต่อไป จำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ก๊าซและของเหลวจากด้านล่าง

ที่ ของแข็งการพาความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นได้ เรารู้อยู่แล้วว่าในของแข็ง อนุภาคจะสั่นรอบจุดหนึ่งเพราะ ถูกยึดไว้ด้วยแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน ดังนั้นเมื่อของแข็งถูกทำให้ร้อน สารไม่สามารถก่อตัวขึ้นได้ ในของแข็ง พลังงานสามารถถ่ายเทได้โดยการนำ

การพาความร้อนแพร่หลายในธรรมชาติ: ในชั้นล่าง ชั้นบรรยากาศของโลก, ทะเล, มหาสมุทร, ในลำไส้ของโลกของเรา, บนดวงอาทิตย์ (ในชั้นลึกถึง ~ 20-30% ของรัศมีของดวงอาทิตย์จากพื้นผิวของมัน) ด้วยความช่วยเหลือของปรากฏการณ์การพาความร้อน ก๊าซและของเหลวจะถูกทำให้ร้อนในอุปกรณ์ทางเทคนิคต่างๆ

ตัวอย่างง่ายๆ ของการพาความร้อนยังสามารถทำให้อาหารเย็นลงในตู้เย็นได้อีกด้วย ก๊าซฟรีออนที่หมุนเวียนผ่านท่อของตู้เย็นทำให้ชั้นอากาศเย็นลง ที่ด้านบนของตู้เย็น อากาศเย็นลงทำให้ผลิตภัณฑ์ทั้งหมดเย็นลงแล้วขึ้นอีกครั้ง เมื่อเราจัดวางอาหารในตู้เย็น อย่าขัดขวางการหมุนเวียนของอากาศในตู้เย็น ตะแกรงที่อยู่ด้านหลังตู้เย็นทำหน้าที่กำจัดอากาศอุ่นซึ่งเกิดขึ้นในคอมเพรสเซอร์ระหว่างการอัดแก๊ส กลไกการระบายความร้อนของตะแกรงยังเป็นการหมุนเวียน ดังนั้นคุณควรเว้นที่ว่างไว้ด้านหลังตู้เย็นเพื่อให้สามารถหมุนเวียนได้โดยไม่ยาก

คุณมีคำถามใด ๆ หรือไม่? ไม่ทราบวิธีการทำการบ้านของคุณ?
เพื่อรับความช่วยเหลือจากติวเตอร์ -.
บทเรียนแรก ฟรี!

blog.site ที่คัดลอกเนื้อหาทั้งหมดหรือบางส่วน จำเป็นต้องมีลิงก์ไปยังแหล่งที่มา