Уравнение теплопроводности фурье уравнение теплоотдачи

Закон Фурье – основной закон теплопроводности.

В 1807 году французский ученый Фурье доказал экспериментально, что во всякой точке тела (вещества) в процессе теплопроводности присуща однозначная взаимосвязь между тепловым потоком и градиентом температуры:

где Q – тепловой поток, выражается в Вт;

grad(T) – градиент температурного поля (совокупности числовых значений температуры в разнообразных местах системы в выбранный момент времени), единицы измерения К/м;

S – площадь поверхности теплообмена, м 2 ;

Градиент температуры получится характеризовать в виде векторной суммы составляющих по осям декартовых координат:

где i, j, k – ортогональные между собой единичные векторы, нацеленные по координатным осям.

Значит, данный закон устанавливает величину теплового потока при переносе тепла посредством теплопроводности.

Закон Фурье для поверхностной плотности теплового потока принимает вид:

Знак « минус» обозначает, что векторы теплового потока и градиента температуры разнонаправленные. Следует понимать, что теплота передается в направлении спада температуры.

И все же не лишним будет указать, что закон Фурье не принимает в расчет инерционность процесса теплопроводности, иначе говоря, в представленной модели колебание температуры в любой точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье некорректно применять для характеристики высокочастотных процессов таких как, к примеру, распространение ультразвука, ударной волны.

Основы теории теплообмена

Теория теплообмена, основные понятия и определения. Теплопроводность. Предмет и методы теории теплообмена. Основные виды переноса теплоты. Понятия теплоотдачи и теплопередачи. Температурное поле, температурный градиент. Закон Фурье. Расчетные формулы стационарной теплопроводности для плоской и цилиндрической стенок при граничных условиях 1 и 3 рода (теплопередача).

Основы теории теплообмена

Теплопередача — это процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку. Теплопередача связана с весьма сложными процессами и при ее изучении необходимо знать законы теории теплообмена и методы анализа, применяемые в физике, термодинамике, гидродинамике и химии.

Сложный процесс переноса теплоты разбивают на ряд более простых. Такой прием упрощает его изучение. Кроме того, каждый простой процесс переноса теплоты подчиняется своим законам. Существует три простейших способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение.

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микрочастицами (молекулами, атомами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

Конвективный теплоперенос (конвекция) наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвекция — это перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества. Следует иметь в виду, что одновременно с конвекцией всегда существует и теплопроводность. Однако конвекция обычно является определяющей, т. к. она интенсивнее теплопроводности.

Конвекцией можно передавать теплоту на очень большие расстояния (например, при движении газа по трубам). Движущаяся среда (жидкость или газ), используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем.

Третьим способом переноса теплоты является излучение. За счет излучения теплота передается во всех лучепрозрачных средах, в том числе и в вакууме. Носителями энергии при теплообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

В большинстве случаев перенос тепла осуществляется несколькими способами одновременно. Например, конвективная теплопередача от газа к стенке практически всегда сопровождается параллельным переносом теплоты излучением.

Основные понятия и определения

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока. Плотность теплового потока — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную плотность поверхности, q [Вт/м2].

Мощность теплового потока или просто тепловой поток — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, [Вт].

поверхность теплообмена F — это поверхность, через которую происходит передача тепла. Например, при остывании теплоносителя в трубе диаметром d и длиной l, тепло передается от горячего теплоносителя к окружающей среде через цилиндрическую поверхность трубы. В этом случае .

Перенос теплоты зависит от распределения температуры по объему тела или пространства. Температурным полем называется совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела или системы тел в данный момент времени. Математическое описание температурного поля имеет вид:

где t — температура;

x, y,z — пространственные координаты;

— время.

Температурное поле, описываемое приведенным уравнением, называется нестационарным. В этом случае температуры зависят от времени.

В том случае, когда распределение температуры в теле не изменяется со временем, температурное поле называется стационарным

если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называется соответственно одно— и двухмерным:

Температурные поля (1.2) и (1.3) называются трехмерными.

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Изотермические поверхности могут быть замкнутыми, но не могут пересекаться. Быстрее всего температура изменяется при движении в направлении, перпендикулярном изотермической поверхности. Скорость изменения температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Градиент температуры

(grad t) — есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной пот температуры по этому направлению:

Рисунок 1 — Расположение градиента температуры и вектора теплового потока относительно изотермы t2=Const температурного поля

где — единичный вектор, направленный в сторону возрастания температур нормально к изотермической поверхности.

Теория теплопроводности рассматривает тело как непрерывную среду. Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье — вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры:

где — коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К). Он характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту.

Знак «-» указывает на противоположное направление вектора теплового потока и вектора градиента температуры. Вектор плотности теплового потока q всегда направлен в сторону наибольшего уменьшения температуры.

скалярная величина вектора плотности теплового потока:

Из формулы следует, что коэффициент теплопроводности определяет плотность теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит от химической природы вещества и его физического состояния (плотности, влажности, давления, температуры). Диапазоны изменения для различных материалов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 — Теплопроводность при стационарном режиме

Однослойная плоская стенка

Рассмотрим однородную плоскую стенку толщиной d, на поверхностях которой поддерживаются температуры tс1 и tс2, причем tс1>tс2 (рис.3). температура изменяется только по толщине стенки — по одной координате х, коэффициент теплопроводности . Теплового потока в этом случае, в соответствии с законом Фурье, определяется по формуле:

Рисунок 3 — Изменение температур по толщине однородной плоской стенки

где , причем tс1>tс2;

— внутреннее термическое сопротивление теплопроводности стенки, (м2×К)/Вт.

Распределение температур в плоской однородной стенке — линейное.

В большинстве практических задач приближенно предполагается, что коэффициент теплопроводности не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. значение находят в справочниках при средней температуре .

Тепловой поток (мощность теплового потока) определяется по формуле:

Многослойная плоская стенка

Рассмотрим для тех же условий многослойную плоскую стенку с толщиной слоев d1, d2,…, dn с соответствующими коэффициентами теплопроводности l1, l2,…, ln (рисунок 4). Здесь слои плотно прилегают друг к другу.

В этом случае плотность теплового потока определяется по формуле:

Рисунок 4 — Распределение температур по толщине многослойной плоской стенки

где n — число слоев многослойной стенки;

tc1 и tc(n+1) — температуры на внешних границах многослойной стенки;

— полное термическое сопротивление многослойной плоской стенки.

Плотность теплового потока, проходящего через все слои, в стационарном режиме одинакова. А так как коэффициент теплопроводности l различен, то для плоской многослойной стенки распределение температур — ломаная линия.

Рассчитав тепловой поток через многослойную стенку, можно найти температуру на границе любого слоя. Для к-го слоя можно записать:

Однородная цилиндрическая стенка

Задача о распространении тепла в цилиндрической стенке также одномерная, если ее рассматривать в цилиндрических координатах. температура изменяется только вдоль радиуса r, а по длине и по ее периметру остается неизменной.

В соответствии с законом Фурье, тепловой поток через однородную цилиндрическую стенку длиной l определяется по формуле:

Тепловой поток Q через цилиндрическую стенку можно отнести к единице длины l:

где ql — линейная плотность теплового потока, Вт/м;

— линейное термическое сопротивление теплопроводности трубы.

Рисунок 5 — Изменение температуры по толщине однородной цилиндрической стенки

При значениях d2/d1 близких к единице расчеты Rl должны производиться с высокой точностью, т. к. при округлении d2/d до одного знака после запятой погрешность вычисления логарифма будет больше 10%. С точностью до 4% при d2/d1

Закон Фурье | Все это важно с 6 часто задаваемыми вопросами

Content

Закон теплопроводности Фурье

Закон Фурье теплопроводности может иметь следующий вид:

«Скорость теплопередачи от материала или образца прямо пропорциональна площади поперечного сечения (перпендикулярной площади), через которую проходит тепло, и разности температур вдоль торцевых поверхностей материала».

Мы можем записать это утверждение математически как,

q = скорость теплопередачи в ваттах (Вт или Дж / с)

K = теплопроводность материала или образца (Вт / м · K)

A = Площадь поперечного сечения, через которую проходит тепло, в м 2

dT = разница температур между горячей и холодной сторонами в K (Кельвинах)

dx = Толщина материала в м (толщина между горячей и холодной стороной)

Самое важное: здесь в уравнении отрицательный знак означает, что тепло всегда течет в направлении уменьшения температуры.

Уравнение закона Фурье

Уравнение закона теплопроводности получено выше. Он широко используется для решения задач теплопроводности и анализа. Суть уравнения остается прежней, но параметры меняются в зависимости от формы и положения объекта.

Сферические координаты закона Фурье

Закон теплопроводности, примененный к цилиндру и уравнению, приведен ниже:

Здесь, в любом месте

r — радиус рассматриваемого цилиндрического участка,

Цилиндрические координаты закона Фурье

Закон теплопроводности, применяемый к цилиндру и уравнению, приведен ниже:

в любом месте площадь A = 2πrL,

r — радиус рассматриваемого цилиндрического участка,

Эксперимент с законом Фурье

Обычно у металлов есть свободная подвижность электронов внутри объекта. Это причина его хорошей проводимости.

Рассмотрим двухблочный A и B,

Блок А очень горячий

Блок Б холодный

Предположим, мы соединяем эти два блока и изолируем все остальные внешние поверхности. Изоляция предназначена для уменьшения потерь тепла от блока. Вы можете быстро понять, что тепловая энергия будет перетекать от горячего блока к холодному. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока оба блока не достигнут одинаковой температуры (температурного равновесия).

Это один из способов передачи тепла в обоих блоках. Это кондуктивный режим теплопередачи. Используя уравнение закона теплопроводности, мы можем рассчитать теплопередачу с помощью этого эксперимента. Выполнение в лаборатории теплопередачи (машиностроение и химическая инженерия) очень информативно и важно с практической точки зрения.

История закона Фурье

Фурье начал свою работу по выражению теплопроводности в 1822 году. Он также дал понятие ряда Фурье и интеграла Фурье. Он был математиком. Его закон теплопроводности хорошо известен благодаря его имени «закон теплопроводности Фурье».

Единицы закона Фурье

Для теплопередачи сформулирован закон Фурье теплопроводности. Итак, мы можем рассматривать для него единицу теплоотдачи. Единицей теплоотдачи является ватт (Дж / с) Вт.

Допущения закона Фурье

Есть некоторые предположения о законе теплопроводности Фурье. Закон применяется только при соблюдении и соблюдении следующих условий.

Кондуктивная теплопередача будет происходить в стационарных условиях объекта.
Поток тепла должен быть однонаправленным.
Температурный градиент должен быть постоянным на протяжении всего процесса, а температурный профиль должен быть линейным.
Внутреннее тепловыделение должно быть нулевым.
Ограничивающие поверхности должны быть должным образом изолированы.
Материал должен быть однородным и изотропным.

Пример закона теплопроводности Фурье

Есть много примеров закона теплопроводности в повседневной жизни. Некоторые примеры обсуждаются ниже.

В кружке горячий кофе. Теперь вы знаете, что тепло будет передаваться с горячей стороны на холодную. Здесь передача тепла происходит от внутренней стенки к внешней стенке кружки. Это кондуктивный перенос тепла, основанный на законе теплопроводности Фурье.

В качестве примера можно рассмотреть стену нашего дома.

Если в стержне происходит внутреннее тепловыделение, тепло будет течь во внутренней части к внешним поверхностям.

Можно потрогать любое электрическое и электронное оборудование. Вы получите немного тепла. Все эти устройства могут быть примером закона Фурье.

Число Фурье

Это безразмерное число, полученное с помощью безразмерного уравнения теплопроводности..

Число Фурье обозначается F_o

L — длина пластины (диаметр в случае цилиндра) в м.

K — коэффициент градиентного переноса

Поток закона Фурье

Согласно информации закон теплопроводности,

Тепловой поток можно определить как тепловой поток на единицу площади в единицу времени прямо пропорционален разнице температур между горячей и холодной стороной (температурный градиент).

Тепловой поток

Уравнение теплового потока

Уравнение теплового потока приведено ниже.,

q- тепловой поток в Вт / м 2

K — теплопроводность, Вт / м · K

ΔT / ΔX — температурный градиент,

Агрегаты теплового потока

Единица теплового потока — Вт / м 2

Часто задаваемые вопросы

Что такое закон Фурье

«Скорость теплопередачи через материал или образец прямо пропорциональна площади поперечного сечения, через которую проходит тепло, и разности температур вдоль торцевых поверхностей материала».

Мы можем записать это утверждение математически как,

q = скорость теплопередачи в ваттах (Вт или Дж / с)

K = теплопроводность материала или образца (Вт / м · K)

A = Площадь поперечного сечения, через которую проходит тепло, в м 2

dT = разница температур между горячей и холодной сторонами в K (Кельвинах)

dx = Толщина материала в м (толщина между горячей и холодной стороной)

Каковы предположения закона теплопроводности Фурье?

Есть некоторые предположения о законе теплопроводности Фурье. Закон применяется только при соблюдении и соблюдении следующих условий. Закон теплопроводности Фурье можно сравнить с законом охлаждения Ньютона и законом диффузии Фика. Допущения в каждом законе разные.

Кондуктивная теплопередача будет происходить в стационарных условиях объекта.
Поток тепла должен быть однонаправленным.

Температурный градиент не изменится, а температурный профиль должен быть линейным.
Внутреннее тепловыделение должно быть нулевым.
Ограничивающие поверхности должны быть должным образом изолированы.
Материал должен быть однородным и изотропным.

Что является доказательством закона теплопроводности Фурье и отрицательного градиента?

Доказательство закона теплопроводности Фурье уже дано в теме «Закон Фурье».

Отрицательный градиент используется, потому что тепло всегда течет при понижении температуры.

Этот вопрос очень важен для собеседования, потому что интервьюер всегда старается проверить ваши фундаментальные знания.

Чем закон теплопроводности Фурье противоречит теории относительности?

Закон Фурье противоречит теории относительности из-за его мгновенного распространения тепла через диффузию тепла. Если мы рассмотрим зависящую от времени диффузию тепла с помощью уравнения в частных производных, то рост теплового потока будет со временем релаксации. На этот раз порядка 10 -11 . Распространение тепла в природе занимает бесконечное время. Время релаксации незначительно.

Если исключить время релаксации, уравнение станет законом теплопроводности Фурье. Это нарушает популярную теорию Эйнштейна (теория относительности). Скорость света в вакууме составляет 2.998 * 10. 8

Чем физика, лежащая в основе закона Фурье, отличается от физики, лежащей в основе закона охлаждения Ньютона

Как мы уже знаем, закон Фурье используется для теплопроводности, а закон охлаждения Ньютона — для конвективной теплопередачи. Предположим, у вас есть вопрос, почему для анализа скорости теплопередачи требуются два разных закона. Причина в том, что режимы теплопередачи отличаются от индивидуальной физики.

Перенос тепла проводимостью происходит за счет микроскопической диффузии и столкновений молекул или квазичастиц внутри объекта из-за разницы температур. Если мы видим микроскопически, то диффузный и сталкивающийся любой материал включает в себя молекулы, электроны, атомы. Они передают друг другу кинетическую и потенциальную энергию микроскопически. Эта энергия известна как внутренняя энергия объекта. Закон гласит, что теплопроводность является законом Фурье.

Конвекционную теплопередачу в любом объекте можно определить как теплопередачу от одной молекулы к другой за счет перемещения жидкостей или потока жидкости. Закон охлаждения Ньютона определяет конвекционную теплопередачу.

Физика, используемая для отдельного процесса, различна. Следовательно, регулирующий закон для человека отличается.

В чем сходство между законом вязкости Ньютона, законом теплопроводности Фурье и законом диффузии Фика?

Это аналогия между этими уравнениями.

Закон Фурье теплопроводности

В нем описан процесс теплопроводности. Уравнение можно записать следующим образом:

Уравнение теплового потока приведено ниже.,

q- тепловой поток в Вт / м 2

K — теплопроводность, Вт / м · K

ΔT / ΔX — температурный градиент,

Закон диффузии Фика

Он используется для описания и определения процесса массопереноса. Уравнение массопереноса можно записать следующим образом:

(dC / dx) — градиент концентрации

D — коэффициент диффузии транспортных свойств

Закон вязкости Ньютона

Он используется для передачи импульса и широко используется для изучения вязкости любой жидкости.

Здесь (du / dx) — градиент скорости

μ — вязкость жидкости

Таким образом, вы можете сразу проанализировать три разных закона относительности этих уравнений.

Чтобы прочитать больше статей по соответствующей теме, пожалуйста нажмите сюда

Последнее сообщение о машиностроении

источники:

http://pandia.ru/text/78/082/79823.php

http://ru.lambdageeks.com/fouriers-law-its-all-important/