Теплообмен занимает область, которая включает в себя широкий спектр функций, от простых процессов нагрева и охлаждения объектов до передовых термодинамических концепций в теплофизике. Чтобы понять, как напиток охлаждается летом или как тепло передается от Солнца к Земле, вы должны усвоить эти основные принципы теплопередачи на фундаментальном уровне.
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики гласит, что тепло передается от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Атомы с более высокой энергией (и, следовательно, с более высокой температурой) движутся к атомам с более низкой энергией (более низкая температура), чтобы поддерживать равновесие (известное как тепловое равновесие). Теплопередача происходит, чтобы поддерживать этот принцип, когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта или его окружения.
Теплопередача за счет теплопроводности
Когда частицы вещества находятся в прямом контакте, тепло передается за счет теплопроводности. Соседние атомы с более высокой энергией колеблются друг относительно друга, что передает более высокую энергию более низкой энергии или более высокую температуру к более низкой температуре. То есть атомы с более высокой интенсивностью и более высокой температурой будут вибрировать, тем самым перемещая электроны в области с меньшей интенсивностью и меньшей теплотой. Жидкости и газы обладают меньшей проводимостью, чем твердые тела (металлы являются лучшими проводниками) из-за того, что они менее плотные, что означает большее расстояние между атомами.
Конвекционная теплопередача
Конвекция описывает теплопередачу между поверхностью и движущейся жидкостью или газом. Поскольку жидкость или газ движутся быстрее, конвективная теплопередача увеличивается. Два типа конвекции: естественная конвекция и принудительная конвекция. При естественной конвекции движение жидкости происходит из-за горячих атомов в жидкости, где горячие атомы движутся вверх к более холодным атомам в воздухе - жидкость движется под действием силы тяжести. Примеры этого включают поднимающиеся облака сигаретного дыма или тепло от капота автомобиля, поднимающегося вверх. При принудительной конвекции жидкость перемещается по поверхности вентилятором, насосом или каким-либо другим внешним источником.
Теплообмен и излучение
Радиация (не путать с тепловым излучением) относится к передаче тепла через пустое пространство. Эта форма теплопередачи происходит без промежуточной среды; излучение действует даже в идеальном вакууме и через него. Например, энергия Солнца проходит через космический вакуум до того, как передача тепла согреет Землю.
Теплопередача является неотъемлемой частью обучения по соответствующим предметам, например, по программе химии или машиностроения. Производство и HVAC (отопление, вентиляция и охлаждение воздуха) являются примерами отраслей, которые в значительной степени полагаются на термодинамику и принципы теплопередачи. Тепловедение и теплофизика - это высшие области образования, связанные с теплопередачей.