Дәріс 9. Жылу теориясын негізі

Дәріс 9. Жылу теориясын негізі

1. 
   Жылу процестері
   
2. 
   Жылу өткізгіштік. Фурье заңы
   
3. 
   Жылуөткізгіштік коэффициентінің физикалық мәні
   
4. 
   Конвекция. Ньютон заңы
   
5. 
   Жылу беру коэффициенті
   

Әртүрлі температудағы денелерде жылу энергиясының бірінен екіншісіне өтуі жылу алмасы процессі деп аталады. Жылу алмасы процесстерінің қозғаушы күші - ыстық және суық денелердің температуларының айырмасы болып табылады. Бұл қозғаушы күштің әсерінен термодинамиканың екінші заңына байланысты жылу ыстық денеден суық денеге өздігінен өтеді. Денелер арсындағы жылу алмасу еркін электрондар , атомдар және молекулалардың өзара энергия алмасуы арқасында болады. Жылу алмасуда қатынасатын денелерді жылу тасымалдағыштар деп атайды.

Жылу өту – жылу тарату процесстері жөніндегі ғылым. Жылу процесстеріне төмендегілер жатады: ысыту, суыту, конденсациялау және буландыру. Көптеген масса алмасу (Мысалы, айдау, суыту, кептіру т.б) және химиялық процесстердің өтуінде бұл процесстердің маңызы үлкен.

Жылу таратудың негізгі үш түрлі тәсілі бар: жылу өткізгіштік, жылулы сәуле шығару конвекция.

Жылу өткізгіштік. Бір-біріне тиісіп тұратын өте кіші бөлшектердің тәртіпсіз қозғалысының нәтижесінде жылу өту процессі - жылу өткізгіштік деп аталады. Бұл қозғалыс газдар және тамшымалы сұйықтарда молекулалардың қозғалысы қатты денелерде кристалдық тордағы атомдардың тербелісі немеесе металдардағы еркін электрондар диффузиясы болуы мүмкі. Қатты денелердің жылу таратуының негізгі түрі жылу өткізгіштік болып табылады.

Конвекция. Газ немесе сұйықтардың макро көлемдерінің қозғалысы және олардың араластыру нәтижесінде жылудың таралуы – конвекция деп аталады. Конвекция екі түрлі болады: 1.еркін немесе табиғи 2. Еріксіз.

Газ немесе сұйық көлемінің әртүрлі нүктелеріндегі температуралар аыйрмашылығы салдарынан осы нүктелердегі тығыздықтар айырмасының нәтижесінде болатын жылу алмасуды еркін немесе табиғи конвекция деп атайды. Газ немесе сұйық көлемінің әртүрлі еріксіз қозғалысы (мысалы, насосо, компрессор жәрдемімен немесе араластырғышпен араластырғанда) салдарынан жылу алмасуды еріксіз конвекция деп атайды.

Жылулы сәуле шығару. Жылу энергиясының электромагнитті толқындар жәрдемімен таралуы – жылулы сәуле шығару деп аталады. Бұл кезде жылу энергиясы кеңістікпен өтіп сосын сәулелі энергияға басқа денемен сіңіріліп қайтадан жылу энергиясына айналады. Іс жүзінде жылу алмасу бөлек алынған 1 ғана тәсілмен емес, бірнеше тәсілдермен өтеді. Мысалы,қатты қабырға мен газ арасындағы жылу алмасу конвекция, жылуөткізгіштік және жылулы сәуле шығарутәсілдерімен өтеді.жылудың қатты қабырғадан оны ағыстап өтетін газға (сұйыққа) немесе кері кері бағытта алмасуын – жылу беру деп атайды.

Ыстық газдан (сұйықтан) суық газға (сұйыққа) оларды бөліп тұрған қатты қабырға немесе бет арқылы жылу өту күрделілеу болады. Бұл процесті жылу өту деп атайды. Үздіксіз әрекетті аппараттарда әртүрлі нүктелердегі температура уақыт бойынша өзгермейді, мұндай аппараттардағы процес қалыптасқан (стационарлы) болады. Мерзімді әрекетті аппараттарда температура уақыт бойынша өзгереді. (Мысалы, ысытқанда немесе суытқанда), яғни жылу алмасу процесі қалыптаспаған (стационарлы емес)болады.

Жылу өткізгіштік. Фурье заңы

Фурье заңы жылу өткізгіштіктің негізгі заңы болып табылады.Бұл заң бойынша : жылу ағынына перпендикуляр df бет арқылы d уақытта өтетін жылу мөлшері dQ, температураның градиентке ( dt\dn ), бетке (df) және уақытқа dтура пропорционал:

dQ=- dt df d (1)

dn

[] = [dQdn / dtdfd] = [Дж м / км²с] [Вт/мк]

Cонымен,  - ның физикалық мәні температулар айырмасы 1к болған 1м жылу алмасу бетінен 1с уақыт ішінде қабырға қалыңдығының бірлігінен (1м) жылу өткізгіштік арқылы жылу мөлшерін көрсетеді, яғни дененің жылу өткізгіштік қабілетін сипаттайды.

 - ның мәні заттың табиғатына , структурасына, ылғалдылығына, температурасына т.б факторларға байланысты болады.

Газдардың жылу өткізгіштік коэффициенті 0.00620.165 Вт/мк аралығында болады.температура көбейгенде  көбейеді.  тек жоғарғы (2000 атм.) және өте төменгі (0.03 атм.) қысымдарда өзгереді.

Газдардың жылу өткізгіштік коэффициентін төмендегі формуламен есептеуге болады:

 = Всvм (3)
мұндағы, м – газдың динамикалық тұтқырлығы, Па.с;

Сv – газдың тұрақты көлемдегі меншікті жылу сыйымдылығы Дж/кг к;

В – коэффициент, бір атомды газдар үшін В= 2.5; екі атомды газдар үшін В= 1.9; үщ атомды газдар үшін В=1.72

Сұйықтардың жылу өткізгіштік коэффициенті 0.1 0.7 Вт/мк аралығында болып температура көбейген сайын азаяды. Сұйықтар үшін ны төмендегі формуламен есептеуге болады:

p – сұйықтың тығыздығы;

м – сұйықтың мольдік массасы;

а – коэффциенті.

Сұйықтардың басқа температуралары үшін төмендегі формуламен есептеледі:

t = 30 [1-e (t-30)] (5)

Заттардың судағы ерітінділерінің жылу өткізгіштіктерінің коэффициенті төменденгі формуламен есептелінеді:

Жылу өткізгіштік () материалдардың кезектілігіне және ылғалдылығына байланысты . Ылғал материалдар үшін  құрғақ материалдарға қарағанда көп кезектілік  ны азайтады, себебі кезек арасындағы ауаның - сы аз. Ылғал материалдар үшін  құрғақ материалдарға қарағанда көп кезектілік  ны азайтады, себебі кезек арасындағы ауаның - сы аз.

Сұйықтың барлық массасының қозғалысы қаншалықты қарқынды араласса, конвекция арқылы жылу алмасу соншалықты қарқынды өтеді. Сонымен, конвекция сұйық қозғалысының гидродинамикалықшартына көп байланысты болады.Ағынның ядросына жылу алмасуы жылу өткізгіштік және конвекция мен өткізіледі. Жылудың мұндай бірлесіп алмасуын конвекциялы жылу алмасу деп атайды. Ортаның турбулентті қозғалысында ағын ядросындағы жылу алмасуы механизмі турбуленттік толқысулық салдарынан болатын араласудың қарқындылығымен сипатталады. Турбулентті толқысулық ядродағы температулардың мәнінің кейбір орташа t – ге дейін теңесуін қамтамасыз етеді. Сондықтан ядродағы жылу алмасу ең алдымен тасымалдағыштың қозғалыс сипатымен анықталады. Қабырғаға жақындаған сайын жылу берудің қарқындылығы төмендейді. Қабырға жанында қалыңдығы  - ға тең жылулы шекаралық қабат т.б. Бұл қабат гидродинамикалық шекаралық қабатқа ұқсас болады, бірақ олардың қалыңдығы әртүрлі.

Конвекция жылу алмасу механизмнің өте күрделілігіне байланысты жылу берудіесептеқиын.Қабырғадансұйыққа ( немесе сұйықтан қабырғаға) берілген жылу шамасын дәл есептеу үшін қабырға жанындағы температуралық градиентті және бет бойынша жылу тасымалдағыштың температуралық өзгеруін білу керек. Бұларды анықтау өте қиын. Сондықтан жылу берудің есептеуін жеңілдету үшін оның негізіне Ньютонның суыту заңын пайдаланады. Бұл заң бойынша: жылу алмасу бетінен сұйыққа (немесе керісінше сұйықтан қатты дене бетіне) берілген жылу мөлшері (dQ) қабырға бетіне (df) қабырға мен сұйықтың температураларының айырмасына (tқ-tс) және уақытқа (d) тура пропорционал:
DQ=df(tқ-tс)d (7)
Немесе үздіксіз әрекетті процесте аппараттың барлық беті (f) үшін былай жазуға болады:
Q =f (tқ-tс) (8)
Немесе,

Q= (tқ-tс)/1/f=(tқ-tс)/R (9)

Оның өлщемі:

[]=[Q/f(tқ-tс)]=[Вт/м²к] (10)
сонымен жылу беру коэффициенті -ның физикалық мәні; қабырғаның 1м бетінен сұйыққа 1с уақыт ішінде қабырға мен сұйықтың температураларының айырмасы 1 к болғанда берілген жылу мөлщерін көрсетеді.

1/f=R - жылу берудің термиялық кедергі деп аталады.

1. 
   Жылу алмасу процесі дегеніміз не?
   
2. 
   Жылу алмасу процесінің негізгі қозғаушы күшін қалай табады?
   
3. 
   Жылу таратудың негізгі тәсілдерін атаңыз
   
4. 
   Жылуөткізгіштік деп нені айтады
   
5. 
   Фурье заңының формуласын жазыңыз
   
6. 
   Жылуөткізгіштік коэффициенті нені сипаттайды?
   
7. 
   Ньютон формуласын жазыңыз