Жылуөткізгіштік. Жылуөткізгіштік коэффиценті

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ

БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

СЕМЕЙ ҚАЛАСЫНЫҢ ШӘКӘРІМ АТЫНДАҒЫ

МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

 

 

 

Инженерлік-технологиялық факультет

 

 

      Техникалық физика және жылуэнергетика

 

 

Жылутехниканың теориялық негіздері

 

 

 

 

 

ОӨЖ

Жылуөткізгіштік. Жылуөткізгіштік коэффиценті.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Орындаған:                                                                                          Тексерген:

Тэ-317 тобының студенті:                                  Шалаганова А. Н., аға оқытушы

Кенжегалиев М. Ж.

 

 

 

 

 

 

Семей 2014 ж.

 

МАЗМҰНЫ

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

 

Әр түрлі температуралардағы денелерде жылу энергиясының бірінен екіншісіне өтуі жылу алмасу процесі деп аталады. Жылу беру бұл жылуды зерттеудің бір бөлшегі. Техникалық термодинамика және жылу алмасу жылу техникасының теориялық негізін құрайды. Жылу алмасу процесінің қозғаушы күші ыстық және суық денелердің температураларының айырмасы болып табылады. Бұл қозғаушы күштің әсерінен термодинамиканың екінші заңына байланысты жылу ыстық денеден суық денеге өздігінен өтеді. Жылу таратудың тәсілдері: жылуөткізгіштік, жылулы сәуле шығару, конвекция.

 

 

 

1 ЖЫЛУӨТКІЗГІШТІК

 

Жылу өткізгіштік — дененің температура айырмасы бар нүктелері арасында бір нүктеден екінші нүктеге жылу энергиясын жеткізу қасиеті; дененің температурасы жоғары жақтан температурасы төмен жағына қарай жылу өткізу қабілеті.

Жылу өткізгіштік кезінде болатын ішкі энергияның берілу процесі неге байланысты? Бұл құбылысты түсіндіру үшін қатты, сұйық және газ тәрізді заттардың ішкі құрылысын еске түсіру керек. Қатты денедегі бөлшектер әрдайым тербелмелі қозғалыста болады, бірақ өзінің тепе-теңдік күйін өзгертпейді. Денені қыздырғанда температураның артуына байланысты молекулалар күштірек тербеле бастайды, өйткені олардың потенциалдық және кинетикалық энергиясы артады. Артық энергияның бұл бөліктері бртіндеп бір бөлшектен екіншісіне, яғни дененің бір бөлігінен икөрші бөліктеріне беріледі. Қатты денелердің барлығы түрліше энергия береді.

Жылу қондырғылары еденге жақын төменде орналасқанымен, бөлменің жоғары жағындагы ауаның температурасы әдетте төменгі жағынан жоғары болуының себебі неде? Сұйыққа немесе газға батырылған денеге жоғары бағытталған кері итеруші күш — Архимед күші әрекет етеді. I. Біз судың жылуөткізгіштігі аз екендігін көрдік, сондықтан судың жоғарғы жағын қыздырғанда, төменгі жағы салқын күйінде қалады. Бірақ суды шәугімде, кастрөлде, бу қазанында тез қайнатуға болады. Су қалай жылытылады? Ауа жылуды өте нашар өткізеді. Қыста бөлменің барлық жерінде температура неліктен бірқалыпты болады? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін келесі тәжірибені жасаймыз. Суы бар түтікшені жанарғының жалынына ұстаймыз. Түтікшенің екі шетіне бірдей термометрлер бекітілген. Қыздыру кезінде термометрдің біреуінің көрсетуі еш өзгеріссіз қалады да, ал екінші термометрдің көрсетуі тез арада артады. Судың жылуөткізгіштігі өте аз болғандықтан, сол жақтағы термометр төменгі температураны көрсетеді. Су қыздырған кезде ұлғаятындықтан, оң жақтағы термометр жоғары температураны көрсетеді. Бұл кезде оның тығыздығы азаяды, сондықтан қайнаған жеңіл су қабаты Архимед күшінің әрекетінен жоғары қарай көтеріледі. 100°С-тағы 1 м3 судың массасы 0°С-тағы 1 м3 судың массасынан 42 кг кем болады. Шәугімдегі су осы себептен тез қайнайды. Судың төменгі қабаты қызғанда — ұлғайып жеңілдейді, содан соң жылы ауа жоғары көтеріледі, ал олардың орнын суық су толтырады. Неліктен орталық жылу батареялары еденге жақын орнатылып, ал желдеткіштерді терезенің жоғарғы жағына жасайды. Егер бәрі керісінше болса, онда біздің батареямыз үйді жылытпай, ашық желдеткішіміз бөлмені желдетпеген болар еді. Ыстық батареяның қыздыруынан бөлменің төменгі қабатындағы ауа жыли бастайды. Ол үлғайып, жеңілдеп, Архимед күшінің әрекетінен жоғары қарай көтеріледі. Оның орнына суық ауаның ауырлау қабаты келеді. Олар да жылып, жоғарылайды. Жылыған ауа төменнен жоғары, суық ауа жоғарыдан төмен қарай жылжып,үздіксіз ауа ағыны пайда болады. 100°С-тағы 1м3 ауаның массасы 0°С-тағы 1 м3 ауаның массасынан 1,4 есе аз. Желдеткішті ашып, біз бөлмеге суық ауа ағынын жібереміз. Ол бөлмедегі ауаға қарағанда ауырлау, сондықтан жылы ауаны жоғары ығыстырып, желдеткішке апарады. Біз қарастырған жағдайларда, жылу берілудің конвекция (латын сөзінен «араласу» дегенді білдіреді) деп аталатын түрін бақыладық. Конвекция дегеніміз — сұйықтың немесе газдың ағысы арқылы энергияның тасымалдануы барысында жылу алмасу процесі [1].

Сонымен, сұйықтар мен газдарда, жылуөткізгіштіктен басқа, жылу берілу көбіне конвекциямен, яғни сұйықтың немесе газдың жылытылған бөліктерінің механикалық орын ауыстыруымен жүзеге асырылады. Қатты денелерде және вакуумда конвекция болмайды. Аса жоғары немесе өте төмен температурадағы сұйықтар (немесе газдар) қатты қабырғалармен жанасқанда, конвекциялық ағыс пайда болады. Бұдан сұйық (немесе газ) қыза отырып, жоғары көтеріледі де, салқындарын төменге ығыстырады. Мына тәжірибеден жылу берілуді конвекцияның көмегімен оңай бақылауға болады. Түбіне марганец қышқылды калийдің кристалл түйіршігі салынған суы бар шыны құтыны шамның жалынына ұстап қыздырады. Осы кезде болған судың төменгі қабатының өзімен бірге эңергияны тасымалдай отырып, жоғары көтерілгенін бақылауға болады. Судың салқындау жоғары қабаты боялған, жылынған суды ығыстыра отырып, төмен түседі. Осындай қозғалыстыңарқасында құтыдағы су біркелкі жылынады. Сондықтан да сұйықтар мен газдарды, әдетте төменнен бастап қыздырады: суы бар шәугімді пешке немесе отқа қояды, орталық жылу батареяларын еденге жақын орнатады. Өте жіңішке қабаттарда, мысалы, жақын орналасқан терезе әйнектерінің арасындағы ауа қабатында, конвекциялық ағынәлсіз болады. Конвекция құбылысымен танысқаннан кейін, не себепті желдеткіштер терезенің жоғарғы жағына орнатылатынын, керосин шамына мойны ұзын арнайы шыны кигізілсе, неге жақсы жанатынын, не себепті зауыт мұржалары биік болатынын оңай түсіндіруге болады. Атмосферадағы конвекциялық ағын тек жылу берілуде ғана үлкен рөл атқарып қоймай, сонымен қатар жел тұрғызады. Олар ауаның үнемі араласуын тудырады, соның арқасында жер бетінің әр түрлі бөліктерінде ауаның құрамы бірдей болады. Атмосферадағы конвекциялық ағындар жану процесін қолдай отырып, оттектің жалынға жетуін және жану өнімінің шығарылуын қамтамасыз етеді. Біз қарастырып өткен конвекция табиғи немесе еркін конвекция деп аталады. Тұрмыста және техникада кеңінен қолданылатын табиғи конвекция жеткіліксіз болғанда, еріксіз конвекцияны пайдаланады. Мысалы, ауаның немесе газдың жылдам және біркелкі жылуы үшін оларды сорғымен немесе араластырғышпен араластырады. Салмақсыздық жағдайында табиғи конвекция мүмкін емес. Сондықтан ғарышқа ұшу барысында, еріксіз конвекциянын көмегінсіз жасанды серіктің корпусы салқындамайды, шам жанбайды. Онда шырпыны, газ жанарғысын пайдалануға болмайды, өйткені жану өнімдері жалыннан алыстатылмайды және ол оттектің жетіспеушілігінен өшіп қалады [1,2].

 

2 ЖЫЛУӨТКІЗГІШТІҢ НЕГІЗГІ ЗАҢДАРЫ

 

Жылулықтың таралу процессін жалпы алғанда және жылу өткізгіштік сондай-ақ, дененің температурасының таралуымен тығыз байланысты. Сондықтан, алдымен температуралық өріс және температура градиенті ұғымдарымен байланыстығын анықтау керек. Температуралық өріс деп, сол моменттегі қаралып отырған дененің барлық нүктелеріндегі температураларының лездегі, сол момент уақыттағы, шамаларының жиынтығын айтады. Егер, дененің қандай болмасын, температурасының уақыт аралығында өзгермеуі және сондықтан, ол, тек ғана, кеңістіктегі координат нүктелерінің (x,y,z) функциясы болуы, онда, мұндай температуралық өрісті тұрақталған немесе тұрақты деп атайды. Егер температура уақытқа байланысты болса, яғни t = f(x, у, z, τ), онда, температуралық өріс тұрақталмаған немесе тұрақсыз деп аталады. Температуралық өрістің, қарапайым категориясы болып, бір өлшемді тұрақталған өрісі болып есептеледі, ол, бір координатты өске бағытталған, температураның өзгеруін сипаттайды.

Өрістегі барлық нүктелердің, бірдей температуралықтарын қосып сыза, изотермиялық бетті табамыз. Бұл беттер, бір бірімен қиылыспайды; олар, өзімен тұйықталмайды, немесе дене шекарасында бітеді. Жылулықтың денеде таралып өтуі, тек ғана, бір изотермиялық беттен екінші жағына температураның төмендеуі бағытында болады. Денедегі, жылулықтың таралу жолы, изотермиялық бетке нормалы бағытпен сәйкес келеді [2].

Δn нөлге ұмтылғандағы, изотермиялардың аралық қашықтығының, Δt температура шегінде өзгеру қатынасын температуралық градиенті деп атайды:

 

grad t = lim (Δt/Δn)Δa→0=dt/ḋn

(1)

 

Оның оң бағытта қолдануы температураның ұлғаю бағыты болып есептеледі. Жылулық мөлшері қатынасының, тең шамадағы бет арқылы өтетін уақыттағысы, бұл жылу мөлшерінің - осы бет арқылы өтуін, жылулық ағыны деп атайды.

 

Ф = dQ/d'τ

(2)

 

Мұндағы: Ф – жылулық ағын, Вт.

Егер ағын тұрақты болса: Ф = Q/Т Жылулық ағынының беттік тығыздығымен - жылулық ағынының, ауа бетінің қатынасына тең, шама арқылы, осы ағын ағып өтеді, (Вт/м2).

 

q = dФ/dҒ немесе q = Ф/Ғ

(3)

 

Жылу жүргізгіштің (Фурье) негізгі заңына сәйкес, жылулық ағынының тығыздығы, градиент температурасына пропорционалды болады:

-λ grad t = -λḋt / ḋn

(4)

 

Осы формуланың, оң жақ бөлігіндегі теріс таңбаның көрсетуі, таралу бағытындағы, дененің жылулық температурасы азаяды және шама grad t, теріс таңбалы шамада болады. Сонымен, жылу жүргізгішпен берілген жылулық мөлшерін, мына формуламен табады:

 

dQ = -λ(dt/dn) dF d'τ

(5)

 

Бұл байланыстылықты 1822жылы Ж. Фурье анықтаған және оны, Фурье заңы деп атайды: жылулық мөлшерін, жылу жүргізгіштік жолымен берілуі, температураның төмендеуіне, пропорционалды уақытына және қима ауданына, жылулықтың таралу бағытына перпендикулярлы болады. Қарапайым жағдайда, қашан жылулық жазық қабырғамен және бір бағытта (х өсі бойымен) таралса, онда Фурье заңы былай жазылады:

 

qx = -λḋt/ḋn = -λḋt/ḋx

(6)

 

Мұндағы λ = - q/grad t.

Теңдеудегі (-λ grad t = -λḋt / ḋn) көбейткіш х, пропорционалдылығының жылужүргізгіштігі деп атайды. Ол, физикалық көрсеткіш болып, дененің жылулық өткізгіштік қабілеті немесе үдемелі қарқындылығын сипаттайды, заттардың жылу жүргізгіштік процессі және температуралық градиенті кезіндегі, жылу жүргізгіштік әрекетінің жылулық ағыны, тығыздығының санына тең, ол бірге тең. Сонымен, X - өлшем бірлігі Вт/(мК).

Заттардың жылу жүргізгіштігі әр түрлі және өте көп санды факторларға байланысты. Газдар үшін, елеулі болып, температурасы мен қысымдары жатады. Мысалы, газ үшін, температураның көбеюінен, жылу жүргізгіштігі артады, ал өте қыздырылған бу үшін, сол сияқты артады, қысымы да, дәл солай артады; сұйықтар үшін, температураның артуынан біраз азаяды. Бұған, су қосылмайды, оның шамамен 120°С температура кезінде, жылу жүргізгіштігі максимумда болады, ал одан ары температурасын көбейткен сайын, судың X кемиді. Көп металлдар үшін, температура ұлғайған сайын, X кемиді. құрылыс материалдары үшін, кеуектілігі мен ылғалдығы ерекше шамасында болады. Кеуектілігі көбейген сайын, X азаяды, себебі материалдардың кеуегі газбен толып, аз жылу өткізгішті болады [3].

 

ҚОРЫТЫНДЫ

 

Денелер арасындағы жылу алмасу еркін электрондар, атомдар және молекулалардың өзара энергия алмасуы арқасында болады. Жылу алмасуда қатынасатын денелерді жылу тасымалдағыштар деп атайды. Жылу өту бұл жылу тарату процестері жөніндегі ғылым. Жылу процестеріне ысыту, суыту, конденсациялану және буландыру жатады. Көптеген масса алмасу және химиялық процестердің өтуінде бұл процестердің маңызы үлкен.

Жалпы жылумассаалмасу - жылуалмасу мен жылу берілу процесстері негізінде жүреді. Жылу берілу мен жылу алмасу дегеніміз кеңістікте және ортада өздігінен жылудың таралуын қайтымсыз процесстерды айтамыз. Мұндағы жылудың таралуы дегеніміз қарастыратын орта аймағымен және жеке элементтер арасындағы ішкі энергияның алмасуы болып табылады.

 

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

 

1. Исаченко В.П.  Теплообмен при конденсации. Москва: Энергия, 1977.
2. Керташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. Москва: Высшая школа, 1979.
3. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи, Мир, 1983.