TổNG QUAN Về TRUYềN NHIệT
Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng khi các vật hoặc các phần của cùng một vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau
Hiện tượng dẫn nhiệt liên quan đến chuyển động vi mô của vật chất, với sự truyền năng lượng trong chất khí diễn ra qua khuếch tán phân tử và nguyên tử Trong chất lỏng và chất cách điện, năng lượng được truyền nhờ tác dụng của sóng đàn hồi, trong khi ở kim loại, quá trình này chủ yếu do khuếch tán các điện tử tự do Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thiết lập đầu tiên bởi Biot dựa trên quan sát thực nghiệm, nhưng sau này được biết đến với tên của nhà toán lý Joseph Fourier, người đã áp dụng các kết quả này vào phân tích lý thuyết về nhiệt.
Quá trình trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt diễn ra theo định luật rằng mật độ dòng nhiệt truyền qua tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt độ trong phương đó.
Ví dụ dòng nhiệt theo ph-ơng x, định luật Fourier thể hiện nh- sau: x
(1.2) Trong đó: Q x - Dòng nhiệt truyền qua diện tích F (J/s) q x - Mật độ dòng nhiệt (W/m 2 )
F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt qua (m 2 )
Quy tắc chiều dương của gradient nhiệt độ xác định rằng chiều tăng của nhiệt độ là từ thấp đến cao, trong khi vecto mật độ dòng nhiệt luôn di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp, do đó có dấu “-” trong phương trình.
Hệ số tỷ lệ trong phương trình (1.1) được xác định qua thực nghiệm, là một thông số vật lý quan trọng của vật liệu đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt, được gọi là hệ số dẫn nhiệt.
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chịu ảnh hưởng bởi áp suất và nhiệt độ, và được xác định thông qua các phương pháp thực nghiệm Trong các thí nghiệm, việc xác định hệ số này thường được thực hiện bằng cách đo lường chính xác các điều kiện môi trường.
5 định mật độ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ thì hệ số dẫn nhiệt sẽ đ-ợc tìm theo công thức: gradt
Từ (1.3) ta thấy hệ số dẫn nhiệt về trị số bằng nhiệt l-ợng truyền qua 1 đơn vị thời gian khi gradient nhiệt độ bằng 1
Trong đó: 0 - hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 0 0 C b - hằng số xác định bằng thực nghiệm
Trong tính toán thực tế, hệ số dẫn nhiệt có thể được coi là hằng số tại nhiệt độ trung bình giữa hai đầu Conrachiep đã chứng minh rằng phương pháp thay thế này áp dụng đúng cho mọi hình dạng vật thể trong trường hợp dẫn nhiệt ổn định.
* Hệ số dẫn nhiệt của vật rắn
Sự truyền nhiệt trong kim loại và hợp kim chủ yếu diễn ra qua các điện tử tự do, trong khi dao động của các nguyên tử không đáng kể Chuyển động của điện tử từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp giúp cân bằng nhiệt độ trong kim loại Khi nhiệt độ tăng, sự hỗn loạn của điện tử tự do cũng tăng, dẫn đến hệ số dẫn nhiệt và dẫn điện giảm xuống Do điện tử tự do đóng vai trò trong cả hai quá trình, hệ số dẫn nhiệt và dẫn điện có mối quan hệ tỷ lệ thuận với nhau.
Khi kim loại chứa tạp chất, hệ số dẫn nhiệt của nó giảm nhanh chóng Nguyên nhân là do sự gia tăng tính hỗn loạn trong cấu trúc, dẫn đến sự phân tán cao hơn của các điện tử tự do.
Hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu thay đổi theo nhiệt độ, với đa số kim loại nguyên chất có xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng Ngược lại, đối với chất khí và vật liệu cách điện, hệ số dẫn nhiệt lại tăng khi nhiệt độ tăng.
Hệ số dẫn nhiệt của các vật rắn cách điện thường tăng khi nhiệt độ tăng Điều này phụ thuộc vào cấu trúc, độ xốp và độ ẩm của vật liệu Khi khối lượng riêng của vật liệu tăng, hệ số dẫn nhiệt cũng sẽ tăng theo.
Trao đổi nhiệt bằng đối l-u
Khi chất lỏng di chuyển qua bề mặt vật rắn với sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt (t_w) và môi trường chất lỏng (t_f), sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt và chất lỏng, được gọi là quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu.
Sự truyền nhiệt trong trường hợp này xảy ra do sự chuyển động tương đối giữa bề mặt và chất lỏng, kết hợp với sự chênh lệch nhiệt độ.
Hình 1.2 Quá trình trao đổi nhiệt bằng đối l-u
Nếu sự chuyển dịch chất lỏng được tạo ra nhân tạo, chẳng hạn như thông qua bơm quạt hay máy nén, thì quá trình trao đổi nhiệt sẽ được gọi là trao đổi nhiệt cưỡng bức.
Sự chuyển động của chất lỏng do lực nâng gây ra, xuất phát từ sự chênh lệch khối lượng riêng, được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự do Quá trình này có tính chất phức tạp và đa dạng.
Trong kỹ thuật, để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối l-u ng-ời ta th-ờng dùng công thức:
Q F(t w t f ) (1.5) (1.5) đ-ợc gọi là Định luật làm lạnh của Newton
– c-ờng độ dòng trao đổi nhiệt đối l-u (W/m 2 độ)
F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 ) t w – nhiệt độ bề mặt vật rắn (K) t f – nhiệt độ trung bình chất lỏng (K).
Trao đổi nhiệt bức xạ
Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau được đặt cách xa trong môi trường chân không, sự truyền nhiệt chỉ xảy ra qua bức xạ nhiệt, vì dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt không tồn tại Các vật phát ra năng lượng bức xạ dưới dạng photon theo thuyết Planck Quá trình bức xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ của vật diễn ra đồng thời, với nguồn bức xạ từ bên trong vật và bức xạ từ môi trường xung quanh xâm nhập vào vật Trong nhiều thiết bị kỹ thuật, các tia bức xạ thường bị hấp thụ nhanh chóng trên bề mặt vật, dẫn đến hiện tượng hấp thụ hoặc bức xạ bề mặt Chẳng hạn, trên bề mặt kim loại, quá trình này diễn ra trong khoảng cách chỉ vài phần trăm angstrôm Đối với chất khí, sự bức xạ và hấp thụ diễn ra như một quá trình khối, với các tia bức xạ yếu dần khi xuyên qua khối khí.
Hình 1.3 Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ
Năng lượng bức xạ của một vật tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối lũy thừa bậc 4 Cụ thể, một vật đen, tức là vật hoàn toàn hấp thụ và bức xạ, có diện tích bề mặt F ở nhiệt độ T1, khi được đặt trong một hệ bề mặt khép kín ở nhiệt độ T2, sẽ phát ra năng lượng bức xạ tổng cộng.
F T 1 và hấp thụ năng l-ợng bức xạ tổng cộng F T 2 4 , do vậy năng l-ợng trao đổi của bề mặt với hệ sẽ là:
Q F T T (1.6) ở đây là hằng số Stefan-Boltzmann(=5,6697.10 -8 W/m 2 K 4 )
Nếu hai vật không hoàn toàn đen và bề mặt không bị khép kín với nhau thì năng l-ợng trao đổi giữa hai vật sẽ là:
Hệ số góc (hay hệ số chiếu xạ) được ký hiệu là 12, là một yếu tố hình học quan trọng trong việc xác định sự trao đổi nhiệt giữa hai bề mặt Hệ số này phụ thuộc vào cách bố trí hình học của các bề mặt và luôn có giá trị nhỏ hơn 1 ( 12