Московський державний будівельний університет
Кафедра Фізики
Курсова робота
з фізики на тему
Теплопровідність. Теплопровідність рідин і газів
Москва 2008 р.
Зміст
Введення
1. Основнийзакон теплопровідності
2. Фізичнийсенс коефіцієнта теплопровідності
3. Теплопровідністьрідин і газів
4. Теплопровідністьгазів
5.Теплопровідність рідини
Висновок
Списоквикористовуваних джерел
Введення
У вченні про теплообміні розглядаються процесипоширення теплоти в твердих, рідких і газоподібних тілах. Ці процеси посвоєю фізико-механічній природі досить різноманітні, відрізняються великоюскладністю і зазвичай розвиваються у вигляді цілого комплексу різнорідних явищ.
Перенесення теплоти може здійснюватися трьома способами:теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням, або радіацією. Ці форми глибокорізні за своєю природою і характеризуються різними законами.
Процес переносу теплоти теплопровідністю відбуваєтьсяміж безпосередньо дотичними тілами або частками тіл з різноютемпературою. Вчення про теплопровідності однорідних і ізотропних тіл спираєтьсяна вельми міцний теоретичний фундамент. Воно засноване на простихкількісних законах і має у своєму розпорядженні добре розробленим математичнимапаратом. Теплопровідність являє собою, згідно з поглядами сучасноїфізики, молекулярний процес передачі теплоти.
Відомо, що при нагріванні тіла кінетичнаенергія його молекул зростає. Частинки більш нагрітої частини тіла, стикаючисьпри своєму безладному русі з сусідніми частинками, повідомляють їм частину своєїкінетичної енергії. Цей процес поступово поширюється по всьому тілу.Перенесення теплоти теплопровідністю залежить від фізичних властивостей тіла, від йогогеометричних розмірах, а також від різниці температур між різнимичастинами тіла. При визначенні переносу теплоти теплопровідністю в реальнихтілах зустрічаються відомі труднощі, які на практиці дотеперзадовільно не вирішені. Ці труднощі полягають у тому, що теплові процесирозвиваються в неоднорідному середовищі, властивості якої залежать від температури ізмінюються за обсягом.
1. Основний закон теплопровідності
Для поширення теплоти в будь-якому тілі абопросторі необхідна наявність різниці температур в різних точках тіла.Ця умова відноситься і до передачі теплоти теплопровідністю, при якійградієнт температури в різних точках тіла не повинен бути рівний нулю.
Зв'язок між кількістю теплоти, що проходить за проміжокчасу через елементарнумайданчик dS, розташовану на ізотермічноїповерхні, і градієнтом температури встановлюється гіпотезою Фур'є, згідноякої
. (2.1)
Мінус в правій частині показує, що в напрямітеплового потоку температура убуває і grad T є величиною від'ємною.Коефіцієнт пропорційності називаєтьсякоефіцієнтом теплопровідності або більш коротко теплопровідністю.Справедливість гіпотези Фур'є підтверджено численними дослідними даними,тому ця гіпотеза в даний час носить назву основного рівняннятеплопровідності або закону Фур'є.
Відношення кількості теплоти, що проходить череззадану поверхню, до часу називають тепловим потоком. Тепловий потікпозначають q і виражають у ватах (Вт):
. (2.2)
Якщо відноснезміна температури Т на відстані середньої довжини вільного пробігу частинок l мало, то виконується основний законтеплопровідності (закон Фур'є): щільність теплового потоку q пропорційна градієнтутемператури grad T, тобто
(2.3)
(де - коефіцієнт теплопровідностіабо просто теплопровідності) Відношення теплового потоку dq через малий елемент поверхні доплощі dS цієї поверхні називаютьповерхневою щільністю теплового потоку (або вектором щільності тепловогопотоку), позначають j і виражають вватах на квадратний метр (Вт/м 2 ):
. (2.4)
Вектор щільності теплового потоку спрямований понормалі до поверхні в бік зменшення температури. Вектори jі grad Tлежать на одній прямій, але направлені в протилежні сторони.
Тепловий потік q, що пройшовкрізь довільну поверхню S, знаходять із виразу
. (2.5)
Кількість теплоти, що пройшло через цю поверхню вПротягом часу t, визначається інтегралом
. (2.6)
Таким чином, для визначення кількості теплоти,проходить через будь-яку довільну поверхню твердого тіла, необхіднознати температурне поле всередині розглядуваного тіла. Знаходженнятемпературного поля і становить основне завдання аналітичної теоріїтеплопровідності.
2. Фізичний сенс коефіцієнта теплопровідності
Згадаємо ще раз, що основним законом передачі теплатеплопровідністю є закон Фур'є. Згідно з цим законом кількість теплаdQ, передане у вигляді теплопровідності через елемент поверхні dF,перпендикулярний тепловому потоку, за час dtпрямопропорційно температурному градієнту В¶ t/В¶ n, поверхні dF і часу dt:
(3.1)
Коефіцієнт пропорційності l називається коефіцієнтом теплопровідності,при вираженні Q в ккал/ч:
Таким чином, коефіцієнт теплопровідності l показує, яка кількість тепла проходитьвнаслідок теплопровідності в одиницю часу
через одиницю поверхні теплообміну при падіннітемператури на 1 град на одиницю довжини нормалі до ізотермічної поверхні.
Коефіцієнти теплопровідності l суцільних однорідних середовищ залежать від фізико-хімічних властивостейречовини (структура речовини, його природа). Значення теплопровідності длябагатьох речовин табульованого і можуть бути легко знайдені в довідковій літературі.
Значення коефіцієнта теплопровідності для деяких газів, рідині твердих тіл при атмосферному тиску, залежитьвід агрегатного стану речовини (див. табл . ), його атомно-молекулярногобудови, температури і тиску, складу (в разі суміші або розчину)і т. д.].
Речовина
t,
, вт/(мК)
Гази
Водень
Гелій
Кисень
Азот
Метали
Срібло
Мідь
Залізо
Олово
Рідини
Ртуть
Вода
Ацетон
Бензол
0
0
0
-3
0
0
0
0
0
20
16
22,5
0,1765
0,1411
0,0237
0,0226
403
86,5
68,2
35,6
0,190
0,167
0,158
6,9
3. Теплопровідність рідин і газів
Теплопровідність , один з видів переносу теплоти (енергії теплового руху мікрочастинок) відбільш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, що приводить до вирівнюваннятемператури. При теплопровідності перенесення енергії в тілі здійснюється вВнаслідок безпосередньої передачі енергії від частинок (молекул, атомів,електронів), що володіють більшою енергією, часткам з меншою енергією.
Відхилення від закону Фур'є можуть з'явитися при дужевеликих значеннях grad T (наприклад, в сильних ударних хвилях), при низькихтемпературах (для рідкого гелію Не) і при високих температурах порядку десятківі сотень тисяч градусів, коли в газах перенесення енергії здійснюється не тількив результаті міжатомних зіткнень, але в основному за рахунок випромінювання (променистатеплопровідність). У розріджених газах, коли l порівнянно з відстанню L міжстінками, що обмежують обсяг газу, молекули частіше стикаються із стінками,ніж між собою. При цьому порушується умова застосовності закону Фур'є, і самепоняття локальної температури газу втрачає сенс. У цьому випадку розглядають непроцес теплопровідності в газі, а теплообмін між тіл...
