4.2.1 Механизмы переноса теплоты

Известны три механизма переноса теплоты от одного тела к другому.

Теплопроводность (термодиффузия). Реализуется на микрофизическом уровне и определяется тепловым движением молекул. Позволяет предсказывать температурные поля и тепловые потоки в неоднородно нагретом теле или в системе тел, находящихся в прямом контакте и имеющих разные температуры. Действует во всех средах: газах, жидкостях и твёрдых телах.

Конвекция. Внешним воздействием создаётся упорядоченное (организованное) движение больших масс жидкости или газа вдоль поверхности рассматриваемой термодинамической системы. Эвакуация теплоты, переданной от горячей (холодной) стенки осуществляется макроскопическими объёмами движущейся среды. Конвективный механизм более эффективен по сравнению с теплопроводностью, что позволяет существенно интенсифицировать процесс теплопереноса. Конвекцию (макрофизический уровень теплопереноса) можно использовать только в жидкости или газе.

Излучение (тепловая радиация). Это бесконтактный механизм передачи теплоты. Он заключается в преобразовании внутренней энергии тела в энергию электромагнитных колебаний, её переносе через промежуточную среду и обратном преобразовании лучистой энергии в теплоту в другом теле – приёмнике. Перенос теплоты радиацией эффективен лишь в газовой среде (воздух, вакуум).

Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты возникает под действием разности температур и направлен в сторону менее нагретого тела. Отмеченные выше механизмы обычно действуют одновременно и в совокупности определяют интенсивность теплопереноса. Количественная характеристика эффективности процесса теплопереноса – плотность теплового потока q, Вт/м², определяет количество теплоты (Дж), прошедшей через единицу поверхности (м²) в единицу времени (с). Напомним, что 1 Дж/с = 1 Вт. Количество теплоты Q, прошедшей за произвольный отрезок времени  через произвольную поверхность теплообмена F, есть Q = qF, Дж.

Дадим основные определения и расчётные зависимости для отдельных механизмов теплопереноса и их совокупности – сложного теплообмена, чаще называемой теплопередачей.