Информация /  Передача тепла

Передача тепла

Как передается дальнее инфракрасное излучение от термопленки Caleo через напольное покрытие в пространство?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо совершить небольшую экскурсию в раздел физики  – термодинамика, а именно в подраздел термодинамики– теплопередача.
Термодинамика – это наука о связи между теплотой, работой и веществом. Современные представления об этих взаимосвязях сформировались на основе трудов таких великих ученых прошлого, как Карно, Клаузиус, Гиббс, Джоуль, Кельвин и др. Термодинамика объясняет смысл теплоемкости и теплопроводности вещества, теплового расширения тел, теплоты фазовых переходов. Эта наука базируется на нескольких экспериментально установленных законах – началах. Важно помнить, что тепловую энергию (как и любую другую) можно лишь преобразовать в другую форму, но нельзя ни получить «из ничего», ни уничтожить. Это один из основных принципов науки, называемой термодинамикой.


ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).
Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

 

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Коэффициент теплопроводности - величина, численно равная плотности теплового потока, проходящего через изотермическую поверхность при температурном  градиенте, равном единице:
 l = q/grad Т[Вт/(м×К)].

Коэффициент теплопроводности  определяется
уравнением Фурье:
q = - l × grad Т

Теплопроводность l зависит от агрегатного состояния вещества, его состава, чистоты, температуры, давления и других характеристик. 

 

КОНВЕКЦИЯ

- процесс переноса тепловой энергии вследствие перемещения масс вещества в неоднородном поле температур;
- конвекция всегда сопровождается теплообменом между веществом и  контактирующей с ним средой;
- конвекция наблюдается в движущихся квазисплошных средах (газах, жидкостях, плазме и смесях этих веществ с сыпучими материалами).

В зависимости от природы сил, приводящих среду в движение различают естественную и вынужденную конвекцию.
Естественная конвекция происходит в поле сил тяжести.
Вынужденное движение среды вызывается различного рода внешними возбудителями (насосами, вентиляторами и т.п.)
Количественно конвективный теплообмен между твердым телом и средой описывается формулой

Qконв=aконв(Tcт- Тж)Fконв


aконв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2HК);
Tcт, Тж – температуры стенки и среды;
 Fконв - площадь поверхности теплоотдачи.

 

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН

- процесс переноса энергии электромагнитными волнами, создаваемыми вследствие теплового движения в веществе, через прозрачную или частично прозрачную среду в область с более низкой температурой;
- свойственно всякому телу, имеющему температуру, отличную от абсолютного нуля;
- диапазон длин волн 0,4 - 0,8 мкм соответствует видимым (световым) лучам, длины волн 0,8 – 40 мкм имеет инфракрасное излучение;
- энергия электромагнитных волн, встречая на своем пути твердые тела, частично поглощается ими, превращаясь в теплоту, частично отражается от них и частично пропускается сквозь тело, если оно прозрачное.

Лучистый теплообмен – отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана – Больцмана
 
где, как и ранее, q – тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A – площадь поверхности излучающего тела (в мP2P), а TB1B и TB2B – температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент  называется постоянной Стефана – Больцмана и равен (5,66961±0,00096)х10P–8P Вт/(мP2 PхКP4P).
Основной закон теплового излучения – закон Стефана-Больцмана – определяет плотность потока лучистой энергии q , Вт/м2, испускаемой во всем диапазоне длин волн от 0 до h абсолютно черным телом, т.е. таким телом, для которого отражательная и пропускательная способность равна нулю.
Для любого нечерного тела излучательная способность меньше.
Закон Стефана-Больцмана для «серого» тела имеет вид:

 

где e - коэффициент теплового излучения «серого» тела.

 


ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ

Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, – достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми

Итак, подведем итог полученной информации. Как доказано, проведенными научными исследованиями в Корейском институте конструкции материалов (Корейская ассоциация дальнего инфракрасного излучения. Отчет о тестировании), дальнее инфракрасное излучение, при обогреве термопленкой, составляет 90,4 % (длина волны 5-20 мкм).
        Включаем наш напольный обогрев помещения с помощью термопленки Powerfilm. В начальный период вся лучистая энергия тратится на нагрев финишного напольного покрытия. Здесь присутствуют процессы тепловодности и конвенции. При достижении теплового равновесия между термопленкой и финишным напольным покрытием (поглощение и испускание излучения осцилляторами приводит к тому, что, в конце концов возникает некоторое стационарное состояние, в котором для всех лучей определенной длины волны распределение интенсивностей и поляризаций по величинам и направлениям становится однородным - закон  Планка), включается процесс лучистого теплообмена, длина волны при этом практически не меняется (Закон Вина). Конечно, небольшая часть энергии расходуется на поддержании температуры в финишном напольном покрытии, преобразуясь в другой тепловой вид энергии (энергия электромагнитных волн, встречая на своем пути твердые тела, частично поглощается ими, превращаясь в теплоту, частично отражается от них и частично пропускается сквозь тело).
      Поверхность теплоотдачи от пола и предметов, нагретых дальнем инфракрасным излучением, в среднем в 5-10 раз превышает поверхность теплоотдачи традиционных отопительных систем, а также позволяет существенно улучшить комфортное состояние по компоненту влажности. Инфракрасный обогрев позволяет поддерживать более низкую температуру воздуха в помещении (на 3-4 PоPС) и сокращает потери тепла при создании и сохранении комфортных условий (понижение температуры воздуха на 1 градус дает 5% энергосбережения).

ЛИТЕРАТУРА
Земанский М. Температуры очень высокие и очень низкие. М., 1968
Поль Р. Механика, акустика и учение о теплоте. М., 1971
Смородинский Я.А. Температура. М., 1981
Фен Дж. Машины, энергия и энтропия. М., 1986
Эткинс П.В. Порядок и беспорядок в природе. М., 1987