- í nghĩa của định luật nhiệt động I: Định luật nhiệt độn gI cho phộp ta viết phương trỡnh cõn bằng năng lượng cho một quỏ trỡnh nhiệt động
2. Khỏi niệm, phõn loại sự truyền nhiệt 1 Khỏi niệm
2.1. Khỏi niệm
Truyền nhiệt là quỏ trỡnh trao đổi nhiệt phức tạp bao gồm ớt nhất từ hai phương thức trao đổi nhiệt trở lờn.
Truyền nhiệt nghiờn cứu cỏc quy luật phõn bố nhiệt độ và trao đổi nhiệt trong khụng gian và theo thời gian giữa cỏc vật cú nhiệt độ khỏc nhau
2.1.1. Trường nhiệt độ
* Khỏi niệm:
Để mụ tả phõn bố nhiệt độ trong khụng gian theo thời gian ta dựng trường nhiệt độ
Trường nhiệt độ là tập hợp tất cả cỏc giỏ trị nhiệt độ tức thời trong khoảng thời gian đang xột của mọi điểm trong hệ vật khảo sỏt.
Như vậy, tại cỏc điểm khỏc nhau và thời điểm khỏc nhau thỡ nhiệt độ cũng khỏc nhau nờn trường nhiệt độ là hàm phụ thuộc vào khụng gian và thời gian
* Biểu thức: t = f (x, y, z, )
* Phõn loại:
- Trường nhiệt độ ổn định: là trường nhiệt độ khụng phụ thuộc vào thời gian 0
t . Trong trường nhiệt độ ổn định cú trường nhiệt độ ổn định 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều.
- Trường nhiệt độ khụng ổn định: là trường nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian 0
t . Trong trường nhiệt độ khụng ổn định cú trường nhiệt độ khụng ổn định 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều.
Quỏ trỡnh dẫn nhiệt trong đú trường nhiệt độ ổn định gọi là dẫn nhiệt ổn định và ngược lại.
2.1.2. Mặt đẳng nhiệt
Mặt đẳng nhiệt là tập hợp tất cả cỏc điểm cú cựng giỏ trị nhiệt độ tại một thời điểm gọi nhất định trong khụng gian nghiờn cứu .
31
Phương trỡnh mặt đẳng nhiệt : t = t (x, y, z) = const Tớnh chất mặt đẳng nhiệt :
- Mặt đẳng nhiệt chỉ cú một giỏ trị nhiệt độ( nhiệt độ chỉ thay đổi theo hướng cắt mặt đẳng nhiệt)
- Cỏc mặt đẳng nhiệt khụng cắt nhau chúng chỉ cú thể là cỏc mặt khộp kớn hay kết thúc trờn biờn của vật
- Cắt cỏc mặt đẳng nhiệt bằng một mặt phẳng thỡ ta được họ cỏc đường đẳng nhiệt.
2.1.3. Gradien nhiệt độ
Xột cỏc mặt đẳng nhiệt như hỡnh vẽ, một mặt đẳng nhiệt cú nhiệt độ t, mặt đẳng nhiệt kia cú nhiệt độ t +t. Nhiệt độ của một điểm nào đú trờn bề mặt cú nhiệt độ t chỉ cú thể thay đổi theo hướng cắt cỏc mặt đẳng nhiệt. Ta nhận thấy tốc độ thay đổi nhiệt độ theo phương phỏp tuyến n là lớn nhất
max n t .
Đại lượng thay đổi nhiệt độ theo phương phỏp tuyến tại một thời điểm gọi là Gradien nhiệt độ
Kớ hiệu là Grad(t) = n t n t lim ’ đơn vị là 0K/m
Như vậy: Grad(t) là một vecstor cú phương vuụng gúc với mặt đẳng nhiệt, chiều theo chiều tăng nhiệt độ.
2.1.4. Mậtđộdũng nhiệt và dũng nhiệt
Mật độ dũng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tớch bề mặt đẳng nhiệt vuụng gúc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian.
n l t+ t t t- t
32 Kớ hiệu mật độ dũng nhiệt là q 2
/m w
Dũng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tớch bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian. Dũng nhiệt kớhiệu là Q W
Dũng nhiệt ứng với diện tớch dF cú thể viết : dQ = q.dF Dũng nhiệt ứng với toàn bộ diện tớch F : Q =
F dF dF q.
Nếu q = const thỡ Q = q.F W
2.1.5. Định luật Fourier về dẫn nhiệt
a. Định luật: Mật độ dũng nhiệt dẫn qua một đơn vị diện tớch trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với Gradt
q = - gradt =- n t b. Hệ số dẫn nhiệt
• Là thụng số vật lý của vật liệu, đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, đơn vị W/mK
• Phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trỳc của nú, độ ẩm, ỏp suất và nhiệt độ, biểu diễn bằng cụng thức:
1 = 0( 1+ t)
0 : hệ số dẫn nhiệt ở 00C.
: hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu cụ thể được xỏc định bằng thực nghiệm.
2.2. Phõn loại sự truyềnnhiệt
Cú ba hỡnh thức truyền nhiệt riờng rẽ là: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ; được phõn biệt theo phương thức truyền động năng giữa cỏc phõn tử thuộc hai vật.
2.2.1. Dẫn nhiệt:
Dẫn nhiệt là quỏ trỡnh truyền nhiệt năng khi cỏc vật hoặc cỏc phần tử của vật cú nhiệt độ khỏc nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau. Dẫn nhiệt xẩy ra khi cú sự chờnh lệch nhiệt độ giữa cỏc phần của một vật hoặc giữa hai vật tiếp xúc nhau. Dẫn nhiệt thuần túy xẩy ra trong hệ gồm cỏc vật rắn cú sự tiếp xúc trực tiếp.
33
qua cỏc điện tử tự do trong vật) vào cỏc phõn tử vật 2 để truền một phần động năng.
2.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu (tỏa nhiệt):
Trao đổi nhiệt đối lưu là quỏ trỡnh trao đổi nhiệt xảy ra khi cú sự dịch chuyển khối chất lỏng hoặc chất khớ trong khụng gian từ vựng cú nhiệt độ này đến vựng cú nhiệt độ khỏc.
Tỏa nhiệt là hiện tượng cỏc phõn tử trờn bề mặt vật rắn và chạm vào cỏc phần tử chuyển động cú hướng của một chất lỏng tiếp xúc với nú để trao đổi động năng. Tỏa nhiệt xẩy ra tại vựng chất lỏng hoặc khớ tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc.
Tựy theo nguyờn nhõn gõy chuyển động chất lỏng, tỏa nhiệt được phõn ra 2 loại:
- Tỏa nhiệt tự nhiờn là hiện tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động tự nhiờn, luụn xảy ra trong trường trọng lực khi nhiệt độ chất lỏng khỏc nhiệt độ bề mặt.
- Tỏa nhiệt cưỡng bức là hiện tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động cưỡng bức do tỏc dụng của bơm, quạt hoặc mỏy nộn.
Cường độ tỏa nhiệt, tỷ lệ thuận với hệ số tỏa nhiệt [w/m2K], và được tớnh theo cụng thức Newton:
q= (tw - tf)= ∆t (2-1)
Trong đú ∆t là hiệu số nhiệt độ bề mặt và chất lỏng.
2.2.3.. Trao đổi nhiệt bằng bức xạ:
Trao đổi nhiệt bức xạ là một dạng trao đổi nhiệt cơ bản khụng cần cú sự tiếp xỳc (khỏc với đối lưu và dẫn nhiệt) giữa cỏc vật tham gia trao đổi. Trao đổinhiệt bức xạ là hiện tượng cỏc phõn tử vật 1 bức xạ ra cỏc hạt, truyền đi trong khụng gian dưới dạng súng điện từ, mang năng lượng đến truyền cho cỏc phõn tử vật 2.
Khỏc với hai phương thức trờn, trao đổi nhiệt bức xạ cú thể xẩy ra giữa hai vật ở cỏch nhau rất xa, khụng cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thụng qua mụi trường chất lỏng và khớ, và luụn xõy ra với sự chuyển húa giữa năng lượng nhiệt và năng lượng điện từ. Đõy là phương thức trao đổi nhiệt giữa cỏc thiờn
34
thể trong vũ trụ, chẳng hạn giữa mặt trời và cỏc hành tinh. Trờn hỡnh 2.1 minh hoạ cỏc phương thức trao đổi nhiệt.
a.
b.
c.
Hỡnh 2.1 Cỏcphương thứctrao đổi nhiệt.