. Along Edge Đặt giá trị của lực dọc theo cạnh được chọn Để đổi hướng, hãy nhập một giá trị âm
Các phân tích nhiệt
Có ba cơ chế truyền nhiệt là: Dẫn nhiệt, Đối lưu và Bức xạ.
Q trình phân tích nhiệt sẽ tính tốn sự phân bố nhiệt độ trong một vật theo một số hoặc tất cả các cơ chế này. Trong cả ba cơ chế, nhiệt năng được truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp
hơn. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu cần có vật trung gian cịn bức xạ khơng cần.
Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là cơ chế truyền nhiệt mà trong đó nhiệt năng được truyền từ điểm này đến điểm khác thông qua sự tương tác giữa các nguyên tử hoặc phân tử vật chất. Sự dẫn nhiệt sảy ra trong thể rắn, thể lỏng và thể khí.
Trong cơ chế dẫn nhiệt khơng có sự chuyển dịch của chất tải nhiệt. Các chất khí dẫn nhiệt do sự va chạm trực tiếp giữa các phân tử chuyển động và độ dẫn nhiệt của chúng thấp so với các chất rắn là do mật độ phân tử loãng hơn. Sự dẫn nhiệt trong các chất lỏng tương tự như trong các chất khí, ngoại trừ trạng thái phức tạp hơn đáng kể do các phân tử chất lỏng gần nhau hơn rất nhiều và các trường lực phân tử có tác động mạnh hơn trong q trình trao đổi năng lương khi va chạm. Các chất rắn phi kim truyền nhiệt nhờ sự rung động của mạng phân tử nhưng khơng có sự chuyển dịch vật chất với tư cách là chất tải nhiệt. Các kim loại dẫn nhiệt tốt hơn các phi kim ở nhiệt độ thơng thường do chúng có các điện tử tự do để tải nhiệt.
Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt tuân theo định luật Fourier, định luật này phát biểu rằng năng lượng được truyền do dẫn nhiệt Qconduction tỷ lệ thuận với diện tích truyền nhiệt (A) và gradient nhiệt độ (dT/dx), hoặc:
Qdẫn nhiệt = - K A (dT/dx)
Ở đây, K là hệ số dẫn nhiệt, phản ánh khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Đơn vị của K là W/m.oC hoặc (Btu/s)/in.oF. Với lớp phẳng như hình minh họa, nhiệt năng của dẫn nhiệt được tính bằng:
Qdẫn nhiệt = - K A ( THot - TCold )/L
Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dẫn nhiệt (K)
suất thấp, nhưng có thể tăng hoặc giảm trong các kim loại hoặc chất lỏng.
Bảng dưới đây cho thấy hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ K) thay đổi theo nhiệt độ (độ K) với một số vật liệu:
Đối lưu
Đối lưu là kiểu truyền nhiệt mà trong đó, nhiệt được truyền giữa một bề mặt rắn và dịng chất lỏng (hoặc khí) chảy qua. Đối lưu có hai yếu tố:
• Năng lượng được truyền do chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử (khuếch tán) và
• Năng lượng được truyền do sự chuyển động vĩ mơ của dịng chảy (advection).
Cơ chế đối lưu có thể giải thích như sau: khi lớp chất lỏng tiếp xúc với bề mặt nóng, nó sẽ nóng lên, khiến mật tỷ trọng giảm xuống (tại một áp suất không đổi, tỷ trọng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ) và làm lớp chất lỏng này nổi lên. Phần chất lỏng lạnh hơn (nặng hơn) gần bề mặt sẽ thay thế phần chất lỏng nóng và tạo thành dòng chuyển động bên trong chất lỏng.
Nhiệt năng trao đổi giữa chất lỏng có nhiệt độ Tfvà bề mặtrắn diện tích A có nhiệt độ Tstn theo định luậtNewton có thể viết như sau:
Qđối lưu = h A (Ts - Tf)
Ở đây, h là hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu. Đơn vị của h là W/m2.K hoặcBtu/s.in2.F. Hệ số truyền nhiệt đối lưu h phụ thuộc vào sự chuyển động của chất lỏng, hình dạng và các thuộc tính vật lý, nhiệt động. Nói chung, có hai kiểu truyền nhiệt đối lưu:
Đối lưu tự nhiên (tự do)
Chuyển động của chất lỏng sát bề mặt rắn là do lực đẩy gây nên bởi sự thay đổi tỷ trọng của chất lỏng do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt rắn và chất lỏng. Khi lớp chất lỏng nóng tách khỏi bề mặt rắn đi lên để chất lỏng lạnh đi xuống chiếm chỗ và nhận nhiệt, tỷ trọng của nó tăng lên và vì thế, nó lại đi lên.
Đối lưu cưỡng bức
Một tác nhân bên ngoài như quạt hoặc bơm được dùng để tăng tốc dòng chảy trên bề mặt rắn. Chuyển động nhanh của phần chất lỏng trên bề mặt rắn sẽ làm tăng độ chệnh lệch nhiệt độ và tăng cường độ trao đổi nhiệt.
Hệ số đối lưu
Định luật Newton về trạng thái làm lạnh nói rằng nhiệt năng trao đổi từ một bề mặt có nhiệt độ Ts đến dịng chảy bên trong chất lỏng có nhiệt độ Tf được cho bởi phương trình:
Qđối lưu = h A (Ts - Tf)
Ở đây, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu h có đơn vị W/m2.KhoặcBtu/s.in2.F. Hệ số h khơng phải là một thuộc tính nhiệt động. Hệ số h thuần túy chỉ liên quan đến trạng thái chất lỏng và các điều kiện dòng chảy, do vậy, nó thường được gọi là thuộc tính dịng chảy.
Đối lưu được gắn với khái niệm của một lớp biên như là một lớp mỏng chuyển tiếp giữa một bề mặt được coi là nằm sát với các phân tử khơng chuyển động và dịng chất lỏng. Điều này được minh họa như sau:
Ở đây, u(x,y) là tốc độ theo phương x. Vùng bên dưới cạnh ngoài của lớp chất lỏng, cạnh ngoài được xác định bằng 99% tốc độ dòng chảy tự do, được gọi là lớp biên chất lỏng có chiều dày d(x).
Một hình tương tự cũng có thể dùng để mơ tả sự chuyển tiếp nhiệt độ từ bề mặt rắn đến chất lỏng. Lưu ý rằng độ dày lớp biên nhiệt độ không nhất thiết phải bằng độ dày lớp biên tốc độ. Các thuộc tính của chất lỏng tạo nên số Prandtl sẽ quy định độ dày tương đối của hai lớp biên này. Một số Prandtl bằng 1 có nghĩa là hai lớp này bằng nhau.
Cơ chế truyền nhiệt thực tế qua lớp biên này là dẫn nhiệt, theo phương y, qua chất lỏng tĩnh sát bề mặt rắn, nhiệt lượng dẫn nhiệt này bằng nhiệt lượng đối lưu từ lớp biên vào chất lỏng. Có thể viết:
h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s
Do đó, hệ số đối lưu của một trạng thái đã cho có thể xác định bằng cách đo nhiệt lượng truyền qua và chênh lệch nhiệt độ hoặc bằng cách đo gradient nhiệt độ lớp biên.
Đo gradient nhiệt độ qua lớp biên cần có độ chính xác cao và nói chung chỉ thực hiện được trong phịng thí nghiệm. Nhiều sổ tay kỹ thuật có bảng tra hệ số truyền nhiệt đối lưu cho các cấu hình khác nhau.
Bảng dưới đây cho thấy một số giá trị điển hình của hệ số truyền nhiệt đối lưu:
Bức xạ