Передача тепла теплопроводностью

Теплопроводностью (кондукцией) называют процесс передачи тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела (атомы, молекулы, электроны) с более высокой температурой имеют большую кинетическую энергию и при соприкосновении с частицами с меньшей температурой отдают свою энергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого переноса массы вещества не происходит. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твердых телах.

Процесс распространения теплового потока J при теплопроводности описывается законом Фурье:

, (1.7.1)

где λ_Т – коэффициент теплопроводности материала; gradT - температурный градиент вдоль потока.

В случае, когда температурное поле изменяется в одном направлении и теплофизические характеристики вещества постоянны во всех точках, уравнение (1.7.1) для тела (рис.1.7.1), имеющего постоянное поперечное сечение, можно записать в следующем виде:

(1.7.2)

где Р_Т – мощность, передаваемая телом, Вт; S – площадь поперечного сечения тела, м²; Т₁, Т₂ – постоянные во времени температуры нагреваемого и охлаждаемого поперечных сечений тела, К; l – длина теплового пути, м.

Рис.1.7.1. Передача тепловой энергии в изотропном твердом теле

Значение коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных конструкционных материалов приведены в табл.1.7.1.

Таблица 1.7.1

Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов

Отношение l/( λ_ТS) называют термическим или тепловым сопротивлением и обозначают

R_Т = l/( λ_ТS). (1.7.3)

Теперь формула (1.7.2) может быть записана так:

Р_Т = ΔТ/ R_Т. (1.7.4)

Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для электрической цепи. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяемыми в электротехнике формулами для параллельного и последовательного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру.