ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО СТАНУ СИСТЕМ.

ЗАТВЕРДЖУЮ

начальник кафедри

фізико-хімічних основ

розвитку та гасіння пожеж

підполковник служби цивільного захисту

____________В. М. Покалюк

“______”___________ 2016 р.

Дисципліна “Термодинаміка і теплопередача”

ЛЕКЦІЯ

Тема: Основні поняття теплопередачі.

Час: 8 години, з них 2 години лекцій, 4 годин практичних занять, 2 годин самостійна робота.

Тема лекції: № 2.1. Основні поняття теплопередачі.

Навчальна мета: Ознайомити курсантів та студентів з особливістю термодинаміки процесів витікання газів та пари.

Виховна мета: Розвивати у курсантів та студентів вміння аналізувати та узагальнювати отриману інформацію, сприяти формуванню інтересу до даної дисципліни.

Матеріально-методичне забезпечення: презентація, мультимедійний проектор.

Розроблено:

Професор кафедри

к.психол.н., професор М. А. Кришталь

Доцент кафедри

к.т.н., майор служби цивільного захисту О. М. Нуянзін

Лекція обговорена та схвалена на засіданні кафедри

протокол № ___ від «____» _____________ 2016 року

План проведення заняття:

І. Вступна частина.

Викладач приймає рапорт чергового про готовність взводів до лекції, перевіряє зовнішній вигляд курсантів та відмічає у журналі відсутніх, а також перевіряє наявність необхідних документів та засобів.

ІІ. Ознайомлення курсантів з темою та метою лекції.

ІІІ. Викладання навчального матеріалу

Питання:

Вступ

1. Способи теплообміну між теплофізичними системами.

2. Характеристики теплового стану систем.

3. Поняття теплопровідності, коефіцієнт теплопровідності речовин і матеріалів. Закон теплопровідності Фур’є.

ІV. Відповіді на запитання курсантів.

V. Заключна частина (підведення підсумків заняття та видача завдання для самостійної роботи).

Викладач аналізує проведене заняття, чи досягнута поставлена мета заняття.

Завдання для самостійної роботи:

Література

1. Башкирцев М.П. Основи пожарной теплофизики М.Стройиздат-194с.

2. Рябова І.Б., Сайчук І.В.,Шаршанов А.Я., термодинаміка і теплопередача в пожежній справі, Харків-2010-330с.

ВСТУП

Теплопередача – розділ знань, який охоплює закони розповсюдження тепла в просторі і часі.

Метою курсу є вивчення законів передачі теплової енергії, порядок застосування цих законів при розрахунках температурних режимів під час пожежі, температурних полів в елементах будівельних конструкцій, а також розв’язувати задачі по визначенню вогнестійкості будівельних конструкцій та їх елементів.

Місце дисципліни в системі підготовки інженера пожежної безпеки:

1. СПОСОБИ ТЕПЛООБМІНУ МІЖ ТЕПЛОФІЗИЧНИМИ СИСТЕМАМИ.

Передача тепла від одного тіла до іншого (або між частинами одного і того ж тіла) відбувається тільки при наявності різниці температур.В процесі теплової взаємодії тіл, у відповідності з другим законом термодинаміки, теплота вільно передається від точки з більш високою температурою до точки тіла з більш низькою температурою. При вирівнюванні температур теплообмін припиняється.

Закони термодинаміки показують, що в природі існують процеси протікаючи вільно лише в одному напрямку і оборотність таких процесів можлива лише за рахунок витрат енергії.

Існує три основні способи розповсюдження тепла у просторі (рис.1):

1. Теплопровідність

2. Конвекція

3. Випромінювання (променевий теплообмін)

Рис. 1.1

1.1. Теплопровідніст ь - властивість речовин і матеріалів передавати тепло за рахунок взаємодій молекул (атомів) при їх хаотичному русі на відстані, які можуть бути порівняні з їх розмірами.

Теплопровідністю тепло передається в газах, рідинах і твердих тілах.

У твердих тілах передача тепла теплопровідністю ґрунтується на двох механізмах:

- рух електронів (для провідників струму)

- коливний рух атомів (молекул) навколо рівноважного стану (пружні хвилі).Такий механізм передачі притаманний діелектрикам.

У газах і рідинах теплопровідність обумовлена переносом кількості руху за рахунок сил в’язкого тертя.

1.2. Конвекція - процес обміну теплом, який характеризується переносом групи молекул якоїсь рідини або газу, внаслідок зміни густини, в область більш низьких температур. Такий рух відбувається під дією виштовхувальної сили Архімеда. В такому випадку конвекцію називають вільною.

Якщо змішування нагрітих і холодних частин рідини відбувається за рахунок зовнішньої сили, то конвекцію називають вимушеною.

Приклади:

Вільна конвекція:

· Нагрівання молекул повітря від поверхні землі чи води, їх рух у повітряному океані (ранкові та вечірні бризи).

· Нагрівання води у чайнику, повітря в кімнаті від радіаторів опалення (кондиціонери встановлюють високо, біля стелі приміщення, а радіатори опалення ближче до підлоги).

· Язики полум’я утворені конвекційними потоками продуктів згоряння. Без конвекції процес горіння будь-якої речовини може протікати лише завдяки дифузії (подача окисника у зону горіння).

Вимушена конвекція:

· Створюється при охолодженні двигунів внутрішнього згоряння за допомогою водяних насосів (помпа), вентиляторів для обдуву обігрівачів, радіаторів тощо.

· При ліквідації внутрішніх пожеж використовують димососи, які призначені для видалення їдкого, ядовитого диму, та зменшення середньооб’ємної температури в приміщенні.

1.3. Випромінювання (променевий теплообмін)-передача тепла за допомогою електромагнітних хвиль, яка відбувається в три етапи:

1. Народження електромагнітних хвиль в результаті прискореного руху заряджених частинок речовини.

2. Поширення хвиль у просторі (хвилі переносять енергію)

3. Поглинання електромагнітних хвиль поверхнями речовин, на які вони потрапляють.

Приклади:

· Теплообмін між Сонцем і планетами сонячної системи. Сонячні промені попадаючи крізь прозорі вікна в кімнату нагрівають різні предмети від яких нагрівається повітря в кімнаті.

· Підходячи близько до вогнища відчуваємо тепло на обличчі і руках.

· Тепло що випромінює лампа накалювання.

· При пожежах, коли температура сягає 800^оС і вище, близько 80% тепла, що виділяється, передається випромінюванням.

· Деякі тварини здатні бачити теплові (інфрачервоні) промені, що дозволяє їм орієнтуватись та знаходити здобич у ночі. Це повянано з тим, що протягом дня різні тіла накопичують тепло, яке у нічний час віддають оточуючому середовищу з різною інтенсивністю. Живі істоти, на відміну від інших тіл, зберігають температуру сталою, тому постійно випромінюють у навколишнє середовище енергію певної потужності. На цьому принципі працюють прилади нічного бачення та тепловізори.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО СТАНУ СИСТЕМ.

2.1 Показники інтенсивності теплового обміну.

· Загальна кількість переданого тепла.

Рис.1.2 Зображення теплової взаємодії між системами.

· Тепловий потік – кількість тепла, що передається за одиницю часу.

Ця величина характеризується напрямком, тобто є векторною, і завжди напрямлена в сторону поширення тепла.

(1.1)

- час в секундах

 

 

Рис.1.3 Зображення теплового потоку.

 

· Густина теплового потоку - це тепловий потік, що припадає на одиницю площі.

(1.2)

 

де F- площа поверхні в м²

Також величина векторна і напрямлена так само як і тепловий потік.

 

 

Рис.1.4 Зображення, що до визначення

густини теплового потоку.

 

2.2 Характеристики теплового стану системи.

· Температура

Температура є показником стану системи, який визначає напрямок і інтенсивність її теплообміну з іншими системами.

Мірою температури тіла є середня кінетична енергія руху його молекул.

Рис.1.5 Зображення напрямку передачі тепла.

 

Якщо ,то різниця температур вказує на теплообмін і його напрям.

· Температурне поле.

· Ізотермічні поверхні.

· Поле градієнтів температур.

Температурне поле -це сукупність значень температур у всіх точках тіла в даний момент часу

Температура є функцією координат та часу

Рис.1.6 Зображення залежності температури від координат та часу.

 

Поверхні які утворені точками, що мають однакову температуру називають ізотермічними поверхнями.

Рис.1.7 Зображення ізотермічних поверхонь.

 

Ізотермічні поверхні не перетинаються, інакше точкам перетину одночасно відповідали різні температури, чого бути не може.

· Градієнт температури в точці.

Нерівномірність розподілення температури в тілі характеризується температурним градієнтом.

Температурним градієнтом називають відношення зміни температури до відстані по нормалі між двома сусідніми ізотермічними поверхнями, коли ця відстань прямує до нуля.

Рис. 1.8 Схема представлення градієнта температури.

 

(1.3)

Градієнт– величина векторна і по фізичному змісту являє собою приріст температури в градусах на одиницю довжини відстані між ізотермічними поверхнями по нормалі.

· Поле градієнтів температур

Сукупність значень температурних градієнтів в різних точках температурного поля в певний момент часу утворюють поле градієнтів температур

Рис. 1.9 Зображення векторного поля градієнта температур.

3. ПОНЯТТЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ, КОЕФІЦІЄНТ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ РЕЧОВИН І МАТЕРІАЛІВ. ЗАКОН ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ФУР’Є.

Закон Фур’є – основний закон теплопровідності пов’язує між собою вектор густини теплового потоку q і температурний градієнт grad t.

Формулюється цей закон слідуючим чином: Густина теплового потоку прямо пропорційна температурному градієнту.

q=- grad t,

де - коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом теплопровідності. . Вектор q направлений вздовж нормалі до ізотермічної поверхні в сторону зменшення температури, а вектор температурного градієнта в протилежну сторону, тобто в напрямку зростання температури. Ця обставина враховується в залежності знаком „мінус”.

y

q dt=t₁-t₂

x dx

Проекція вектора q на вісі координат x, y, z, відповідно будуть

, , .

Теплота Q, що передається за час через ізотермічну поверхню F буде рівна: .

Коефіцієнт теплопровідності.

Ззакону Фур’єслідує, що коефіцієнт теплопровідності рівний:

;

Величина - є одною з фізичних характеристик речовини. Чисельно коефіцієнт теплопровідності дорівнює кількості теплоти, що передається в одиницю часу ізотермічній поверхні при умові, що градієнт температури рівний одиниці (одному градусу на одиницю довжини нормалі до ізотермічної поверхні).

Коефіцієнт теплопровідності твердих тіл є функцією температури, а для рідин і газів залежить також від тиску.

Для анізотропних тіл суттєво залежить від напрямку передачі тепла (приклад: деревина – вздовж та проти волокон).

Залежність коефіцієнта теплопровідності від температури виражають лінійною функцією:

де - коефіцієнт теплопровідності при температурі 0 ⁰С; - коефіцієнт, що визначається дослідним шляхом; t- температура тіла.

Для твердих тіл дана формула справедлива на невеликих ділянках температур. Для газів з підвищенням температури збільшується, для рідин – зменшується. З збільшенням тиску для газів, наприклад: водяної пари росте.

Застосування закону Фур’є для твердих пористих тіл є умовним. Коефіцієнт теплопровідності для таких тіл називають ефективним, він залежить від вологості тіла.

200 250 300 350 400 450 500 t ⁰C

Рис. 1. Залежність теплопровідності перегрітої водяної пари від температури та тиску.

Рис. 2. Залежність теплопровідності від температури: 1–вазелінове масло; 2–бензол; 3–ацетон; 4–касторове масло; 5–спирт етиловий; 6–спирт метиловий; 7–гліцерин.

0 50 100 150 200 250 300 t⁰ С

Рис. 3. Залежність коефіцієнта теплопровідності від температури для чистих металів.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта теплопровідності від температури для будівельних і теплоізолюючих матеріалів:

1–повітря; 2-мінеральна вата; 3–шлаковата; 4–ньювель; 5–совеліт;

6–діаматова цегла; 7,8–красний і шлакобетонна цегла.

 

Орієнтовні значення l для різноманітних речовин

Назва речовини	r, кг/м3	l, Вт/(м оС)
Повітря, 0….1000 оС	1,24	0,024…0,008
Вода, 0….100 оС	999,9…958,4	0,551….0,683
Азбестовий картон		0,16 – 0,17 х 10-3t
Азбестовий шнур		0,13 – 0,15 х 10-3t
Бетон з кам’яним щебенем		1,28
Шлакобетон		0,7
Глина	2000 – 1600	0,9 – 0,7
Дерево	550…825	0,14…0,43
Цегла червона		0,77
Цегла силікатна		0,81
Лід при 0 оС		2,2
Лід при –100 оС		3,5
Сніг, що випав		0,1
Сніг, що злежався		0,46
Крейда при 50 оС		0,.9
Мармур		3,5
Скло звичайне		0,74
Скловата при 90 оС	154…206	0,051…0,059
Алюміній при 0 оС
Латунь при 0 оС		85,5
Мідь чиста при 0 оС
Бронза при 20 оС
Сталь при 20 оС		45,4
Шлаковата	170…200	0,06 + 0,000145 t
Мінеральна вата	180…250	0,046…0,058
Совеліт	230…250	0,09 + 0,000087 t

Теплотехнічні характеристики облицювальних матеріалів

№ п/п	Назва матеріалу	Густина ,кг/м3	Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м· К)	теплоємкість, Дж/(м· К)	Ступінь чорноти
	Бетон на гранітному щебені		=1,3-0,00035	=481+0,84	0,63
	Плити мармуровидні облицювальні, гіпсові		=0,59-0,000116	=634+0,84	0,50
	Цементно пісчана штукатурка		=0,96-0,00044	=598+0,63	0,87
	Цегла силікатний		=0,89-0,00035	=674+0,60	0,90
	Цегла глиняна, звичайна		=0,39+0,00023	=596+0,419	0,94
	Керамзитобетон		=0,36+0,000081	=707+0,48	0,60
	Листи ГВЛ		=0,135+0,00035	=849+0,59	0,86
	Листи ГКЛ		=0,135+0,00035	=849+0,59	0,86
	Плити асбестоперлітоцементні		=0,055+0,00035	=667+0,63	0,90
	Плити "Акмігран"		=0,056+0,00019	=1268+1,4	0,90
	Состав "Ньюспрей"		=0,056+0,00022	=748+0,063	0,90
	Покриття по сталі фосфатне вогнезахисне		=0,025+0,00022	=1086+0,63	0,89
	Склад "Девіспрей"		=0,02+0,000055	=748+0,063	0,89
	Плиты минераловатные "Paroc FPS-17"		=0,02+0,00015	=670+0,065	0,92
	Плити минераловатні "Conlit" фирмы "Rockwool"		=0,025+0,00015	=680+0,065	0,92
	Плити базальтоволокнисті ПНТБ		=0,03+0,00015	=582+0,065	0,92

Висновок: на даному занятті курсантів та студентів було ознайомлено з поняттям теплопровідності, коефіцієнту теплопровідності речовин і матеріалів, Закону теплопровідності Фур’є, а також:

- рівнянням теплопровідності для плоскої, циліндричної одношарової стінок.

- способами теплообміну між теплофізичними системами.

- характеристиками теплового стану систем.

- поняттям теплоємності речовин і матеріалів. Дійсна та середня теплоємкість

.

 

Завдання на самопідготовку:

 

1. Башкирцев М.П. Основи пожарной теплофизики М.Стройиздат, с. 96-114.

2. Рябова І.Б., Сайчук І.В.,Шаршанов А.Я., термодинаміка і теплопередача в пожежній справі, Харків-2010, с. 58-79.

3. Конспект.

<== предыдущая лекция	|	следующая лекция ==>
Графічний метод розв’язку	|	І. Вступна частина.

---

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: