Свойства конвекция: суть и формулы физических процессов

Содержание

суть и формулы физических процессов

 

Теплопроводность — переход энергии дельта Q  от более нагретых T1 частей тела к менее нагретым T2.

Закон теплопроводности: теплота дельта Q, переносимая через элемент площади дельта S за время  дельта t, пропорциональна градиенту температуры  dT/dx, площади дельта S и времени  дельта t     

Дельта Q = -X * (dT/dx) * дельта S * дельта t

X — коэффициент теплопроводности.

Суть теплопроводности

Теплопроводность происходит из-за  движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности приводит к тому , чтобы температура всего тела была одинакова.

Как правило энергия, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному градиенту температуры. Такой коэффициент  пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.

Теплопроводность это свойство тел передавать тепло, основанное на теплообмене которое происходит между атомами и молекулами тела.

При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. У жидкостей теплопроводность небольшая, исключение состовляет ртуть и расплавленные металлы.

Все это из-за того что молекулы расположены далеко друг от друга в отличии от твердых тел. У газов теплопроводность еще меньше т.к. его молекулы находятся на еще большем расстоянии, чем у жидкостей.

Плохой теплопроводностью обладает шерсть, волосы, бумага. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ воздух. Теплопроводность у разных веществ различна

Дома строят из кирпича и бревен, потому что они обладают плохой теплопроводностью и могут сохранить прохладу или тепло в помещении. Для сковородок делают пластмассовые ручки для того, чтобы люди не обжигались, потому что они обладают плохой теплопроводностью.

Суть конвекции

Конвекция — еще один вид теплопередачи, при которой энергия переноситься самими струями жидкостей и газа. 

Пример: в отапливаемой комнате из за конвенции теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз.

Тепловой поток Q — колличество теплоты W, ДЖ проходящие за время Т,С через данную поверхность в направлении нормали к ней

Q = W/t

Если колличество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени Т то получим величину:

 q= W/Ft = Q/F

Плотность теплового потока измеряется в Вт/м2

Существует два вида конвекции — естественная и вынужденная.

К естественной конвекции относится нагревание помещения, нагревание тела во время жары (естественным путем).

К вынужденной конвекции относится мешание чая ложкой, использование вентилятора, что бы охладить помещение (неестественным путем)

Конвекция не происходит если нагревать жидкости сверху (правильно снизу), потому что нагретые слои не могут опуститься ниже холодных т.к. они более тяжелее. 

Конвекция в твердых телах происходить не может, потому что частицы в твердых телах колеблются возле определенной точки и удерживаются сильным взаимным притяжением. Энергия в твердых телах может передаваться теплопроводностью.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Способы изменения внутренней энергии
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspИзлучение: сущность, опыт, энергия

что это такое, особенности и примеры в быту. Жми!

Конвекция, если переводить дословно с латинского языка, означает теплообмен, в котором холодный воздух, поступая в устройство, проходит через систему нагревательных элементов и выходит горячим потоком.

На фото изображен обогреватель – конвектор в жилом помещении, который имеет встроенные спирали, без принудительной вентиляции. В данном оборудовании соблюдаются физические свойства воздуха – холодный остается внизу, а теплый поднимается.

Естественная конвекция существует и в других бытовых приборах: холодильнике, морозильнике, кипящей кастрюле с жидкостью и так далее.

Это интересно: в природе очень часто наблюдается естественная конвекция, например, как движение мантии Земли.

Это возникает самопроизвольно, когда нижние слои вещества нагреваются и высвобождаются, а верхние, в свою очередь, остывают и опускаются вниз. Ветры, муссоны и бризы, так же относятся к конвекции. Происходит естественное охлаждение воздуха (повышается влажность), и он начинает циркулировать.

Принудительная конвекция широко применяется в производстве устройств, имеющих насосы и вентиляторы. К таким приборам можно отнести: электрические отопительные радиаторы в квартирах, бытовую технику, запчасти для машин и многое другое.

Интересный факт: если посмотреть на аббревиатуру с точки зрения физики, то конвекцией можно назвать любое перемещение теплых масс или электрических зарядов.

Не имеет значение, под какой силой происходит процесс – главное, чтобы одно состояние объекта свободно перетекало в другое.

Знаменитый философ, математик и мыслитель Архимед научился объяснять, откуда берется конвекция, и почему при нагреве тела расширяются. Он провел ряд вычислений и исследования, показывающих, что при определенной температуре увеличивается объём вещества — жидкости или газа, а плотность указанных веществ уменьшается.

Смотрите видео, в котором специалист рассказывает об одном из видов теплопередачи — конвекции:

Это интересно! Теплоотражающий экран за радиатором: как установить самостоятельно и преимущества его использования

Вконтакте

Одноклассники

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

Видите неточности, неполную или неверную информацию? Знаете, как сделать статью лучше?

Хотите предложить для публикации фотографии по теме?

Пожалуйста, помогите нам сделать сайт лучше! Оставьте сообщение и свои контакты в комментариях — мы свяжемся с Вами и вместе сделаем публикацию лучше!

Что такое конвекция в духовке, и как она работает

Большинство современных духовок оснащены режимом конвекции. Этот полезный режим способен существенно повысить качество приготовляемых блюд, а также сэкономить время. Но многие не задумываются над тем, что же обозначает этот термин. Поэтому мы решили разобраться подробнее в принципе работы духовки, а также в функции конвекции – для чего она нужна и какой бывает?

Принцип работы духовки: естественная конвекция

Даже самые простые модели работают по принципу конвекции, называющейся естественной: противень подогревается лишь снизу, а в верхней части духовки циркулирует нагретый нижними горелками воздух. Из-за этого в классических духовых шкафах пища зачастую готовится неравномерно. Пирожки, расположенные ближе к задней стенке духовки, подрумяниваются гораздо быстрее, чем те, что у дверцы. Поэтому хозяйки вынуждены открывать шкаф и поворачивать противень для равномерного нагрева, а не каждое блюдо способно приготовиться в условиях таких манипуляций (например, бисквит опадет при преждевременном открывании дверцы).

Более новые модели оснащены и верхним нагревательным элементом, что улучшает процесс естественной конвекции и качество приготовления блюд. Но даже это не дает таких положительных результатов, как встроенный вентилятор, который принимает участие в равномерном разогреве духового шкафа и регулировании потоков горячего и холодного воздуха. Эта принудительная вентиляция и называется режимом конвекции.

Принудительная конвекция: как это работает?

Благодаря вентилятору перемешанный воздух внутри шкафа обеспечивает равномерную температуру по всему объему, вследствие чего блюдо пропекается со всех сторон одинаково. Когда необходимая температура достигнута, система вентиляции автоматически отключается, экономя ресурсы. Электрические духовки с режимом конвекции оснащены многими функциями, позволяющими приготовить самые разнообразные блюда любой сложности, использовать гриль и самостоятельно подбирать или комбинировать режимы в зависимости от рецепта и желаемого результата. Ознакомившись с инструкцией, вы без труда разберетесь с работой и нюансами конвекции.

Особенности конвекции в газовых духовках

Газовые модели с режимом конвекции встречаются реже, чем электрические. Это обусловлено использованием открытого огня в духовках на газу. Во-первых, в них отсутствует герметизация, так как продукты горения должны выводиться наружу, а значит, длительность приготовления пищи увеличивается по сравнению с электрическими моделями. Во-вторых, при работе вентилятор может задуть огонь, но производители таких моделей учитывают это и создают конструкции таким образом, чтобы подача газа автоматически отключалась при погасшем пламени. На эту опцию стоит обратить особое внимание при покупке газовой духовки с принудительной конвекцией.

Духовой шкаф газовый ELECTROLUX EOG92102CX

Зачем использовать конвекцию?

Процесс естественной конвекции происходит медленно и зависит от многих факторов. К примеру, если противень по бокам плотно прилегает к стенкам шкафа и не оставляет зазоров, то горячему воздуху снизу будет крайне сложно добраться до верхней части духовки, что гарантирует подгорание нижней корочки или сыроватость блюда на поверхности. А вот с помощью принудительной конвекции можно добиться следующих результатов:

  • Качественного запекания даже самых толстых кусков мяса и рыбы;
  • Равномерной хрустящей корочки со всех сторон;
  • Высушивания лишнего сока, выделяемого блюдом;
  • Быстрого размораживания продуктов;
  • Экономии электроэнергии или газа;
  • Использования меньшего количества масла при готовке;
  • Возможности использования нескольких противней одновременно;
  • Качественной стерилизации емкостей.

Какие типы конвекции существуют?

Сухая конвекция

Такой тип чаще всего обеспечивается вентилятором простой конструкции, задачей которого является прогонять потоки воздуха по внутренней полости духового шкафа. Некоторые производители устанавливают вокруг вентилятора еще и дополнительный контур нагрева, благодаря чему эффективность режима конвекции увеличивается. Существуют модели с мощным вентилятором, обеспечивающим стремительный поток накаленного воздуха. Такой эффект особенно важен, если вы желаете получить быстро подсохшую корочку, не дающую соку вытекать из блюда.

Духовой шкаф электрический GORENJE BO 635 E11BK-2

Влажная конвекция

Ее еще называют паровой, так как она насыщает паром воздух в духовом шкафу. Ценители здорового образа жизни особенно оценят этот режим конвекции. Пища готовится на пару, сохраняя свои полезные свойства. В таком режиме сложно пережарить или пересушить блюдо. Духовка оснащена специальным отверстием (либо на дверце, либо на задней стенке духовки), куда заливается вода. Когда вы включаете прибор, вода поступает в отсек, именуемый генератором пара, а затем в духовку. Пар может подаваться в разных направлениях – по всему объему духового шкафа, по направлению к емкости с блюдом или на само блюдо. Также вы самостоятельно можете управлять временем подачи парового потока. Этот режим подходит как для приготовления блюд из рыбы, мяса, теста и овощей, так и для таких процессов, как стерилизация банок и детских бутылочек.

Конвекция с грилем

Такой режим подходит для приготовления не только мяса, но и пирогов. Выпечка приобретает желаемый объем вследствие равномерного распределения потока нагретого воздуха. Некоторые модели комбинируют конвекцию с усиленным грилем для приготовления большего количества пищи или придания блюду румянца.

Таким образом, можно сделать вывод, что конвекция – очень полезный помощник на кухне для любой хозяйки. Блюда станут готовиться быстрее и качественнее, а такие процессы, как стерилизация и разморозка продуктов, не займут много времени и сил.

Конвекция.

Движение. Теплота

Конвекция

Но если вода такой плохой проводник тепла, то как же она нагревается в чайнике? Воздух еще хуже проводит тепло; тогда непонятно, почему во всех частях комнаты зимой устанавливается одинаковая температура.

Вода в чайнике быстро закипает из-за земного притяжения. Нижние слои воды, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются кверху, а на их место поступает холодная вода. Быстрый нагрев происходит лишь благодаря конвекции (латинское слово, означающее «перемешивание»). Нагреть воду в чайнике, находящемся в межпланетной ракете, будет не так-то легко.

Еще об одном случае конвекции воды, не называя этого слова, мы говорили несколько раньше, объясняя, почему реки не промерзают до дна.

Почему батареи центрального отопления помещаются у пола, а форточки делаются в верхней части окна? Пожалуй, удобнее было бы открывать форточку, если бы она была внизу, а батареи, чтобы не мешались, было бы неплохо поместить под потолком.

Если бы мы послушались таких советов, то быстро бы обнаружили, что комната не прогревается батареей и не проветривается при открытой форточке.

С воздухом в комнате происходит то же самое, что и с водой в чайнике. Когда батарея центрального отопления включается, воздух в нижних слоях комнаты начинает нагреваться. Он расширяется, становится легче и поднимается кверху, к потолку. На его место приходят более тяжелые слои холодного воздуха. И они, нагревшись, уходят к потолку. Таким образом в комнате возникает непрерывное течение воздуха – теплого снизу вверх и холодного сверху вниз. Открывая форточку зимой, мы впускаем в комнату поток холодного воздуха. Он тяжелее комнатного и идет вниз, вытесняя теплый воздух, который поднимается кверху и уходит в форточку.

Керосиновая лампа хорошо разгорается лишь тогда, когда на нее надето высокое стекло. Не следует думать, что стекло нужно только для защиты пламени от ветра. И в самую тихую погоду яркость света сразу возрастает, как только на лампу надето стекло. Роль стекла состоит в том, что оно усиливает приток воздуха к пламени – создает тягу. Это происходит по той причине, что воздух внутри стекла, обедненный кислородом, затраченным на горение, быстро нагревается и идет кверху, а на его место поступает чистый холодный воздух через отверстия, сделанные в горелке лампы.

Чем выше стекло, тем лампа будет лучше гореть. Действительно, быстрота, с которой устремляется холодный воздух в горелку лампы, зависит от разности в весе нагретого столба воздуха в лампе и холодного воздуха вне лампы. Чем выше столб воздуха, тем больше будет эта разность весов, а с ней и быстрота перемешивания.

Поэтому и заводские трубы делают высокими. Для заводских топок нужен особенно сильный приток воздуха, нужна хорошая тяга. Она и достигается благодаря высоким трубам.

Отсутствие конвекции в лишенной тяжести ракете не позволит пользоваться спичками, лампами и газовыми горелками: продукты сгорания задушат пламя.

Воздух – плохой проводник; при его помощи мы можем сохранять тепло, но с одним условием: если мы избежим конвекции – перемешивания теплого и холодного воздуха, – которая сводит на нет теплоизоляционные свойства воздуха.

Устранение конвекции достигается применением разного рода пористых и волокнистых тел. Внутри таких тел воздуху трудно двигаться. Все подобные тела хороши как теплоизоляторы только благодаря своей способности удерживать слой воздуха. Теплопроводность же самих веществ волокна или стенок пор может быть не очень малой.

Хороша шуба из густого меха, содержащего как можно больше волокон; гагачий пух позволяет изготовлять теплые спальные мешки весом меньше полукилограмма из-за исключительной тонины своих волокон. Полкилограмма этого пуха могут «задержать» столько же воздуха, сколько десяток килограммов ватина.

Для уменьшения конвекции делают двойные рамы. Воздух между стеклами не участвует в перемешивании воздушных слоев, происходящем в комнате.

Наоборот, всякое движение воздуха усиливает перемешивание и увеличивает передачу тепла. Именно поэтому, когда нам нужно, чтобы тепло уходило побыстрее, мы обмахиваемся веером или включаем вентилятор. Поэтому на ветру и холоднее. Но если температура воздуха выше температуры нашего тела, то перемешивание приведет к обратному результату, и ветер ощущается, как горячее дыхание.

Задача парового котла состоит в том, чтобы как можно быстрее получать нагретый до нужной температуры пар. Естественной конвекции в поле тяжести для этого совершенно недостаточно. Поэтому создание интенсивной циркуляции воды и пара, приводящей к перемешиванию теплых и холодных слоев, является одной из основных задач при конструировании паровых котлов.

59 Свободная и вынужденная конвекции; физические свойства жидкостей. Числа (критерии) подобия конвективного теплообмена.

Основные
понятия и определения

Передача теплоты
конвекцией осуществляется перемещением
в пространстве неравномерно нагретых
объемов жидкости или газов. В дальнейшем
изложении обе среды объединены одним
наименованием — жидкость. Обычно при
инженерных расчетах определяется
конвективный теплообмен между жидкостью
и твердой стенкой, называемый теплоотдачей.
Согласно закону Ньютона—Рихмана,
тепловой поток Q от стенки к жидкости
пропорционален поверхности теплообмена
и разности температур между температурой
твердой стенки tc и температурой жидкости
tж: .

(10.1)

Главная трудность
расчета заключается в определении
коэффициента теплоотдачи α, зависящего
от ряда факторов: физических свойств
омывающей поверхность жидкости
(плотности, вязкости, теплоемкости,
теплопроводности), формы и размеров
поверхности, природы возникновения
движения среды, скорости движения.

По
природе возникновения различают два
вида движения — свободное и вынужденное.
Свободное движение происходит вследствие
разности плотностей нагретых и холодных
частиц жидкости, находящейся в поле
действия сил тяжести; оно называется
также естественной конвекцией и зависит
от рода жидкости, разности температур,
объема пространства, в котором протекает
процесс.

Вынужденное
движение возникает под действием
посторонних побудителей (насоса,
вентилятора, ветра). В общем случае
наряду с вынужденным движением
одновременно может развиваться и
свободное. Относительное влияние
последнего тем больше, чем больше
разность температур в отдельных точках
жидкости и чем меньше скорость вынужденного
движения.

Движение жидкости
может быть ламинарным или турбулентным.
При ламинарном режиме частицы жидкости
движутся послойно, не перемешиваясь.
Турбулентный режим характеризуется
непрерывным перемешиванием всех слоев
жидкости. Переход ламинарного режима
в турбулентный определяется значением
безразмерного комплекса, называемого
числом Рейнольдса: ,

где
w – скорость движения жидкости; ν —
коэффициент кинематической вязкости1;
l — характерный размер канала или
обтекаемой стенки.

При
любом режиме движения частицы жидкости,
непосредственно прилегающие к твердой
поверхности, как бы прилипают к ней. В
результате вблизи обтекаемой поверхности
вследствие действия сил вязкости
образуется тонкий слой заторможенной
жидкости, в пределах которого скорость
изменяется от нуля на поверхности тела
до скорости невозмущенного потока
(вдали от тела). Этот слой заторможенной
жидкости получил название гидродинамического
пограничного слоя. Толщина этого слоя
возрастает вдоль по потоку, так как по
мере движения влияние вязкости
распространяется все больше на
невозмущенный поток. Однако и в случае
турбулентного пограничного слоя
непосредственно у стенки имеется очень
тонкий слой жидкости, движение в котором
носит ламинарный характер. Этот слой
называется вязким, или ламинарным,
подслоем.

Аналогично понятию
гидродинамического слоя существует
понятие теплового пограничного слоя —
прилегающей к твердой поверхности
области, в которой температура жидкости
изменяется от температуры стенок tс до
температуры жидкости вдали от тела tж.
В общем случае толщины гидродинамического
и теплового пограничных слоев
пропорциональны, а для газов практически
равны.

Интенсивность
переноса теплоты зависит от режима
движения жидкости в пограничном слое.
При турбулентном пограничном слое
перенос теплоты в направлении стенки
обусловлен турбулентным перемешиванием
жидкости. Однако непосредственно у
стенки, в ламинарном подслое теплота
будет переноситься теплопроводностью.
При ламинарном пограничном слое теплота
в направлении стенки переносится только
теплопроводностью.

Основы
теории подобия

Ввиду сложности
математического описания процессов
конвективного теплообмена аналитическое
решение дифференциальных уравнений с
условиями однозначности оказывается
возможным только в результате
дополнительных упрощений, которые в
значительной мере снижают практическую
ценность полученных результатов. Поэтому
многие зависимости для конкретных задач
конвективного теплообмена получают
экспериментальным путем. Распространение
этих эмпирических зависимостей на
другие конкретные явления может привести
к грубым ошибкам.

Объединение
математических методов с экспериментом
с помощью теории подобия позволяет
распространить результаты единичного
опыта на целую группу явлений.

Понятие подобия,
как известно, впервые введено в геометрии.
Геометрически подобными называются
такие фигуры, у которых сходственные
(одноименные) стороны пропорциональны,
а сходственные углы равны.

Понятие подобия
распространяется на любое физическое
явление. Физические явления считаются
подобными, если они относятся к одному
и тому же классу, протекают в геометрически
подобных системах, и подобны все
однородные физические величины,
характеризующие эти явления. Однородными
называются такие величины, которые
имеют один и тот же физический смысл и
одинаковую размерность. Таким образом,
для подобных физических явлений в
сходственных точках и в сходственные
моменты времени любая величина φ′
первого явления пропорциональна величине
φ′′ второго явления, т. е. φ′=cφ·φ′′.
При этом каждая физическая величина φ
имеет свой множитель преобразования
cφ′ численно отличный от других.

Аналогично
геометрическому подобию уравнения,
описывающие подобные физические явления,
после приведения их к безразмерному
виду становятся тождественно одинаковыми.
При этом в сходственных точках все
одноименные безразмерные величины, в
том числе и безразмерные параметры,
будут равны.

безразмерный
комплекс называется числом Нуссельтаи представляет собой безразмерный
коэффициент теплоотдачи. Числа подобия,
составленные только из заданных
параметров математического описания
задачи, называются критериями подобия.
Анализ уравнений конвективного
теплообмена позволяет получить следующие
основные критерии подобия:

—критерий Рейнольдса,
характеризующий режим движения жидкости;

—критерий Грасгофа,
характеризующий подъемную силу, возникшую
вследствие разности плотности жидкости.
Здесь β — коэффициент объёмного расширения
жидкости;

—критерий Прандтля,
определяющий физические свойства
жидкости.

Критерии, составленные
из величин, определяющих характер
процесса, но не включающие искомых
величин, называются определяющими, а
критерии, включающие искомые величины,
— неопределяющими. Так, при расчёте
конвективного теплообмена критерий Nu
не является определяющим, так как в него
входит искомая величина α. Критерии же
Re и Pr в этих же расчётах – определяющие.

Как термос держит температуру

Люди пользуются термосом уже более ста лет, но мало кто интересовался, в чем секрет этого сосуда? Почему вода или еда так долго остаются горячими в нем? Неужели там есть секретный механизм, который подогревает содержимое? Все намного проще. Здесь действуют физические законы, которые обеспечивают минимальную теплопроводность и максимальную теплоизоляцию.

5%скидка
Для читателей нашего блога
скидка 5% на весь
ассортимент

Ваш промокод:BLOGСмотреть все термосы

Принцип работы термоса

Максимально уменьшить теплопередачу – такая задача стояла у изобретателей этого сосуда. На чем базируется это качество:

  • Излучение. Эта сила не видна визуально, но ощутима тактильно. Любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепло. Чем выше температура, тем интенсивней лучи тепловой энергии. Наверное, все знают, что светлые и блестящие поверхности отражают тепло, а черные – наоборот притягивают.

  • Конвекция. По этому принципу работают комнатные радиаторы, которые нагревают воздух в помещении.

  • Теплопроводность. Например, металл нагревается быстрее, чем дерево.

Все эти три силы необходимо свести к минимуму для уменьшения теплопередачи. Первый аналог термоса был создан еще в девятнадцатом веке, когда Джеймс Дьюар изобрел одноименный сосуд. Его состав почти не изменился с тех пор. В основании лежит колба, изготовленная из стекла или стали, которая имеет зеркальную поверхность. Это усиливает теплосберагающие свойства.  Также есть металлический корпус.

Между корпусом и колбой находится вакуум, который нивелирует теплопередачу. Закупоривается сосуд специальной пробкой. Сегодня она может быть винтовой, обычной или с помпой. А в те времена ограничивались обычной затычкой из пробкового дерева. Она предотвращает конвекцию. Сегодня некоторые производители наполняют пространство между колбой и корпусом инертным газом, но этот метод менее эффективен.

5%скидка
Для читателей нашего блога
скидка 5% на весь
ассортимент

Ваш промокод:BLOGСмотреть все термосы

Чтобы термос прослужил долго и хорошо держал температуру, необходимо:

  • перед наполнением его жидкостью сначала прогреть стенки колбы;

  • не бросать термос даже на мягкую поверхность и даже металлический – любое механическое воздействие может привести к разгерметизации изделия;

  • не открывать термос слишком часто, ведь в этом случае происходит конвекция, и темпера тура внутри снижается;

  • заполнять изделие до верха, оставляя минимум свободного пространства.

Стоит помнить, что место слитой воды заполняет воздух. А это значит, что чем меньше жидкости останется в колбе, тем холоднее она будет.

5%скидка
Для читателей нашего блога
скидка 5% на весь
ассортимент

Ваш промокод:BLOGСмотреть все термосы

Термосы с высокими теплоизоляционными свойствами

Какой из термосов на рынке сегодня способен дольше сохранить содержимое горячим или холодным? Торговая марка «Стенли» уже более ста лет производит качественные изделия, которые позволяют поддерживать необходимую температуру пищи или напитков на протяжении 32 часов. Сосуды изготавливаются из высококачественной нержавеющей стали и имеют пожизненную гарантию. Двойной вакуумный слой позволяет получать такие высокие показатели. Производители предлагают не только обычные туристические термосы для кофе или чая, но также и объемные пищевые сосуды, термокружки и специальные контейнеры для пищи. Дизайн продукции отличается лаконичностью и эргономичностью. На сайте можно подобрать оптимальную модель продукции под конкретные запросы.

автоматические программы, гриль, конвекция, таймер, защита от детей

В современных духовых шкафах реализовано столько функций, что если их все изучить, можно готовить блюда ресторанного качества. Другое дело, что редко кто использует весь функционал своей духовки – большинство пользователей ограничивается стандартными программами.

У некоторых хозяек наступает настоящее прозрение, когда они открывают инструкцию по эксплуатации (часто впервые после нескольких лет использования техники) и видят, сколько возможностей для готовки предоставляет им родная духовка. Даже самый бюджетный духовой шкаф позволяет не только вкусно и разнообразно, но и удобно готовить.

Рекомендуем после покупки хотя бы ознакомиться с программами прибора, ведь рано или поздно наступит момент, когда захочется приготовить что-то особенное. Стоит отметить, что дополнительные функции, возможно, вам не понадобятся, поэтому следует внимательно изучить характеристики духовки на стадии выбора и не переплачивать за ненужный для вас функционал.

Например, если у вас уже есть СВЧ-печь, то, скорее всего, нет смысла покупать духовку с функцией микроволновки. Если не планируете печь хлеб, духовой шкаф с режимом хлебопечки вам точно не нужен. Но практика показывает, что большинство пользователей только переходит на новое оборудование и попросту не знает о технологиях, которые реализованы в современной технике для готовки. Коротко расскажем о некоторых из них, а ниже остановимся на необходимых и самых полезных функциях духовок.

Сразу отметим, что 90% всех духовых шкафов – электрические, поскольку имеют более широкие функциональные возможности, чем газовые. Но именно в большинстве газовых приборов есть вертел, который представляет собой металлический прут удлиненной формы и служит для равномерного запекания мяса со всех сторон. В электрических духовках вертел, как правило, не используется, ведь в них и так блюда пропекаются равномерно. В газовых моделях такое приспособление позволяет компенсировать техническое несовершенство оборудования.

Для поддержания заданного температурного режима в духовках используется термостат. Нагревательными элементами выступают ТЭНы и горелка – для электрических и газовых приборов соответственно. Некоторые модели оснащены функцией медленного приготовления, которая позволяет запекать блюда при низкой температуре с сохранением всех полезных и питательных свойств ингредиентов.

Еще один способ готовить здоровую еду – купить духовку с функцией пароварки. Такие приборы оснащены парогенератором, благодаря которому можно использовать влажный, интенсивный или горячий пар.

Функции самоочистки сегодня есть практически во всех духовках. К ним относятся: гидролизный, каталитический и пиролитический способы очищения рабочей камеры. Для реализации первого в специальный контейнер необходимо налить воду с добавлением моющего средства и включить прибор на 40-50 минут при температуре 60-90С. Под воздействием пара загрязнения размягчаются и легко убираются при помощи обычной тряпки.

Камеры духовых шкафов с каталитической системой покрыты специальной эмалью, химические элементы которой при температуре свыше 200С вступают в реакцию с жировыми отложениями и разлагают их на воду и углерод. Такой способ очистки удобен тем, что выполняется непосредственно в процессе приготовления пищи, а значит, не требует дополнительного времени.

Пиролитическая самоочистка реализована в продвинутых моделях электрических духовок. По окончании готовки прибор включается на температуру 500С, при которой все загрязнения сгорают. Бороться с жирными отложениями на стенках камеры хозяйке не придется, нужно лишь убрать сухой пепел после пиролиза.

Теперь перейдем к более подробному рассмотрению самых распространенных возможностей современных духовых шкафов.

Автоматические программы

Когда мы готовим вручную, то выбираем один из режимов нагрева пищи, будь то сочетание верхнего и нижнего нагрева либо совмещение работы конвекции и гриль. Автоматические программы духового шкафа – это уже готовые способы приготовления различных блюд. Используя эту функцию, пользователю не нужно беспокоиться, на какой уровень поставить блюдо, какую температуру выставить и как долго готовить. Духовка с автоматической системой самостоятельно установит режим и будет переключать необходимые нагреватели во время приготовления.

Использование духового шкафа со встроенными программами значительно снижает риск пригорания блюда, а оптимальное распределение тепла в рабочей камере обеспечит для него лучшую прожарку изнутри. Прибор предлагает готовить либо с использованием термощупа, либо делать это, исходя из веса продукта. Если, к примеру, необходимо приготовить мясо без костей, можно использовать термощуп, если нужно запечь курицу, лучше задать вес продукта и воспользоваться автоматическим режимом.

В продвинутых духовках есть функция приготовления на пару и даже режим томления пищи на низких температурах. Автоматическая программа сама выберет нужный способ в зависимости от рецепта. В современных моделях имеется до 150 встроенных рецептов и возможность запрограммировать свой собственный. Автоматические программы готовят практически без участия пользователя. Достаточно положить в духовку ингредиенты и выбрать нужный рецепт – техника сама все сделает и самостоятельно выключится по окончании готовки.

Духовка со встроенным грилем

Все современные электрические духовые шкафы оснащены верхним нагревателем, есть он и в большинстве газовых моделей. Нагрев продуктов сверху позволяет реализовать функцию гриль. Это очень полезный режим, при помощи которого можно приготовить мясо, рыбу, овощи и другие продукты с хрустящей корочкой, подобно приготовлению на открытом огне. Теперь для приготовления шашлыка, румяной курочки и аппетитной колбаски не обязательно выезжать на природу и готовить все это на костре – духовка с грилем справится не хуже.

Существует несколько разновидностей гриля: малый, большой и турбо. Нагревательный элемент, расположенный под потолком рабочей камеры, имеет зигзагообразную форму и состоит из двух секций – внутренней и наружной. Для приготовления небольших или плоских блюд достаточно использовать малый гриль, когда включается только внутренний ТЭН. При помощи этой функции можно приготовить тосты, сосиски, купаты, мясо и рыбу с экономией электроэнергии.

Но для приготовления объемных блюд одного внутреннего нагревателя, который пропекает лишь середину, будет недостаточно. Необходимо включить верхний ТЭН целиком и использовать так называемый большой гриль. При этом режиме инфракрасные лучи распространятся по всей площади решетки, а температура будет значительно выше. На большом гриле можно приготовить курицу, большие куски мяса, широкие плоские блюда и даже запечь целого поросенка, при этом готовка происходит достаточно быстро.

Для приготовления объемных продуктов лучше использовать функцию турбо гриль. Этот режим реализован только в электрических духовках и отличается от большого тем, что к верхнему нагреву добавляется работа вентилятора. Таким образом происходит более равномерное пропекание ингредиентов, а для приготовления больших кусков мяса не обязательно использовать вертел. В режиме турбо гриль максимальная температура в духовом шкафу составляет 170С, тогда как при использовании малого и большого грилей – 240С.

Что такое конвекция в духовых шкафах?

Это очень важный режим, который значительно упрощает и улучшает процесс готовки. Конвекция в духовке может быть естественной, принудительной и влажной.

Если вспомните, как происходила готовка в старых духовых шкафах, то сразу становится понятно, что значит естественный процесс. Это когда противни постоянно приходится переворачивать и менять местами, чтобы выпечка не пригорела. Дело в том, что температура у задней стенки и внизу духовки значительно выше, чем вверху и возле дверцы. Владельцу духового шкафа с естественной конвекцией приходится время от времени перетасовывать и переворачивать противни на 90, чтобы блюда со всех сторон пропекались одинаково. Иногда нужно открывать дверцу, чтобы выпустить горячий воздух и защитить выпечку от пригорания. Процесс готовки при естественной конвекции трудоемкий, утомительный, отнимает много времени.

Сегодня производители газовых и электрических духовых шкафов оснащают бытовую технику принудительной конвекцией. В заднюю стенку встраивается вентилятор, который гоняет горячий воздух по всей рабочей камере, обеспечивая одинаковую температуру в любой точке. Независимо от того, находятся ли продукты возле дверцы, вверху, внизу или у задней стенки, они пропекаются одинаково. Если использовать режим принудительной конвекции для выпечки, то кроме равномерного пропекания она еще покрывается хрустящей аппетитной корочкой. В некоторых моделях духовок возле вентилятора устанавливают дополнительный задний ТЭН, который часто используется для приготовления пиццы.

О функции готовки на пару мы уже говорили, но есть еще и влажная конвекция. Конвекционный принцип работы духового шкафа в этом случае не отличается от принудительного режима, только вместо горячего воздуха блюдо обдувается паром. При влажной конвекции тесто быстрее поднимается во время запекания, а пища, приготовленная таким способом, содержит больше полезных компонентов.

Функция таймера

В линейках практически всех производителей имеются духовки с таймером. Это очень важный прибор, задача которого оповестить хозяйку об окончании готовки. Таймеры в духовых шкафах бывают механическими и электронными, а принцип их действия очень прост. Устанавливается время, необходимое для приготовления конкретного блюда, после чего начинается обратный отсчет. Об окончании готовки сообщает характерный сигнал.

Наличие духового шкафа с таймером избавляет хозяйку от постоянного контроля за процессом. Пока готовится пища, она может спокойно заниматься другими делами и не беспокоиться, что упустит момент, и блюдо пригорит.

Как работает «Защита от детей»

Духовые шкафы – потенциально небезопасное оборудование, поэтому производители побеспокоились о защите пользователей и безопасности любопытных, везде сующих свой нос самых маленьких членов семьи.

Как реализуются функции «Защиты от детей»? Самым опасным элементом духовки является рабочая камера в процессе готовки. Если ребенок ее откроет, на него будет выходить горячий воздух, что может привести к сильному ожогу. Современные духовые шкафы имеют блокировку дверцы, сделанную в виде скрытого замка, который расположен снизу или сбоку, чтобы ребенок даже случайно не мог на него нажать.

Если панель управления оснащена поворотными ручками, они, как правило, утапливаемые. После выставления режима нужно нажать на переключатель, и ребенок не сможет его повернуть. Если духовой шкаф имеет сенсорное управление, блокирующая «защита от детей» выполняется программно.

Важной защитной функцией является многослойное остекление двери, благодаря чему та снаружи практически не нагревается. Дополнительно может быть реализован режим автоматического отключения по окончании готовки. В газовых духовках важнейшей функцией защиты является газ-контроль, когда при затухании пламени прибор блокирует подачу газа.

Телескопические направляющие

В духовых шкафах есть многоуровневый механизм приготовления блюд. Отсчет уровней ведется сверху, и первая секция обычно неподвижна. Остальные представляют собой противни, которые необходимо выдвигать, чтобы уложить ингредиенты и проконтролировать их готовность. Самый практичный, удобный и безопасный способ выдвижения предполагает наличие в духовке телескопических направляющих.

«Телескопы» позволяют легко, плавно и бесшумно выдвинуть противень без риска обжечься, поскольку заклинивание практически исключено. Удобство заключается еще и в том, что телескопические направляющие надежно удерживают металлический лист, так что хозяйке не нужно его снимать, чтобы разместить ингредиенты.

Преимущества духовых шкафов Lex

Для большинства пользователей важными критериями выбора бытовой техники являются надежность и цена. Духовые шкафы Lex – оптимальное соотношение стоимости и качества. Духовки этого производителя появились на рынке сравнительно недавно, но быстро завоевали популярность среди отечественных потребителей.

Большинство моделей представляют собой встраиваемую технику, которая экономит пространство и идеально вписывается практически в любой интерьер. Духовки Lex выполнены в различном цветовом и дизайнерском исполнении: черном, бежевом, белом, сером и других цветах и их комбинациях, оснащены стильными переключателями и ручками, имеют четкие надписи.

Широкий функционал, который включает в себя как основные, так и дополнительные функции, позволяет приготовить практически любое блюдо. Достаточно уложить на противни ингредиенты, выбрать необходимый режим, и духовой шкаф Лекс качественно выполнит свою работу. Последние модели оснащены грилем, конвекцией и таймером, имеют телескопические направляющие.

Духовки Лекс изготавливаются на современных заводах Польши, Италии и Китая по передовым технологиям с использованием качественных материалов и надежных комплектующих. После сборки каждая модель проходит всестороннюю проверку на соответствие заявленным характеристикам. Лишь после прохождения контроля качества оборудование попадает к конечному потребителю, поэтому процент заводского брака минимален.

В нашем интернет-магазине представлен широкий ассортимент духовых шкафов Lex, даже самый взыскательный пользователь сможет найти технику, соответствующую его требованиям. Цены, описание и технические характеристики каждой модели представлены в карточках товаров. Заказать духовки Lex можно по телефону или непосредственно на сайте с помощью сервиса покупок. Производитель предоставляет долгосрочную гарантию на свою технику. Доставка бытовых приборов Лекс осуществляется по Москве и в другие населенные пункты России. В случае возникновения вопросов и затруднений при выборе обращайтесь к нашим консультантам, они с радостью вам помогут. Каталог регулярно пополняется новыми духовыми шкафами – не пропустите новинки.

В чем разница между проводимостью, конвекцией и излучением?

Скачать статью в формате PDF

Теплообмен — это физический акт обмена тепловой энергией между двумя системами за счет рассеивания тепла. Температура и поток тепла — основные принципы теплопередачи. Количество доступной тепловой энергии определяется температурой, а тепловой поток представляет собой движение тепловой энергии.

В микроскопическом масштабе кинетическая энергия молекул находится в прямой зависимости от тепловой энергии.С повышением температуры молекулы увеличиваются в тепловом возбуждении, проявляющемся в линейном движении и вибрации. Области с более высокой кинетической энергией передают энергию областям с более низкой кинетической энергией. Проще говоря, теплопередачу можно разделить на три большие категории: теплопроводность, конвекция и излучение.

На изображении выше, предоставленном НАСА, показано, как все три метода теплопередачи (теплопроводность, конвекция и излучение) работают в одной и той же среде.

Проводимость

Проводимость передает тепло путем прямого столкновения молекул.Область с большей кинетической энергией будет передавать тепловую энергию области с более низкой кинетической энергией. Частицы с более высокой скоростью будут сталкиваться с частицами с более низкой скоростью. В результате частицы с более низкой скоростью увеличивают кинетическую энергию. Электропроводность — это наиболее распространенная форма передачи тепла, которая происходит при физическом контакте. Примеры: положить руку на окно или положить металл в открытое пламя.

Процесс теплопроводности зависит от следующих факторов: градиента температуры, поперечного сечения материала, длины пути прохождения и физических свойств материала.Температурный градиент — это физическая величина, которая описывает направление и скорость распространения тепла. Температурный поток всегда будет происходить от самого горячего к самому холодному или, как указывалось ранее, от более высокой к более низкой кинетической энергии. Как только между двумя разностями температур установится тепловое равновесие, теплопередача прекращается.

Поперечное сечение и путь движения играют важную роль в проводимости. Чем больше размер и длина объекта, тем больше энергии требуется для его нагрева. И чем больше открытая поверхность, тем больше тепла теряется.Меньшие объекты с малым поперечным сечением имеют минимальные тепловые потери.

Физические свойства определяют, какие материалы передают тепло лучше других. В частности, коэффициент теплопроводности указывает на то, что металлический материал будет проводить тепло лучше, чем ткань, когда дело доходит до теплопроводности. Следующее уравнение рассчитывает скорость проводимости:

Q = [k · A · (T горячий — T холодный )] / d

где Q = тепло, передаваемое за единицу времени; k = теплопроводность барьера; A = площадь теплопередачи; T hot = температура горячей области; T холодный = температура холодного региона; и d = толщина барьера.

Современные методы использования проводимости разрабатываются доктором Гюн-Мин Чой из Университета Иллинойса. Доктор Чой использует спиновой ток для создания крутящего момента передачи вращения. Момент передачи спина — это передача спинового углового момента, генерируемого электронами проводимости, намагниченности ферромагнетика. Вместо использования магнитных полей это позволяет манипулировать наномагнетиками с помощью спиновых токов. (С любезного разрешения Алекса Хереса, Группа технологий обработки изображений, Институт Бекмана)

Конвекция

Когда жидкость, такая как воздух или жидкость, нагревается, а затем удаляется от источника, она переносит тепловую энергию.Такой тип теплопередачи называется конвекцией. Жидкость над горячей поверхностью расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх.

На молекулярном уровне молекулы расширяются при введении тепловой энергии. По мере того как температура данной массы жидкости увеличивается, объем жидкости должен увеличиваться во столько же раз. Это воздействие на жидкость вызывает смещение. Когда горячий воздух сразу поднимается вверх, он выталкивает более плотный и холодный воздух вниз. Эта серия событий показывает, как образуются конвекционные токи.Уравнение для скорости конвекции рассчитывается следующим образом:

Q = h c · A · (T s — T f )

где Q = тепло, передаваемое за единицу времени; h c = коэффициент конвективной теплопередачи; A = площадь теплообмена поверхности; T с = температура поверхности; и T f = температура жидкости.

Обогреватель — классический пример конвекции. По мере того как обогреватель нагревает воздух, окружающий его около пола, температура воздуха повышается, расширяется и поднимается в верхнюю часть комнаты.Это заставляет более холодный воздух опускаться вниз, так что он нагревается, создавая конвекционный ток.

Излучение

Тепловое излучение возникает из-за испускания электромагнитных волн. Эти волны уносят энергию от излучающего объекта. Излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду (твердую или жидкую). Тепловое излучение является прямым результатом случайных движений атомов и молекул в веществе. Движение заряженных протонов и электронов приводит к испусканию электромагнитного излучения.

Все материалы излучают тепловую энергию в зависимости от их температуры. Чем горячее объект, тем сильнее он будет излучать. Солнце — яркий пример теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему. При нормальной комнатной температуре объекты излучают инфракрасные волны. Температура объекта влияет на длину и частоту излучаемых волн. При повышении температуры длины волн в спектрах испускаемого излучения уменьшаются и излучают более короткие длины волн с более высокочастотным излучением.Тепловое излучение рассчитывается по закону Стефана-Больцмана:

P = e · σ · A · (T r 4 — T c 4 )

, где P = полезная излучаемая мощность; A = излучающая область; Tr = температура радиатора; Tc = температура окружающей среды; e = коэффициент излучения; и σ = постоянная Стефана.

Коэффициент излучения для идеального излучателя имеет значение 1. Обычные материалы имеют более низкие значения коэффициента излучения. Анодированный алюминий имеет коэффициент излучения 0,9, а меди — 0.04.

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент преобразует энергию света в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта. Свет поглощается и переводит электрический ток в более высокое энергетическое состояние, и электрический потенциал создается за счет разделения зарядов. Эффективность солнечных панелей выросла в последние годы. Фактически, те, которые в настоящее время производятся компанией SolarCity, соучредителем которой является Илон Маск, составляют 22%.

Коэффициент излучения определяется как способность объекта испускать энергию в виде теплового излучения.Это отношение при данной температуре теплового излучения от поверхности к излучению от идеальной черной поверхности, определяемое законом Стефана-Больцмана. Константа Стефана определяется константами природы. Значение константы следующее:

σ = (2 · π 5 · k 4 ) / (15 · c 2 · h 3 ) = 5,670373 × 10 –8 Вт · м –2 · K –4

где k = постоянная Больцмана; h = постоянные Планка; и c = скорость света в вакууме.

Конвективная теплопередача

Тепловая энергия, передаваемая между поверхностью и движущейся жидкостью с разными температурами, известна как конвекция .

На самом деле это комбинация диффузии и объемного движения молекул. Вблизи поверхности скорость жидкости мала, и преобладает диффузия. На расстоянии от поверхности объемное движение усиливает влияние и преобладает.

Конвективная теплопередача может быть

  • принудительной или вспомогательной конвекцией
  • естественной или свободной конвекцией

принудительной или вспомогательной конвекцией

принудительной конвекцией жидкости

принудительной конвекцией внешняя сила, такая как насос, вентилятор или смеситель.

Естественная или свободная конвекция

Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами из-за разницы плотности, вызванной колебаниями температуры в жидкости. При нагревании изменение плотности в пограничном слое приведет к тому, что жидкость поднимется и будет заменена более холодной жидкостью, которая также будет нагреваться и подниматься. Это продолжающееся явление называется свободной или естественной конвекцией.

Процессы кипения или конденсации также называют конвективными процессами теплопередачи.

  • Теплопередача на единицу поверхности за счет конвекции была впервые описана Ньютоном, и это соотношение известно как Закон охлаждения Ньютона .

Уравнение конвекции может быть выражено как:

q = h c A dT (1)

где

q = теплопередача за единицу времени (Вт, Btu / hr)

A = площадь теплопередачи поверхности (м 2 , ft 2 )

h c = коэффициент конвективной теплопередачи процесса ( Вт / (м 2o C, Btu / (фут 2 h o F) )

dT = разница температур между поверхностью и основной жидкостью ( o C, F)

Коэффициенты теплопередачи — единицы

Коэффициенты конвективной теплопередачи

Коэффициенты конвективной теплопередачи — ч c в зависимости от t тип среды, будь то газ или жидкость, и свойства потока, такие как скорость, вязкость и другие свойства, зависящие от потока и температуры.

Типичные коэффициенты конвективной теплопередачи для некоторых распространенных применений потока жидкости:

  • Свободная конвекция — воздух, газы и сухие пары: 0,5 — 1000 (Вт / (м 2 K))
  • Свободная конвекция — вода и жидкости: 50 — 3000 (Вт / (м 2 K))
  • Принудительная конвекция — воздух, газы и сухие пары: 10 — 1000 (Вт / (м 2 K))
  • Принудительная конвекция — вода и жидкости: 50 — 10000 (Вт / (м 2 K))
  • Принудительная конвекция — жидкие металлы: 5000 — 40000 (Вт / (м 2 K))
  • Кипящая вода: 3.000 — 100,000 (Вт / (м 2 K))
  • Водяной конденсат: 5.000 — 100,000 (Вт / (м 2 K))
Коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха

Коэффициент конвективной теплопередачи для потока воздуха может быть приблизительно равен

ч c = 10,45 — v + 10 v 1/2 (2)

где

h c = коэффициент теплопередачи (кКал / м 2 ч ° C)

v = относительная скорость между поверхностью объекта и воздухом (м / с)

С

1 ккал / м 2 ч ° С = 1.16 Вт / м 2 ° C

— (2) можно изменить на

h cW = 12,12 — 1,16 v + 11,6 v 1/2 (2b)

где

ч cW = коэффициент теплопередачи (Вт / м 2 ° C )

Примечание! — это эмпирическое уравнение, которое может использоваться для скоростей от 2 до 20 м / с .

Пример — конвективная теплопередача

Жидкость течет по плоской поверхности 1 м на 1 м. Температура поверхности 50 o C , температура жидкости 20 o C , а коэффициент конвективной теплопередачи 2000 Вт / м 2o С . Конвективный теплообмен между более горячей поверхностью и более холодным воздухом можно рассчитать как

q = (2000 Вт / (м 2o C)) ((1 м) (1 м)) ((50 o C) — (20 o C))

= 60000 (Вт)

= 60 (кВт)

Калькулятор конвективной теплопередачи

Таблица конвективной теплопередачи

Принципы of Heating and Cooling

Понимание того, как тепло передается с улицы в ваш дом и от вашего дома к вашему телу, важно для понимания проблемы сохранения прохлады в вашем доме.Понимание процессов, которые помогают сохранять ваше тело прохладным, важно для понимания стратегий охлаждения вашего дома.

Принципы теплопередачи

Тепло передается к объектам и от них — например, к вам и вашему дому — посредством трех процессов: теплопроводности, излучения и конвекции.

Проводимость — это тепло, проходящее через твердый материал. В жаркие дни тепло попадает в ваш дом через крышу, стены и окна. Теплоотражающие крыши, изоляция и энергоэффективные окна помогут снизить теплопроводность.

Излучение — это тепло, перемещающееся в виде видимого и невидимого света. Солнечный свет — очевидный источник тепла для дома. Кроме того, низковолновое невидимое инфракрасное излучение может переносить тепло непосредственно от теплых предметов к более холодным. Благодаря инфракрасному излучению вы можете почувствовать тепло горячего элемента конфорки на плите даже через всю комнату. Старые окна позволят инфракрасному излучению, исходящему от теплых предметов снаружи, проникать в ваш дом; оттенки могут помочь заблокировать это излучение.Новые окна имеют низкоэмиссионные покрытия, которые блокируют инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также будет переносить тепло от стен и потолка прямо к вашему телу.

Конвекция — это еще одно средство для того, чтобы тепло от ваших стен и потолка достигло вас. Горячий воздух естественным образом поднимается вверх, унося тепло от стен и заставляя его циркулировать по всему дому. Когда горячий воздух проходит мимо вашей кожи (и вы вдыхаете его), он согревает вас.

Охлаждение вашего тела

Ваше тело может охладиться посредством трех процессов: конвекции, излучения и потоотделения.Вентиляция усиливает все эти процессы. Вы также можете охладить свое тело с помощью теплопроводности — например, некоторые автокресла теперь оснащены охлаждающими элементами, — но это, как правило, непрактично для использования в домашних условиях.

Конвекция возникает, когда тепло уносится от вашего тела через движущийся воздух. Если окружающий воздух холоднее вашей кожи, воздух поглотит ваше тепло и поднимется. По мере того, как теплый воздух поднимается вокруг вас, более прохладный воздух движется, чтобы занять его место и поглотить больше вашего тепла.Чем быстрее движется конвекционный воздух, тем прохладнее вы чувствуете.

Излучение возникает, когда тепло распространяется через пространство между вами и предметами в вашем доме. Если предметы теплее, чем вы, тепло пойдет к вам. Удаление тепла через вентиляцию снижает температуру потолка, стен и мебели. Чем прохладнее ваше окружение, тем больше тепла вы будете излучать на предметы, а не наоборот.

Пот может быть неудобным, и многие люди предпочли бы сохранять спокойствие без него.Однако в жаркую погоду и при физических нагрузках пот является мощным охлаждающим механизмом тела. Когда влага покидает поры кожи, она переносит с собой много тепла, охлаждая ваше тело. Если ветерок (вентиляция) пройдет по вашей коже, эта влага испарится быстрее, и вам станет еще прохладнее.

Конвекция — обзор | Темы ScienceDirect

4.1 Доставка с усилением конвекции

CeD появился как многообещающий подход для доставки терапевтических средств внутрь мозга, а также решает многие из вышеупомянутых проблем.Этот метод включает прямое введение лекарств в мозг, чтобы обойти ГЭБ, улучшая распределение лекарств по паренхиме мозга. Он включает в себя стереотаксическое размещение нескольких катетеров через черепные заусенцы в паренхиму головного мозга и последующую инфузию противоопухолевых агентов или других терапевтических агентов через микроинфузионный насос (рис. 9). CeD использует градиент давления, установленный на кончике инфузионного катетера, чтобы протолкнуть лекарство во внеклеточное пространство, что приводит к более равномерному распределению лекарства в более высоких концентрациях и на большей площади, чем при введении только путем диффузии [90].CeD обеспечивает прямой доступ к ложу опухоли, что приводит к высоким локальным концентрациям препарата при минимальной системной абсорбции. CeD обладает способностью достигать перитуморальной области и за ее пределами и поэтому предпочтителен при лечении злокачественных глиом, поскольку рецидив обычно происходит в пределах сантиметров от исходной опухоли [91]. Наиболее эффективными агентами для ЦеД являются те, которые плохо транспортируются через ГЭБ, поскольку они не будут перемещаться из интерстиция обратно через ГЭБ в системный кровоток, тем самым сводя к минимуму системную токсичность.Хотя CeD в первую очередь оценивался для применения противоопухолевых агентов, в настоящее время этот метод можно использовать для введения широкого спектра агентов, например, для лечения болезни Альцгеймера и эпилепсии. Этот метод был описан в опубликованных доклинических и ранних клинических исследованиях.

Рис. 9. Система доставки с усилением конвекции с использованием микроинфузионного насоса. Молекулы вводятся через канюлю, вставленную в мишень. На кромке канюли поддерживается постоянное положительное давление, приводимое в действие насосом для микроинфузии.

В качестве потенциальных кандидатов для систем CeD было предложено множество лекарств. Юн и др. [92] сообщили в своем исследовании, что CeD — это жизнеспособный метод широкого распределения аденовирусных частиц по трактам белого вещества в модели грызунов. Последующая модификация этих частиц супрапарамагнитными частицами оксида железа характеризует сигнатуры МРТ, которые позволят отслеживать распределение векторов в реальном времени.

Кроме того, Bruce et al. [93] продемонстрировали способность CeD проводить химиотерапию и эффективно лечить опухоли, обходя при этом ГЭБ и сводя к минимуму системную токсичность.В этих клинических исследованиях использовались внешние катетеры, которые из-за увеличения риска инфицирования при более длительном размещении сокращали период лечения до 4 дней.

Sonabend et al. [94] использовали одобренный FDA имплантируемый подкожный насос (Synchromed II, Medtronic; Миннеаполис, Миннесота) для лечения спастичности и хронической боли на модели свиньи. Насос был имплантирован в подкожный карман на спине свиньи, а катетер из силикона был введен подкожно и введен во фронтальное белое вещество.Резервуар заполняли смесью топотекана и / или гадолиния и вводили в течение 10 дней. Объемы распределения отслеживались с помощью серийной МРТ, а безопасность и токсичность оценивались ежедневно. Топотекан сохранил свою противоопухолевую биоактивность после длительного воздействия физиологических условий и оказался безопасным. Наряду с переносимостью имплантированной помпы, эти результаты служат обоснованием для перевода этой системы в клинические испытания, и авторам было предложено использовать эту систему для лечения глиом человека.

Однако у CeD есть свои ограничения, и по мере развития техники был отмечен и устранен ряд физических ограничений. К ним относятся обратный поток, пузырьки воздуха, ограничения, окружающие поток в ткани головного мозга, отек белого вещества, неоднородность мишеней, активные опухоли / BBBD, проблемы с соотношением объема инфузии к объему распределения и, наконец, скорость потока [95]. Среди них много традиционных переменных, связанных с фармакологией, включая период полувыведения лекарственного средства и скорость выведения из ткани, а также переменные, специфичные для ЦД.

Теплофизические свойства и поведение конвекционного теплопереноса ионной жидкости [C4mim] [NTf2] при средней температуре в спирально гофрированных трубках

Основные характеристики

Теплофизические свойства [C 4 mim] [NTf 2 ] при средней температуре.

Исследовано влияние скорости и высоты гофра на теплопередачу.

Оптимальный многоцелевой метод используется для оценки улучшенных характеристик.

Abstract

Теплофизические свойства ионной жидкости, 1-бутил-3-метилимидазолий бис {(трифторметил) сульфонил} имида, [C 4 mim] [NTf 2 ], при средней температуре были прогнозируется на основе обобщения предыдущих литературных данных. Кроме того, было численно изучено поведение теплопередачи в гладких и гофрированных трубах с использованием различных температур жидкости и высоты гофра. Метод многокритериальной оптимизации использовался для получения оптимальных решений из набора возможных решений.Результат показывает, что эмпирические формулы могут хорошо предсказать условия плотности, теплоемкости и теплопроводности, но показывают небольшие ошибки для различных условий вязкости. Характеристики теплопередачи для высокотемпературных жидкостей значительно выше, чем в условиях низких температур, а также по перепаду давления. Скорость роста теплоотдачи значима для случаев отношения высоты гофра к диаметру 0,025 и 0,05. Кроме того, общие характеристики теплопередачи представляют собой принцип оптимального интервала, когда число Рейнольдса обратно пропорционально высоте гофра, за исключением случая отношения высоты гофра к диаметру, равного 0.15. Значения отклика оптимального решения по Парето соответствуют числу Нуссельта = 724,6, числу Пуазейля = 1519,8 и общей производительности теплопередачи = 1,01, с числом Рейнольдса = 70 490 и отношением высоты гофра к диаметру = 0,0252.

Ключевые слова

Ионная жидкость

Теплофизические свойства

Средняя температура

Конвекционная теплопередача

Спирально-гофрированная трубка

Многоцелевая оптимизация

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Посмотреть полный текстВсе права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Влияние переменных свойств жидкости на естественную конвекцию наножидкостей в полости с линейно изменяющейся температурой стенок

В настоящем исследовании анализируются конвективная теплопередача и характеристики потока жидкости наножидкости в двумерной квадратной полости при различных комбинациях теплофизических моделей наножидкостей. Температура правой вертикальной стенки изменяется линейно с высотой, а левая стенка поддерживается при низкой температуре, тогда как горизонтальные стенки являются адиабатическими.Для решения основных уравнений используется метод конечных объемов. Две модели рассматриваются для расчета эффективной теплопроводности наножидкости и четыре модели рассматриваются для расчета эффективной вязкости наножидкости. Численные решения проводятся для различных комбинаций моделей эффективной вязкости и эффективной теплопроводности с различными объемными долями наночастиц и числами Рэлея. Обнаружено, что скорость теплопередачи увеличивается для моделей M1 и M3 при увеличении объемной доли наножидкости, тогда как скорость теплопередачи уменьшается для модели M4 при увеличении объемной доли наночастицы.Различие между моделями эффективной динамической вязкости наножидкости играет здесь важную роль, так как среднее число Нуссельта демонстрирует тенденцию к увеличению или уменьшению концентрации наночастиц.

1. Введение

Технология улучшения охлаждения с конвективным теплопереносом является серьезной проблемой в инженерных и технологических приложениях. В прошлом несколько исследователей провели исследования техники конвективной теплопередачи в различных аспектах, чтобы получить лучшую теплопередающую среду.В последнее время в исследованиях рассматриваются жидкости с взвешенными в них частицами нанометрового размера, называемые наножидкостями. Наножидкости представляют собой разбавленные коллоидные суспензии, содержащие наночастицы. Базовые жидкости могут представлять собой этиленгликоль, хладагент, воду, масло или смеси одной или нескольких жидкостей. В наночастицах используются наножидкости из металлов, оксидов металлов, карбидов, нитридов и углерода. Наножидкости в основном используются в качестве хладагента в теплопередающем оборудовании, таком как теплообменники, электронные системы охлаждения и радиаторы.Новые свойства наножидкостей делают их потенциально полезными во многих приложениях, включая микроэлектронику, топливные элементы, фармацевтические процессы, двигатели с гибридным приводом, охлаждение двигателя, управление температурным режимом транспортных средств, бытовые холодильники, охладители, измельчение, механическую обработку и снижение температуры дымовых газов в котлах.

Поскольку перед использованием наножидкостей в практических приложениях потребовались подробные исследования во всех отношениях, мы провели теоретическое исследование, чтобы найти характеристики теплопередачи и потока жидкости в наножидкости внутри дифференциально нагретой полости при различных комбинациях теплофизических моделей наножидкостей в настоящем исследовании. .Некоторые исследователи используют несколько моделей для расчета физических свойств наножидкости [1–3]. Было проведено большое количество экспериментальных и численных исследований эффекта улучшения теплопроводности наножидкостей, поскольку большинство исследователей считают, что теплопроводность играет доминирующую роль в конвективном переносе [4–6]. Однако меньшее количество исследований посвящено влиянию вязкости наножидкостей. Поскольку вязкость жидкости увеличивается, когда в ней взвешены наночастицы, мы должны учитывать влияние вязкости на конвективный поток и теплопередачу.

Khanafer et al. [7] с помощью наножидкостей численно исследовали конвекционную теплопередачу, вызываемую плавучестью в двумерном корпусе. Они обнаружили, что скорость теплопередачи увеличивается с увеличением объемной доли наночастиц. Hwang et al. В [8] теоретически исследованы тепловые характеристики естественной конвекции воды на основе наножидкостей Al 2 O 3 в прямоугольной полости. Они показали, что отношение коэффициента теплопередачи наножидкости к коэффициенту теплопередачи базовой жидкости уменьшается с увеличением размера наночастиц.Ho et al. [9] численно исследовали влияние неопределенностей в эффективной вязкости и теплопроводности наножидкостей на конвекцию в замкнутом пространстве. Они пришли к выводу, что эффективная динамическая вязкость должна быть принята во внимание при изучении эффективности теплопередачи для естественной конвекции в закрытых помещениях. Джоу и Ценг [10] выполнили численное исследование влияния небольшого соотношения сторон корпуса на естественную конвекцию наножидкостей в прямоугольном корпусе. Они обнаружили, что среднее число Нуссельта на горячей стенке увеличивается с уменьшением аспектного отношения.Santra et al. В [11] численно исследовалась естественная конвекция наножидкостей в дифференциально нагреваемой квадратной полости. Они рассматривали наножидкость как неньютоновскую. Sivasankaran et al. [12] численно исследовали свободную конвекцию наножидкостей с различными наночастицами в квадратной полости с линейно изменяющейся температурой стенки. Они обнаружили, что приращение среднего числа Нуссельта сильно зависит от выбранной наночастицы. Рашми и др. [13] численно исследовали естественную конвекцию наножидкостей с использованием подхода вычислительной гидродинамики.Они обнаружили, что теплопередача уменьшается с увеличением объемной доли частиц. Сивасанкаран и Пан [14] численно исследовали естественную конвекцию наножидкостей в полости с синусоидальным распределением температуры на вертикальных боковых стенках. Обнаружено, что скорость теплопередачи увеличивается за счет неравномерного распределения температуры обеих стенок по сравнению со случаем равномерного нагрева на одной стенке. Cianfrini et al. [15] численно исследовали свободную конвекцию наножидкостей в частично нагретой полости.Они обнаружили, что теплопередача уменьшается с увеличением размера наночастиц, ширины полости и длины нагревателя. Бухаллеб и Аббасси [16] численно исследовали естественную конвекцию наножидкости в наклонной прямоугольной полости, нагреваемой с одной стороны и охлаждаемой с потолка. Они заметили, что теплопередача сначала увеличивается, а затем уменьшается при увеличении наклона корпуса для всех соотношений сторон.

Кроме того, в большинстве предыдущих исследований изучалась конвекционная теплопередача с равномерной температурой стенок или тепловыми граничными условиями однородного теплового потока.Однако эти тепловые граничные условия не подходят для многих практических применений, таких как теплообменники, литье под давлением и процессы затвердевания. Влияние температурно-зависимых свойств воды вблизи максимума ее плотности на конвекцию численно исследовано Сивасанкараном и Хо [17]. Они обнаружили, что параметр разницы температур не оказывает существенного влияния на теплопередачу. Sivasankaran et al. [18] проанализировали магнитоконвекцию холодной воды в открытой полости с температурно-зависимыми свойствами.Они обнаружили, что число Нуссельта нелинейно зависит от числа Марангони.

В большинстве численных или экспериментальных исследований конвективной теплопередачи наножидкостей исследователи рассматривали влияние физических свойств; в частности, теплопроводность наножидкостей при естественной конвекции в камерах и очень мало исследований вязкости можно найти в литературе. Существует множество моделей теплофизических свойств наножидкостей, основанных на экспериментальных данных или теоретических результатах, доступных в литературе.В большинстве исследований конвективной теплопередачи в полостях исследователи берут любую из моделей и исследуют характеристики теплопередачи и потока жидкости внутри полости. Очень немногие исследования сосредоточены только на сравнении моделей теплофизических свойств наножидкости.

Кроме того, нам необходимо знать влияние переменной температуры стенок на некоторые приложения. Таким образом, настоящее исследование направлено на изучение влияния различных моделей эффективной вязкости и теплопроводности наножидкости Al 2 O 3 на естественную конвекцию в полости с линейно изменяющейся температурой стенки.

2. Математический анализ

Рассмотрим двумерную квадратную полость длиной, заполненную наножидкостями, как показано на рисунке 1. Полость нагревается по-разному между двумя вертикальными боковыми стенками при разной температуре. Температура левой стенки изменяется линейно с высотой. Предполагается, что горизонтальные стенки являются адиабатическими, непроводящими и непроницаемыми для массопереноса. Наножидкость в корпусе представляет собой смесь твердого вещества и жидкости с однородной объемной долей, формой и размером наночастиц (Al 2 O 3 ), диспергированных в воде базовой жидкости, и она также является ньютоновской.Предполагается, что течение несжимаемое и ламинарное. Предполагается, что и наночастицы, и базовая жидкость находятся в тепловом равновесии. Приближение Буссинеска справедливо для члена плавучести, а все другие теплофизические свойства считаются постоянными. Кроме того, предполагается, что вязкая диссипация пренебрежимо мала.

Математическая модель потока жидкости и теплопередачи для вышеупомянутых геометрических условий и допущений, представленная в безразмерной форме, выглядит следующим образом.

Уравнение моментума. Рассмотреть

Уравнение энергии. Рассмотреть

Соотношения физических свойств, представленные в (1) и (3), следующие:,,,,, и, где нижние индексы и обозначают, соответственно, наножидкость и базовую жидкость. Кроме того, обозначает эффективную теплопроводность, связанную с возможными механизмами усиления теплопередачи наножидкости, такими как броуновское движение, наслоение жидкости на границе раздела жидкость / частица и движение фононов в наночастицах.

Эффективные теплофизические свойства наножидкости можно оценить с помощью различных формул, доступных в литературе. В настоящем исследовании основное внимание уделяется влиянию эффективной вязкости и теплопроводности наножидкости на естественную конвекционную теплопередачу. Формулы, выбранные для теплофизических свойств наножидкости в настоящей модели, следующие.

Плотность. Рассмотреть

Коэффициент теплового расширения. Рассмотреть

Удельная теплоемкость. Рассмотреть

Теплопроводность. Теплопроводность рассчитывается по известной формуле Максвелла [8] как

с корреляцией Пака и Чо [1] как

Динамическая вязкость. Для эффективной динамической вязкости наножидкости формула Бринкмана [19], эмпирическая корреляция, полученная Maiga et al. [20], модель броуновского движения [9] и корреляция Пака и Чо [1].Они выражаются как

Вышеупомянутые четыре уравнения ((9) — (12)) упоминаются в данном исследовании как Модель M1 – Модель M4 соответственно. Теплофизические свойства базовой жидкости (воды) и наночастиц (Al 2 O 3 ) доступны в литературе [9].

Функция потока вычисляется с использованием и. Граничные условия отсутствия проскальзывания применяются на всех четырех стенках полости. Заданные в безразмерном виде начальные и граничные условия для этих уравнений имеют вид

Используются следующие безразмерные переменные:,,, и.Скорость теплопередачи у горячей стенки корпуса выражается с помощью числа Нуссельта, которое оценивается следующим образом:

Кроме того, для количественной оценки эффективности теплопередачи при использовании наножидкости отношение усредненного коэффициента теплопередачи на горячей стенке к таковому у базовой жидкости оценивается как.

3. Метод решения

Безразмерные уравнения с граничными условиями решаются методом контрольного объема. Схема QUICK используется для членов конвекции, а центральная разностная схема используется для членов диффузии.Область решения состоит из ряда узлов сетки, в которых применяются уравнения дискретизации. Неравномерная сетка выбрана в обоих направлениях и. Размеры сетки были проверены от до, и постоянные свойства жидкости. Из теста на независимость сетки видно, что сетки 81 × 81 достаточно для исследования проблемы. Полученные алгебраические уравнения решаются итерационным методом. Критерий сходимости, используемый для полевых переменных:.

4. Результаты и обсуждение

Численное исследование проводится для понимания характеристик естественного конвективного потока и теплопередачи наножидкости с двумя моделями эффективной теплопроводности и четырьмя моделями эффективной вязкости для различных объемных долей наночастиц в квадратной полости.Значение числа Прандтля принято равным 6,7. Расчеты выполнены для числа Рэлея от 10 3 до 10 6 и для объемной доли наночастиц от 0% до 4%. Результаты для обоих случаев эффективной теплопроводности и четырех моделей эффективной вязкости наножидкости обсуждаются при различных комбинациях параметров, задействованных в исследовании. На рисунке 1 (b) показано сравнение среднего числа Нуссельта между изотермическими и линейно изменяющимися температурами горячих стенок для чистой жидкости и наножидкости с объемной долей.Из рисунка хорошо видно, что линейно изменяющаяся температура стенки дает меньшую скорость теплопередачи, чем изотермическая стенка, и разница увеличивается с увеличением числа Рэлея.

На рисунке 2 (а) показано сравнение двух моделей теплопроводности, определенных в (7) и (8). Хорошо видно, что известная теоретическая модель Максвелла дает более высокую теплопроводность, чем корреляция Пака и Чо, основанная на экспериментальных данных. Влияние этих двух моделей на теплопередачу и характеристики потока жидкости внутри полости анализируется в настоящей работе.Эффективная вязкость различных моделей, принятых в этом исследовании, показана на рисунке 2 (б). Среди этих четырех уравнений корреляция Пака и Чо дает большую вязкость, чем три другие модели. Формула Бринкмана и корреляция Майги и др. обеспечивают аналогичную тенденцию с увеличением объемной концентрации частиц наножидкости и дают низкую вязкость среди моделей. Рисунки 3 (a) –3 (d) показывают характеристики теплопередачи и потока жидкости для различных моделей вязкости и теплопроводности наножидкости с и.Между четырьмя моделями вязкости не наблюдается большой разницы в распределении температуры и характере течения, и между двумя случаями теплопроводности наблюдается очень небольшое изменение. Поскольку сила плавучести мала, изотермы равномерно распределены внутри полости, и картина течения одной ячейки занимала всю полость. На рисунках 4 (a) –4 (d) показаны изотермы и линии тока для различных моделей вязкости и двух случаев эффективной теплопроводности наножидкости с и.То же поведение, обнаруженное в случае, наблюдается среди различных моделей вязкости и теплопроводности наножидкости. При высоких значениях числа Рэлея изотермы группируются около стенок полости, и формируется поток типа пограничного слоя, который отражает перенос большой энергии через полость. Изотермы также указывают на горизонтальную температурную стратификацию. Из рисунков 3 и 4 видно, что нет большой разницы в потоке жидкости и распределении тепла между различными моделями вязкости и теплопроводности наножидкости с объемной концентрацией 4%.

Чтобы найти влияние скорости теплопередачи через полость для различных моделей при различных концентрациях частиц наножидкости, среднее число Нуссельта строится в зависимости от числа Рэлея для различных моделей вязкости и теплопроводности на рисунках 5 (a) –5. (г). Установлено, что скорость теплопередачи увеличивается с увеличением значения числа Рэлея для всех моделей вязкости и двух случаев теплопроводности наножидкости. При увеличении концентрации частиц скорость теплопередачи увеличивается или уменьшается в зависимости от рассматриваемой модели.

Модель M1 обеспечивает улучшение теплопередачи с увеличением концентрации частиц наножидкости для двух случаев теплопроводности. Дальнейшее изучение кривых на рисунке 5 (a) показывает, что скорость теплопередачи немного выше для случая B, чем для случая A. Это связано с тем, что случай B имеет более высокие значения эффективной теплопроводности, чем случай A, который показан на Рисунок 2 (а). Модель M2 дает противоречивые результаты между случаем A и случаем B, то есть двумя принятыми формулами для эффективной теплопроводности наножидкости.В случае А скорость теплопередачи уменьшается с увеличением объемной концентрации наножидкости. Но в случае B скорость теплопередачи увеличивается с увеличением объемной концентрации. Хотя вязкость модели M2 мала по сравнению с другими моделями, принятыми здесь, скорость теплопередачи не увеличивается. При слабой выталкивающей силе в теплопередаче преобладает режим теплопроводности. Среднее число Нуссельта в сравнении с числом Рэлея модели M3 показано на рисунке 5 (c) для двух случаев эффективной теплопроводности.Аналогичная тенденция, как на рисунке 5 (а), наблюдается и для модели M3. То есть скорость теплопередачи увеличивается с концентрацией наночастицы для всех значений числа Рэлея. На рисунке 5 (d) показано среднее число Нуссельта модели M4 для двух случаев эффективной теплопроводности наножидкости. При увеличении объемной концентрации частиц скорость теплопередачи уменьшается для всех значений числа Рэлея в случае A. Однако скорость теплопередачи увеличивается для случая B и уменьшается для всех других значений числа Рэлея в случае B.Поскольку эффективная теплопроводность очень высока, в этом случае мы получаем улучшение теплопередачи.

Разница между эффективной динамической вязкостью наножидкости с использованием четырех различных моделей играет здесь важную роль, так что кривые среднего числа Нуссельта, показанные на рисунке 5, демонстрируют тенденцию к увеличению или уменьшению с концентрацией наночастиц. Некоторые модели, использованные в исследовании, не обеспечивали увеличения скорости теплопередачи, что противоречит результатам опубликованной в литературе работы [8] относительно эффективности теплопередачи при использовании наножидкости для естественной конвекции в закрытых помещениях.Чтобы определить эффективность теплопередачи наножидкости, отношение коэффициента теплопередачи строится в зависимости от числа Рэлея для различных объемных долей наночастиц с различными моделями на рисунках 6 (a) –6 (d). Модели M1 и M3 обеспечивают улучшение теплопередачи для всех значений числа Рэлея и двух случаев теплопроводности. Коэффициент теплопередачи всегда выше единицы для моделей M1 и M3, что хорошо видно на рисунках 6 (a) и 6 (c). В модели M2 коэффициент теплопередачи выше единицы для случая B и ниже единицы, за исключением случая A; см. рисунок 6 (b).Коэффициент теплоотдачи при фиксированной объемной концентрации наночастиц резко падает во всех моделях, а затем увеличивается; это, .

Рассматривая случай A, то есть формулу Максвелла для эффективной теплопроводности наножидкости, модели вязкости M1 и M3 обеспечивают улучшение скорости теплопередачи для всех значений числа Рэлея. Модели M2 и M4 обеспечивают повышение скорости теплопередачи для низких значений числа Рэлея и снижение скорости теплопередачи для.Среднее число Нуссельта для наножидкости с объемной концентрацией 4% для модели M1 увеличивается на 6,4% и 9,7% для и, соответственно, по сравнению с базовой жидкостью. Скорость теплопередачи наножидкости с объемной концентрацией 4% для модели M2 случая A снижается на 2,1% и увеличивается на 6,9% для и, соответственно, по сравнению с базовой жидкостью. Модель M3 для наножидкости с объемной концентрацией 4% обеспечивает повышение скорости теплопередачи примерно на 6,3% и 9,6% для и, соответственно, по сравнению с базовой жидкостью.В случае B, то есть корреляция Пака и Чо для эффективной теплопроводности наножидкости, модели вязкости M1, M2 и M3 обеспечивают повышение скорости теплопередачи для всех значений числа Рэлея, а модель M4 обеспечивает повышение скорости теплопередачи для низких значений. числа Рэлея и уменьшает скорость теплоотдачи при. Среднее число Нуссельта наножидкости с объемной концентрацией 4% для моделей M1, M2 и M3 увеличивается на 18,35%, 8,85% и 18,28% для и увеличивается на 25,4%, 22.6% и 25,4% соответственно по сравнению с базовой жидкостью. Скорость теплопередачи наножидкости с объемной концентрацией 4% для модели M4 снижается на 14,5% и увеличивается на 18,6% для и, соответственно, по сравнению с базовой жидкостью.

Из этих результатов можно сделать вывод, что теоретические модели всегда улучшают скорость теплопередачи с увеличением объемной концентрации наночастиц для всех значений числа Рэлея. Однако модели, основанные на экспериментальных данных, не дали общих результатов с увеличением объемной концентрации наночастиц для всех значений числа Рэлея.Некоторые модели, основанные на экспериментальных данных, дают улучшение теплопередачи, а скорость теплопередачи уменьшается при увеличении объемной концентрации наночастиц в некоторых моделях, основанных на экспериментальных данных. В настоящем исследовании корреляция Майги и др. Для вязкости обеспечивает улучшение теплопередачи с помощью модели теплопроводности Пака и Чо для всех значений числа Рэлея. Однако та же модель не улучшает теплопередачу по сравнению с моделью теплопроводности Максвелла для высоких значений числа Рэлея.Также установлено, что скорость теплопередачи уменьшается с увеличением объемной концентрации с использованием корреляции вязкости Пака и Чо для всех случаев моделей теплопроводности. Поэтому трудно предсказать, увеличивается или уменьшается скорость теплопередачи при увеличении объемной концентрации наночастиц, используя модели, основанные на экспериментальных данных. Следовательно, необходимы дальнейшие экспериментальные исследования, чтобы прояснить эту тенденцию, так как скорость теплопередачи увеличивается или уменьшается с увеличением объемной концентрации наночастиц.Средняя скорость теплопередачи через полость увеличивается или уменьшается по сравнению с базовой жидкостью в зависимости от рассматриваемых моделей.

5. Выводы

Численно исследовано влияние эффективной вязкости и теплопроводности наножидкости на естественную конвекцию в квадратной полости с линейно изменяющейся горячей стенкой. Следующие выводы сделаны из настоящего исследования. Линейно изменяющаяся горячая стенка дает более низкую среднюю скорость теплопередачи, чем случай изотермической стенки, и разница увеличивается с увеличением числа Рэлея.Обнаружено небольшое изменение температурного поля между двумя моделями теплопроводности наножидкостей при увеличении объемной доли наночастиц. При увеличении объемной доли наножидкости скорость теплопередачи увеличивается для моделей M1 и M3. Скорость теплопередачи уменьшается для модели M4 при увеличении объемной доли наночастицы. Различие между моделями эффективной динамической вязкости наножидкости играет здесь важную роль, так как среднее число Нуссельта демонстрирует тенденцию к увеличению или уменьшению с концентрацией наночастиц.Установлено, что скорость теплопередачи увеличивается с увеличением значения числа Рэлея для всех моделей вязкости и теплопроводности наножидкости. Коэффициент теплопередачи для фиксированной объемной концентрации наночастиц резко падает во всех моделях и увеличивается выше. Средняя скорость теплопередачи через полость увеличивается или уменьшается по сравнению с базовой жидкостью в зависимости от рассматриваемых моделей. Поскольку трудно предсказать, увеличивается или уменьшается скорость теплопередачи при увеличении объемной концентрации наночастиц, используя модели, основанные на экспериментальных данных, необходимы дальнейшие исследования, чтобы прояснить эту тенденцию.

Номенклатура

Компоненты с

: Удельная теплоемкость, Дж / кг K
: Ускорение под действием силы тяжести,
: Высота корпуса, м : Thermal

электропроводность, Вт / мК
: Длина корпуса, м
: Местный номер Нуссельта
: Среднее число Нуссельта
:

: Давление, Па
: Число Рэлея,
: Безразмерная температура,
: Время, с 64
: Безразмерные компоненты скорости.

Греческие символы

: Температуропроводность, Вт / м · К
: Объемный коэффициент теплового расширения 9066, 1/K 64: 9065

nanofluid
: Динамическая вязкость, Па / с
: Кинематическая вязкость,
: Плотность,
:

9 906 Безразмерное время 906 , ° С.

Нижние индексы

: Холодная стенка
: Эффективная
:

906 906 906 906 906 906 906 Горячая стена

Наножидкость
: Наночастицы.

Надстрочные символы

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку со стороны MOHE, UTM-Flagship Research Grant, Vote no. 01G40, Центр управления исследованиями (RMC), Universiti Teknologi Malaysia, Джохор-Бару, Малайзия, за завершение этой исследовательской работы, а авторы (М. Бхуванесвари и Пообалан Ганесан) благодарны за поддержку из гранта MOHE High Impact Research Grant (UM.C. / HIR / MOHE / ENG / 20), Малайский университет, Малайзия.

Методы теплопередачи | Безграничная физика

Проводимость — это передача тепла посредством физического контакта.

Цели обучения

Оценить, почему определенные характеристики необходимы для эффективного проведения.

Основные выводы

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
  • В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии.
  • Проводимость — это наиболее важная форма передачи тепла внутри твердого объекта или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте.
  • Проводимость наиболее важна в твердых телах и меньше в жидкостях и газах из-за наличия пространства между молекулами.
  • Скорость теплопередачи за счет теплопроводности зависит от разницы температур, размера области контакта, толщины материала и тепловых свойств материалов, находящихся в контакте.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ
  • теплопроводность : мера способности материала проводить тепло

Проводимость

Проводимость — это передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте.(Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое от электрической плиты на дно кастрюли, является примером теплопроводности.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. Например, температура подушки в вашей комнате может быть такой же, как у металлической дверной ручки, но дверная ручка на ощупь холоднее. В целом, хорошие проводники электричества (металлы, такие как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) являются плохими проводниками тепла.

Описание проводимости под микроскопом

В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии. Тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы колеблются друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Электропроводность является наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость выше в твердых телах, потому что сеть относительно близких фиксированных пространственных отношений между атомами помогает передавать энергию между ними посредством вибрации.

Жидкости и газы обладают меньшей проводимостью, чем твердые тела. Это связано с большим расстоянием между атомами в жидкости или (особенно) в газе: меньшее количество столкновений между атомами означает меньшую проводимость.

Микроскопическая иллюстрация проводимости : Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из областей с высокой температурой в области с низкой температурой. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию перед столкновением, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.Напротив, молекула в области более высоких температур (слева) имеет высокую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

(Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две молекулы сталкиваются, происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной (см. Рисунок выше). Кумулятивный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному телу. Таким образом, тепловой поток зависит от разницы температур [латекс] \ text {T} = \ text {T} _ \ text {hot} — \ text {T} _ \ text {cold} [/ latex].Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. Благодаря тому, что количество столкновений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если прикоснуться ладонью к холодной стене, рука остынет быстрее, чем при прикосновении к ней кончиком пальца.

Факторы, влияющие на скорость теплопроводности

Помимо температуры и площади поперечного сечения, еще одним фактором, влияющим на проводимость, является толщина материала, через который передается тепло.Передача тепла с левой стороны на правую осуществляется серией столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Если ночью вам станет холодно, вы можете взять более толстое одеяло, чтобы согреться.

Влияние толщины на теплопроводность : Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой. Температура материала: [латекс] \ text {T} _2 [/ latex] слева и [латекс] \ text {T} _1 [/ latex] справа, где [latex] \ text {T} _2 [/ latex] больше, чем [latex] \ text {T} _1 [/ latex].Скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности [латекс] \ text {A} [/ latex], разности температур [латекс] \ text {T} _2− \ text {T} _1 [/ latex] , и проводимость вещества [латекс] \ text {k} [/ latex]. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине [латекса] \ text {d} [/ latex].

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, выведенное из экспериментов и подтвержденное экспериментами.Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как та, что на рисунке выше, определяется как [latex] \ frac {\ text {Q}} {\ text {t}} = \ frac {\ text {kA } (\ text {T} _2− \ text {T} _1)} {\ text {d}} [/ latex] где [latex] \ text {Q} / \ text {t} [/ latex] — это скорость теплопередачи в Джоулях в секунду (Вт), [латекс] \ text {k} [/ latex] — теплопроводность материала, [латекс] \ text {A} [/ latex] и [латекс] \ text { d} [/ latex] — это его площадь поверхности и толщина, а [latex] \ left (\ text {T} _2− \ text {T} _1 \ right) [/ latex] — это разница температур на плите.

Конвекция — это передача тепла за счет макроскопического движения жидкости, например двигателя автомобиля, охлаждаемого водой в системе охлаждения.

Цели обучения

Проиллюстрируйте механизмы конвекции с фазовым переходом

Основные выводы

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
  • Конвекция вызывается крупномасштабным потоком вещества в жидкостях. Твердые тела не могут переносить тепло за счет конвекции.
  • Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с увеличением температуры.Этот принцип одинаково применим к любой жидкости.
  • Конвекция может передавать тепло намного эффективнее, чем теплопроводность. Воздух — плохой проводник и хороший изолятор, если пространство достаточно мало для предотвращения конвекции.
  • Конвекция часто сопровождает фазовые изменения, например, когда пот испаряется с вашего тела. Этот массовый поток во время конвекции позволяет людям охладиться, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ

естественная конвекция : Способ переноса тепла.Жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается вверх. Окружающая, более холодная жидкость затем перемещается, чтобы заменить ее. Затем эта более холодная жидкость нагревается, и процесс продолжается, образуя конвекционный поток.

положительная обратная связь : контур обратной связи, в котором выходной сигнал системы усиливается с чистым положительным усилением каждый цикл.

Пример

Расчет теплопередачи конвекцией: конвекция воздуха через стены дома.

Большинство домов не герметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через щели и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее.Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час.

Предположим, что дом среднего размера имеет внутренние размеры 12,0 × 18,0 × 3,00 м в высоту, и что весь воздух заменяется за 30,0 мин. Рассчитайте теплопередачу в ваттах за единицу времени, необходимую для нагрева входящего холодного воздуха на 10,0 ºC, заменяя тем самым тепло, передаваемое только конвекцией.

Стратегия:

Тепло используется для повышения температуры воздуха так, чтобы [латекс] \ text {Q} = \ text {mc} \ Delta \ text {T} [/ latex].Скорость теплопередачи тогда равна [латекс] \ text {Q} / \ text {t} [/ latex], где [латекс] \ text {t} [/ latex] — это время оборота воздуха. Нам дано, что [латекс] \ Delta \ text {T} [/ latex] составляет 10,0ºC, но мы все равно должны найти значения массы воздуха и его удельной теплоемкости, прежде чем мы сможем вычислить [латекс] \ text {Q} [ /латекс]. Удельная теплоемкость воздуха — это средневзвешенное значение удельной теплоты азота и кислорода, которое составляет [латекс] \ text {c} = \ text {cp} \ cong1000 \ text {J} / \ text {kg} \ cdot \ текст {C} [/ latex] (обратите внимание, что для этого процесса необходимо использовать удельную теплоемкость при постоянном давлении).6 \ text {J}} {1800 \ text {s}} = 4,64 \ text {кВт} [/ latex].

Эта скорость передачи тепла равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью лампочками мощностью 100 Вт.

Новые дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не 30 минут для дома в этом примере. Обычно используются погодоустойчивые уплотнения, уплотнения и улучшенные оконные уплотнения. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более крайние меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха.Еще более продолжительное время оборота вредно для здоровья, потому что требуется минимальное количество свежего воздуха для подачи кислорода для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей. Термин, используемый для процесса проникновения наружного воздуха в дом из трещин вокруг окон, дверей и фундамента, называется «проникновение воздуха».

Конвекция

Конвекция (проиллюстрирована на) — это согласованное коллективное движение ансамблей молекул в жидкостях (например, жидкостях, газах). Конвекция массы не может происходить в твердых телах, поскольку в твердых телах не может происходить ни объемного течения, ни значительной диффузии.Вместо этого диффузия тепла в твердых телах называется теплопроводностью, которую мы только что рассмотрели.

Конвекционные камеры : Конвекционные камеры в гравитационном поле.

Конвекция вызывается крупномасштабным потоком вещества. В случае с Землей атмосферная циркуляция вызвана потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам. (Обратите внимание, что вращение Земли вызывает изменение направления воздушного потока в зависимости от широты.). Примером конвекции является автомобильный двигатель, охлаждаемый потоком воды в системе охлаждения, а водяной насос поддерживает поток холодной воды к поршням.

Хотя конвекция обычно сложнее, чем проводимость, мы можем описать конвекцию и выполнить несколько простых, реалистичных расчетов ее эффектов. Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с увеличением температуры. Этот принцип одинаково применим к любой жидкости.Например, таким образом поддерживается теплая кастрюля с водой на плите; океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую.

Конвекция в горшке с водой : Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого резервуара с водой. Попадая внутрь, передача тепла другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается плотность и поднимается, передавая тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно.Этот процесс повторяется.

Конвекция и изоляция

Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Например, расстояние между внутренней и внешней стенами дома составляет около 9 см (3,5 дюйма) — достаточно для эффективной работы конвекции. Дополнительная изоляция стен препятствует воздушному потоку, поэтому потери (или приток) тепла снижаются.Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь. Мех, волокна и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, удерживая его в пространствах, слишком маленьких для поддержания конвекции. У животных мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для их защиты.

Конвекция и фазовые изменения

Некоторые интересные явления происходят, когда конвекция сопровождается фазовым переходом.Это позволяет нам охладиться с помощью потоотделения, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Тепло от кожи требуется для испарения пота с кожи, но без воздушного потока воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим и, таким образом, испарение продолжается.

Другой важный пример сочетания фазового перехода и конвекции происходит при испарении воды из океана. При испарении воды тепло уходит из океана.Если водяной пар конденсируется в жидких каплях при образовании облаков, тепло выделяется в атмосфере (это выделение тепла является скрытой теплотой). Таким образом, происходит общий перенос тепла от океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков — огромных кучевых облаков, которые поднимаются на 20 км в стратосферу. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, высвобождая огромное количество энергии, и эта энергия позволяет воздуху становиться более плавучим (теплее, чем его окружение) и подниматься.По мере того, как воздух продолжает подниматься, происходит все больше конденсации, которая, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Такой механизм называется положительной обратной связью, поскольку процесс усиливается и ускоряется. Эти системы иногда вызывают сильные штормы с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы.

Кучевые облака : Кучевые облака создаются водяным паром, поднимающимся из-за конвекции. Возникновение облаков происходит за счет механизма положительной обратной связи.

Излучение

Излучение — это передача тепла посредством электромагнитной энергии

Цели обучения

Объясните, как энергия электромагнитного излучения соответствует длине волны

.

Основные выводы

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
  • Энергия электромагнитного излучения зависит от длины волны (цвета) и варьируется в широком диапазоне: меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии.
  • Все объекты излучают и поглощают электромагнитную энергию.Цвет объекта связан с его излучательной способностью или его эффективностью излучения энергии. Черный — самый эффективный, а белый — наименее эффективный ([латекс] \ text {e} = 1 [/ latex] и [latex] \ text {e} = 0 [/ latex], соответственно).
  • Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение. 4 [/ latex] где [латекс] \ сигма = 5.{4}} [/ latex] — постоянная Стефана-Больцмана, [latex] \ text {A} [/ latex] — это площадь поверхности объекта, а [latex] \ text {T} [/ latex] — это его абсолютная температура в кельвинах.
  • Чистая скорость теплопередачи зависит от температуры объекта и температуры его окружения. Чем больше разница, тем выше чистый тепловой поток.
  • Температура объекта очень важна, потому что испускаемое излучение пропорционально этой величине в четвертой степени.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ
  • черное тело : Теоретическое тело, аппроксимированное дырой в полой черной сфере, которое поглощает все падающее электромагнитное излучение и не отражает его; он имеет характерный спектр излучения.
  • излучательная способность : способность поверхности излучать энергию, обычно измеряемая на определенной длине волны.

Радиация

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня или солнца. Тем не менее, пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности.Точно так же вы можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее и не заглядывая внутрь — она ​​просто согревает вас, когда вы проходите мимо.

В этих примерах тепло передается за счет излучения. Горячее тело излучает электромагнитные волны, которые поглощаются нашей кожей, и для их распространения не требуется никакой среды. Мы используем разные названия для электромагнитных волн разной длины: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Излучение от огня : Большая часть тепла от этого огня передается наблюдателям через инфракрасное излучение.Видимый свет, хотя и впечатляющий, передает относительно мало тепловой энергии. Конвекция отводит энергию от наблюдателей по мере подъема горячего воздуха, в то время как здесь проводимость пренебрежимо мала. Кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, поэтому вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него.

Энергия электромагнитного излучения зависит от его длины волны (цвета) и изменяется в широком диапазоне; меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии.Мы можем записать это как:

[латекс] \ text {E} = \ text {hf} = \ frac {\ text {hc}} {\ lambda} [/ latex]

где [latex] \ text {E} [/ latex] — энергия, [latex] \ text {f} [/ latex] — частота, [latex] \ lambda [/ latex] — длина волны, а [latex] ] \ text {h} [/ latex] — это константа.

Поскольку при более высоких температурах излучается больше тепла, изменение температуры сопровождается изменением цвета. Например, электрический элемент в печи светится от красного до оранжевого цвета, а высокотемпературная сталь в доменной печи светится от желтого до белого.Ощущаемое вами излучение в основном инфракрасное, которое еще ниже по температуре.

Излучаемая энергия зависит от ее интенсивности, которая представлена ​​высотой распределения.

Спектр излучения: (а) График спектров электромагнитных волн, испускаемых идеальным излучателем при трех различных температурах. Интенсивность или скорость излучения излучения резко возрастает с температурой, и спектр смещается в сторону видимой и ультрафиолетовой частей спектра.Заштрихованная часть обозначает видимую часть спектра. Очевидно, что сдвиг в сторону ультрафиолета с температурой приводит к смещению видимого внешнего вида от красного к белому и к синему при повышении температуры. (b) Обратите внимание на изменения цвета, соответствующие изменениям температуры пламени.

Теплопередача

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение. Скорость передачи тепла излучением во многом определяется цветом объекта. Черный наиболее эффективен, а белый — наименее.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет жарче, чем прилегающий серый тротуар в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем серый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем серый. Таким образом, ясной летней ночью асфальт будет холоднее серого тротуара, потому что черный цвет излучает энергию быстрее, чем серый.

Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение.Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает все излучение. (Идеальная, полированная белая поверхность выглядит как зеркало, а растрескавшееся зеркало выглядит белым.)

Существует умная связь между температурой идеального излучателя и длиной волны, на которой он излучает больше всего излучения. Он называется законом смещения Вина и дается по формуле:

[латекс] \ lambda_max \ text {T} = \ text {b} [/ latex]

где [латекс] \ text {b} [/ latex] — константа, равная [латексу] 2.{-3} \ text {m} \ cdot \ text {K} [/ latex].

Серые объекты обладают одинаковой способностью поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя аналогичным, но более сложным образом, что придает им определенный цвет в видимом диапазоне и может сделать их особенными в других диапазонах невидимого спектра. Возьмем, к примеру, сильное поглощение кожей инфракрасного излучения, которое позволяет нам быть очень чувствительными к нему.

Хорошие и плохие радиаторы : черный объект — хороший поглотитель и хороший радиатор, а белый (или серебристый) предмет — плохой поглотитель и плохой радиатор.{4}} [/ latex] — постоянная Стефана-Больцмана, A — площадь поверхности объекта, а T — его абсолютная температура в градусах Кельвина. Символ e обозначает коэффициент излучения объекта, который является мерой того, насколько хорошо он излучает. Идеальный черный (или черное тело) излучатель имеет [латекс] \ text {e} = 1 [/ latex], тогда как идеальный отражатель имеет [латекс] \ text {e} = 0 [/ latex]. Реальные объекты находятся между этими двумя значениями. Например, нити вольфрамовых лампочек имеют [латекс] \ text {e} [/ latex] около 0,5, а углеродная сажа (материал, используемый в тонере для принтеров) имеет (самый известный) коэффициент излучения около 0.99.

Уровень излучения прямо пропорционален четвертой степени абсолютной температуры — чрезвычайно сильная температурная зависимость. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности объекта. Если разнести угли костра, произойдет заметное увеличение радиации из-за увеличения площади излучающей поверхности.

Чистая скорость передачи тепла

Чистая скорость передачи тепла излучением (поглощение минус излучение) зависит как от температуры объекта, так и от температуры его окружения.4) [/ латекс]

, где e — коэффициент излучения только объекта. Другими словами, не имеет значения, белое, серое или черное окружение; баланс излучения в объект и из него зависит от того, насколько хорошо он излучает и поглощает излучение. Когда [латекс] \ text {T} _2> \ text {T} _1 [/ latex], количество [latex] \ text {Q} _ \ text {net} / \ text {t} [/ latex] положительно. ; то есть чистая теплопередача идет от более горячих объектов к более холодным объектам.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.