Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности. Различают три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
а) Теплопроводность. Теплопроводностью называется процесс передачи тепла от одной частицы тела к другой или от одного тела к другому, когда эти частицы или тела соприкасаются друг с другом. Теплопроводность в металлах осуществляется путем теплового движения электронов, а в остальных случаях — молекул. Теплопроводность характерна для передачи тепла в твердых телах. Необходимым условием теплопроводности является разность температур.
Математически процесс теплопроводности описывается уравнением Фурье
где d2Q—количество тепла, передаваемого в направлении п0 за счет теплопроводности; п0 — единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности, направленный в сторону возрастания температуры; λ — коэффициент теплопроводности материала, через который идет передача тепла; Θ — температура среды; dS — поверхность, через которую передается тепло; dt—время, в течение которого проходит отдача тепла d2Q. Изотермической называется поверхность, все точки которой имеют одинаковую температуру. Величина dΘ/dn называется градиентом температуры и характеризует скорость ее изменения в направлении nо, перпендикулярном площадке dS. Коэффициент теплопроводности λ характеризует количество тепла, проходящего через единицу поверхности за время 1 с при dΘ/dn = 1 ºC x м-1.
б) Конвекция. Конвекцией называется процесс передачи тепла путем перемещения частиц жидкости или газа. При естественной конвекции движение охлаждающего газа или жидкости происходит за счет разницы плотностей нагретых и холодных объемов газа или жидкостей. При искусственной конвекции охлаждающая среда приводится в движение с помощью вентиляторов или насосов.
Количество тепла, Вт, отдаваемого телом за счет конвекции,
где α — коэффициент теплоотдачи при конвекции, определяемый теплом, которое снимается за 1 с с поверхности в 1 м2 при разности температур охлаждаемой поверхности и охлаждающей среды 1 °С, Вт/(м2*ºС); Θ — температура охлаждаемой поверхности, ºС; Θ1 — температура охлаждающей среды, °С; S — охлаждаемая поверхность, м2.
Коэффициент теплоотдачи а является сложной функцией многих факторов, в том числе:
а) температуры, вязкости и плотности охлаждающей среды;
б) формы охлаждаемой поверхности и ее расположения относительно потока охлаждающей среды и ноля тяготения;
в) скорости вынужденного движения охлаждающей среды;
г) температуры охлаждаемой поверхности.
В большинстве случаев значения а определяются эмпирически.
Количество тепла, отводимого за счет конвекции, нелинейно зависит от перепада температур, так как а также представляет собой нелинейную функцию этого перепада.
в) Тепловое излучение. Часть тепла нагретое тело отдает в окружающее пространство путем излучения электромагнитных колебаний (ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей). Этот способ теплоотдачи называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией. Тепло, отдаваемое телом за счет теплового излучения, может быть определено с помощью уравнения Стефана — Больцмана
где Т1 — температура поверхности, окружающей нагретое тело, К; Т2 — температура тела, К (обычно за Т1 принимают температуру окружающей среды); с0=5,7*104 Вт*м-2 х К-4 — излучательная способность абсолютно черного тела; ε— коэффициент теплового излучения .
Таким образом, тепло, отдаваемое телом при тепловом излучении, зависит от разности четвертых степеней абсолютных температур его нагретой поверхности и окружающих его тел.
Суммарное количество тепла, отдаваемое телом всеми видами теплообмена, нелинейно зависит от температуры, что существенно затрудняет тепловые расчеты. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо предварительно оценить интенсивность всех видов теплообмена и вести расчет по тому из них, который преобладает. Например, для длинных шин теплопроводностью можно пренебречь и вести расчет только лучеиспускания и конвекции. Для проводников, погруженных в масло, рассчитывается только случай конвекции.