Термодинамика

          1 Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. 

Модель широко применяется  для решения задач термодинамики  газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В случае экстремальных температур или давлений требуется применение более точной модели, например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами. 

Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся  из законов классической механики и  описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми  — Дирака или Бозе — Эйнштейна). 

          2 Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид: 
 

где

P— давление,

 Vм— молярный объём,

 R— универсальная газовая постоянная

 T— абсолютная температура,К. 
 

                           3 Конвективный теплообмен, процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности. Таким образом, в случае К. т. распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. В связи с тем, что для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса очень велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном течении играет роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном течению среды. Роль теплопроводности при К. т. более значительна при движении электропроводных сред (например, жидких металлов). В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения жидкости. Участие теплопроводности в процессах К. т. приводит к тому, что на эти процессы оказывают существенное влияние теплофизические свойства среды: коэффициент теплопроводности, теплоёмкость, плотность. 
 
 
 
 

             4 КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Основные понятия  и определения 
 

 Передача теплоты  конвекцией осуществляется перемещением  в пространстве неравномерно  нагретых объемов жидкости или  газов. В дальнейшем изложении  обе среды объединены одним  наименованием — жидкость. Обычно  при инженерных расчетах определяется  конвективный теплообмен между  жидкостью и твердой стенкой,  называемый теплоотдачей. Согласно  закону Ньютона—Рихмана, тепловой поток Q от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки tc и температурой жидкости tж: .  

(10.1) 
 
 

 Главная трудность  расчета заключается в определении  коэффициента теплоотдачи α, зависящего от ряда факторов: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения среды, скорости движения.  

 По природе  возникновения различают два  вида движения — свободное  и вынужденное. Свободное движение  происходит вследствие разности  плотностей нагретых и холодных  частиц жидкости, находящейся в  поле действия сил тяжести;  оно называется также естественной  конвекцией и зависит от рода  жидкости, разности температур, объема  пространства, в котором протекает  процесс.  

 Вынужденное движение  возникает под действием посторонних  побудителей (насоса, вентилятора,  ветра). В общем случае наряду  с вынужденным движением одновременно  может развиваться и свободное. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.  

 Движение жидкости  может быть ламинарным или  турбулентным. При ламинарном режиме  частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. Турбулентный  режим характеризуется непрерывным  перемешиванием всех слоев жидкости. Переход ламинарного режима в  турбулентный определяется значением  безразмерного комплекса, называемого  числом Рейнольдса: ,   
 
 

 где w – скорость движения жидкости; ν — коэффициент кинематической вязкости1; l — характерный размер канала или обтекаемой стенки.  

 При любом режиме  движения частицы жидкости, непосредственно  прилегающие к твердой поверхности,  как бы прилипают к ней. В  результате вблизи обтекаемой  поверхности вследствие действия  сил вязкости образуется тонкий  слой заторможенной жидкости, в  пределах которого скорость изменяется  от нуля на поверхности тела  до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной  жидкости получил название гидродинамического  пограничного слоя. Толщина этого  слоя возрастает вдоль по потоку, так как по мере движения  влияние вязкости распространяется  все больше на невозмущенный  поток. Однако и в случае  турбулентного пограничного слоя  непосредственно у стенки имеется  очень тонкий слой жидкости, движение  в котором носит ламинарный  характер. Этот слой называется  вязким, или ламинарным, подслоем.  

 Аналогично понятию  гидродинамического слоя существует  понятие теплового пограничного  слоя — прилегающей к твердой  поверхности области, в которой  температура жидкости изменяется  от температуры стенок tс до температуры жидкости вдали от тела tж. В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев пропорциональны, а для газов практически равны.  

 Интенсивность  переноса теплоты зависит от  режима движения жидкости в  пограничном слое. При турбулентном  пограничном слое перенос теплоты  в направлении стенки обусловлен  турбулентным перемешиванием жидкости. Однако непосредственно у стенки, в ламинарном подслое теплота  будет переноситься теплопроводностью.  При ламинарном пограничном слое  теплота в направлении стенки  переносится только теплопроводностью.