• Buharlaşma ve yoğunlaşma.

İyi kapatılmış bir parfüm şişesi çok uzun süre dayanabilir ve içindeki parfüm miktarı değişmez. Şişe açık bırakılırsa yeterince uzun süre baktıktan sonra içinde sıvı olmadığını göreceksiniz. Aromatik maddelerin içinde çözüldüğü sıvı buharlaşmıştır.

Fakat bu fenomen nasıl açıklanabilir?

Bir sıvıdaki moleküller rastgele hareket eder. Sıvının sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, moleküllerin kinetik enerjisi o kadar büyük olur. Belirli bir sıcaklıkta moleküllerin kinetik enerjisinin ortalama değeri belirli bir değere sahiptir. Her molekülün bir kinetik enerjisi vardır. şu an ortalamanın altında veya üzerinde olabilir. Bir noktada, tek tek moleküllerin kinetik enerjisi o kadar büyük olabilir ki, diğer moleküllerin çekici kuvvetlerinin üstesinden gelerek sıvının dışına uçabilirler. süreç bubuharlaşma.

Kaçan molekül, gazın rastgele termal hareketinde yer alır. Rastgele hareket ederek, açık bir kapta sıvının yüzeyinden kalıcı olarak uzaklaşabilir, ancak tekrar sıvıya geri dönebilir. Böyle bir sürece deniryoğunlaşma.

Kap üzerindeki hava akışı, sıvının oluşan buharlarını beraberinde taşırsa, sıvı daha hızlı buharlaşır, çünkü buhar molekülü sıvıya geri dönme kabiliyeti azalır. Sıvının sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, sıvıdan kaçmak için yeterli olan molekül sayısı o kadar fazla olur. kinetik enerji buharlaşma o kadar hızlı olur.

Buharlaşma sırasında daha hızlı moleküller sıvıyı terk eder, bu nedenle sıvı moleküllerin ortalama kinetik enerjisi azalır. Bu, sıvının sıcaklığında bir azalma olduğu anlamına gelir. Elinizi hızla buharlaşan bir sıvıyla (benzin veya aseton) nemlendirdikten sonra, ıslanan alanın hemen güçlü bir şekilde soğumasını hissedeceksiniz. Elinize üflerseniz soğutma artacaktır.

Sıvıyı buharlaşma fırsatından mahrum ederseniz, soğuması çok daha yavaş gerçekleşir. Yağlı çorbanın ne kadar sürede soğuduğunu hatırlayın. Yüzeyindeki bir yağ tabakası, hızlı su moleküllerinin salınmasını engeller.

• Doymuş buhar.

Sıvı içeren kap sıkıca kapatılırsa, düşüşü yakında duracaktır. Sabit bir sıcaklıkta, sıvı - buhar sistemi bir termal denge durumuna gelecek ve keyfi olarak uzun bir süre içinde kalacaktır. Buharlaşma süreciyle eş zamanlı olarak, her iki süreç de ortalama olarak birbirini telafi eden yoğuşma da meydana gelir.

İlk anda sıvı kabın içine dökülüp kapatıldıktan sonra sıvı buharlaşacak ve üstündeki buhar yoğunluğu artacaktır. Ancak aynı zamanda sıvıya dönen moleküllerin sayısı da artacaktır. Buhar yoğunluğu ne kadar yüksek olursa, daha fazla molekülleri sıvıya geri döndürülür. Sonuç olarak, sabit sıcaklıkta kapalı bir kapta, dinamik(mobil) denge sıvı ve buhar arasında, yani sıvının yüzeyinden ayrılan moleküllerin sayısı, ortalama olarak, aynı anda sıvıya dönen buhar moleküllerinin sayısına eşittir.

Sıvısı ile dinamik dengede olan buhara denir. doymuş buhar .

Bir sıvının serbest yüzeyinin üzerinde, her zaman bu sıvının buharlaşma nedeniyle oluşan buharları vardır. Sıvının serbest yüzeyinin üzerindeki boşluk herhangi bir duvarla sınırlı değilse, buharlaşan maddenin molekülleri veya atomları kaotik termal hareket yaparak sıvının yüzeyinden uzaklaşır. Bir sıvının yüzeyinden buhar parçacıklarının uzaklaştırılması, difüzyon olgusunun yanı sıra hava katmanlarının doğal veya yapay konveksiyonu ile kolaylaştırılır. Buhar partikül konsantrasyonu Sabit sıcaklık bu koşullar altında hem azalma hem de artış yönünde geniş bir aralıkta değişebilir. Bu tür çiftlere doymamış denir.

Sıvının serbest yüzeyinin üzerinde sınırlı bir boşluk varsa farklı bir resim gözlemlenir. Buharlaşan sıvının buharları dışında başka gazlı maddelerle dolu olup olmadığı önemli değildir. Kapalı bir alana buharlaşma sürecinin ancak belirli bir sınıra kadar gerçekleşebileceğini belirtmek önemlidir. Buhar halindeki buharlaşan maddenin moleküllerinin veya atomlarının konsantrasyonu ne kadar büyük olursa, bu buharların sabit sıcaklıktaki basıncı o kadar büyük olur. Bu durumda, artan sayıda molekül veya atom serbest yüzeyden sıvıya geri dönebilir. Buhara verilen alan yeterince küçük ve sıvı yeterince büyükse, dinamik denge şu şekilde kurulabilir: Birim zamanda sıvıdan ayrılan parçacıkların sayısı, aynı sürede sıvıya dönen parçacıkların sayısına eşittir. . Bu durumda, sıvının üzerinde sabit bir buhar kütlesi olacaktır ve bu koşullar altında parçacıklarının daha yüksek bir konsantrasyonu elde edilemez. Bu tür buhara doymuş denir.

Belirli bir sıcaklıkta bir maddenin doygun buhar basıncı, tek kesin değere sahip olabilir.

Belirli bir maddenin doymuş bir buharına sabit bir sıcaklıkta sağlanan alan hacmindeki bir azalma, parçacıklarının konsantrasyonu belirli bir değeri aşamadığından, buharın bir kısmının bir sıvıya yoğunlaşmasına yol açar. Bu izotermal sıkıştırma doymuş buharlar sıradan gibi davranan doymamış buharların sıkıştırılmasından farklıdır. ideal gazlar. Bu nedenle Boyle-Mariotte yasası doymuş buharlar için geçerli değildir.

Gay-Lussac yasası doymuş buharlar için de geçerli değildir, çünkü onlara sağlanan hacim sıcaklıktan bağımsızdır.

Doymuş buhar ve Charles yasası için geçerli değildir. artan sıcaklık ile ideal gazlar veya doymamış buharlar izokorik süreçte, parçacıklarının ortalama kinetik enerjisi artar, bu da birbirleriyle ve geminin duvarlarıyla daha sık çarpışmalarına yol açar, yani. basınçta bir artışa.

Belirli bir kapalı kabın tam olarak bir maddenin doymuş buharını içerdiğinden, ancak kap bu maddeyi içinde bulunduruyorsa güvenle konuşmak mümkündür. sıvı hal ve sıvı fazının kütlesi değişmez.

Örneğin önümüze kapalı bir cam kap koyarlar ve herhangi bir ölçüm yapmadan doymuş veya doymamış su buharı içerip içermediğini belirlememizi isterler.

Bu soruyu cevaplamak için, kabın içeriğinin çevredeki hava ile termodinamik dengeye gelmesi için birkaç dakika beklemeniz gerekir. Bunun nedeni, kabın odadan hangi sıcaklıkta getirildiğini bilmememizdir ve sabit bir hacimde buharın sıcaklığındaki bir değişiklik, buharı doymamış bir durumdan doymuş bir duruma getirebilir ve bunun tersi de geçerlidir. . Denge kurulduktan sonra kabın iç duvarlarında su yoğuşması olmazsa, gözlemin yapıldığı sıcaklıkta kabın doymamış buhar içerdiğini söylemeliyiz. Kabın duvarlarında su damlacıkları belirirse, buhar doymuştur.

Havadaki su buharı

Dünyanın atmosferi her zaman su buharı içerir. Onların varlığı çok sık hesaba katılmalıdır. Özellikle kapalı veya yetersiz havalandırılan odalarda, kurutma odalarında vb. hava nemi doğru bir şekilde değerlendirilmelidir.

İçin niceleme Havadaki su buharı içeriği iki değer kullanır - mutlak nem (f) ve bağıl nem (B).

Mutlak nem denir fiziksel miktar, bir metreküp havanın içerdiği su buharı kütlesi ile ölçülür. Böylece, mutlak nem yoğunluk boyutuyla örtüşür, ancak pratikte genellikle bir birim kullanırlar - 1 g / m3.

İkinci durum, g / m3 olarak ifade edilen mutlak nemin f'nin sayısal değerden çok az farklı olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. kısmi basıncı aynı koşullar altında su buharı p, milimetre cıva ile ölçülür.

Havadaki su buharının kısmi basıncının p doymuş su buharı basıncına yüzde oranı p n.p. belirli bir sıcaklıkta bağıl nem denir:

Hesaplarken bağıl nem bu formüle göre, basınç p ve p n.s. aynı birimlerde ölçülmelidir. Genellikle paskal cinsinden değil, milimetre cıva cinsinden ölçülürler. p n.s değeri tablolardan belirlenir.

Soğutma sırasında havanın su buharına doyduğu sıcaklığa çiğ noktası denir.

ISI TRANSFERİNİN TEMELLERİ

Isı transferi, cisimler arasındaki ısı transfer süreçlerinin modellerini ve ısının bir cisim içindeki dağılımını inceleyen bir bilimdir. Makinelerin, motorların, aparatların vb. çalışma süreçlerinde hemen hemen her yerde meydana gelen ısı akışlarını kontrol etmek için ısı transferi yasalarının incelenmesi gereklidir.

Isı transferi teorisinde iki ana soru göz önünde bulundurulur:

I. Belirli koşullar altında bir vücuttan diğerine aktarılan veya vücudun bir bölümünden diğerine geçen ısı miktarının belirlenmesi.

II. Isı transferi sürecinde yer alan vücudun farklı bölgelerindeki sıcaklığın belirlenmesi.

Isı transferi için gerekli ve yeterli bir koşul sıcaklık farkıdır.

Isı üç şekilde aktarılır: iletim, konveksiyon ve radyasyon.

Termal iletkenlik, vücudun ayrı ayrı bölümlerinin farklı sıcaklıklarla doğrudan teması yoluyla termal enerjinin dağıtılması sürecidir.

Konveksiyon, uzayda bir sıcaklıktaki bir alandan farklı bir sıcaklıktaki bir alana sıvı veya gaz hacimlerini taşırken enerji transferi işlemidir.

Radyasyon (radyan ısı transferi), elektromanyetik dalgalarla enerji transferi sürecidir. Radyasyonla ısı transferi, enerjinin çifte dönüşümüdür: daha sıcak bir cisim enerjiyi elektromanyetik salınımlar şeklinde yayar, daha az ısıtılan başka bir cisim enerjiyi emer ve ısıtır.

Genellikle, cisimler arasındaki ısı alışverişi her üç şekilde de aynı anda gerçekleşir. Bunların kombinasyonu en çeşitli olabilir. Bu durumda, ısı transferinin gerçekleştiği koşullara bağlı olarak bir yöntem diğerine üstün gelebilir.

Bununla birlikte, ısı transferi süreçlerini incelerken, farklı yasalara uydukları için, çeşitli ısı transferi yöntemlerini (termal iletim, konveksiyon ve radyasyon) açıkça ayırt etmeli ve ayrı ayrı düşünmelisiniz.

Isı mühendisliği cihazlarında ısı transferi işlemleri hem sabit (durağan) hem de kararsız (durağan olmayan) modlarda ilerleyebilir. Sabit (sabit) bir termal rejim, vücudun herhangi bir noktasındaki sıcaklığın zamana bağlı olmadığı bir rejimdir. Durağan bir rejimden önce her zaman durağan olmayan bir rejim gelir.

Durağan olmayan termal koşullarda meydana gelen işlemler (ısıtma ve soğutma işlemleri) çok karmaşıktır ve bunların dikkate alınması bu dersin programında yer almamaktadır. Bu nedenle burada sadece durağan ısı transfer süreçleri ele alınmaktadır.

TERMAL İLETKENLİK

Temel konseptler

Termal iletkenlik, ısının moleküler olarak aktarılmasıdır. süreklilik bir sıcaklık farkının varlığı nedeniyle.

Bu ısı transferi yöntemi esas olarak katılarda hem bir gövde içinde hem de birbirleriyle temas ettiklerinde iki gövde arasında gerçekleşir. Termal iletkenlik ayrıca bir sıvı veya gaz tabakası aracılığıyla da gerçekleştirilebilir. Bununla birlikte, erimiş metaller hariç, gazlar ve sıvılar çok zayıf ısı iletkenleridir.

sıcaklık alanı. Isı iletimi işlemi ve diğer ısı transferi türleri, yalnızca vücudun farklı noktalarında sıcaklığın aynı olmaması koşuluyla gerçekleştirilir. Bildiğiniz gibi, sıcaklık vücudun durumunun bir parametresidir ve ısınma derecesini karakterize eder. Belirli bir zamanda dikkate alınan alanın tüm noktalarındaki sıcaklık değerleri kümesine sıcaklık alanı denir. Matematiksel olarak, sıcaklık alanı koordinatların bir fonksiyonu olarak ifade edilir.

Tüm noktalarında sıcaklığı aynı olan bir yüzeye izotermal denir.

Çünkü uzayda aynı anda iki insan aynı noktada olamaz. farklı sıcaklıklar, o zaman farklı izotermal yüzeyler asla kesişmez. Hepsi ya vücudun yüzeyinde biter ya da tamamen içinde bulunur.

Fourier yasası. Isı akışı, herhangi bir yüzeyden birim zamanda geçen ısı miktarıdır (Q). Isı akısı vektörü daima azalan sıcaklık yönündedir.

Nicel olarak, ısı transfer yoğunluğu, ısı akısı yoğunluğu q ile karakterize edilir.

Isı akısı yoğunluğu veya özgül ısı akısı, birim zaman τ başına yüzey birimi F'den geçen ısı miktarıdır:

İlişki (51) termal iletkenliğin temel yasasını ifade eder ve Fourier yasası olarak adlandırılır.

İlişkinin (51) sağ tarafındaki eksi işareti, ısı akısı ve sıcaklık gradyan vektörlerinin zıt yönlerde yönlendirildiği anlamına gelir.

İfadedeki (51) orantılılık katsayısı λ, maddenin termal iletkenlik katsayısı olarak adlandırılan fiziksel bir parametresidir. Bir maddenin ısı iletme yeteneğini karakterize eder.

Termal iletkenlik katsayısının boyutu, ifadeden (51) belirlenir:

Sonuç olarak, termal iletkenlik katsayısının değeri, 1 o C'lik bir sıcaklık farkıyla birim kalınlıktaki bir duvardan geçen özgül ısı akışına sayısal olarak eşittir. λ ne kadar büyükse, madde o kadar iyi bir ısı iletkenidir.

Metaller iyi ısı iletkenleridir; kuru, durgun hava zayıf bir ısı iletkenidir. Hafif gözenekli malzemeler, gözenekleri hava ile dolu olduğu için ısıyı iyi iletmezler. Isı iletkenliği 0,2 W/(m-deg)'den az olan malzemelere ısı yalıtkanı denir. Suyun termal iletkenliği zayıftır, ancak ıslak bir malzemenin termal iletkenliği, kuru haldeki termal iletkenliğine kıyasla keskin bir şekilde artar. Bunun nedeni suyun ısıyı havadan 20-25 kat daha iyi iletmesidir. Bu nedenle vücuttaki gözeneklerin su ile keskin bir şekilde doldurulması ısı yalıtım özelliklerini azaltır.

Her bir cisim için ısıl iletkenlik katsayısı λ değeri deneysel olarak bulunur. Sonuçlar, hesaplamalarda kullanılan tablolarda özetlenmiştir.

Duvarın termal iletkenliği

Düz tek katmanlı duvarlar a. Şekil 6, homojen bir malzemeden (tuğla, metal, ahşap veya herhangi bir başka) yapılmış δ kalınlığında düz tek katmanlı bir duvarı göstermektedir.

λ malzemesinin ısıl iletkenlik katsayısının sıcaklığa bağlı olmadığını varsayalım. Duvarın dış yüzeylerinde sabit sıcaklıklar t 1 >t 2 korunur; sıcaklık sadece duvar düzlemine dik olan x ekseni yönünde değişir, yani sıcaklık alanı tek boyutludur ve sıcaklık gradyanı dt/dx'e eşittir.

Belirli bir duvardan geçen ısı akışının yoğunluğunu bulalım ve duvar kalınlığı boyunca sıcaklık değişiminin doğasını belirleyelim.

Duvarın içinde, iki izotermal yüzeyle sınırlanmış, dx kalınlığında bir temel katman seçelim. Bu katman için Fourier denklemi şu şekildedir:

Entegrasyondan sonra

Bu denklemden, dikkate alınan duvardan geçen ısı akışının yoğunluğu belirlenebilir. (53) x=δ denklemini koyarsak, t= elde ederiz. t2, nerede

(54)

Düz bir duvardaki ısı akısı yoğunluğu, termal iletkenlik katsayısı λ, sıcaklık farkı () ile doğru orantılı ve duvar kalınlığı δ ile ters orantılıdır. Isı akışının, sıcaklıkların mutlak değeri ile değil, farkları - sıcaklık farkı ile belirlendiği akılda tutulmalıdır.Eşitlik (54) düz bir duvarın termal iletkenliği için hesaplama formülüdür. Dört niceliği q, λ, δ ve : birbirine bağlar:

Duvar kalınlığının ısıl iletkenlik katsayısına δ/λ oranına duvarın ısıl direnci denir.

Denklem (55) özgül ısı akışının sıcaklık farkıyla doğru orantılı ve duvarın ısıl direnciyle ters orantılı olduğunu göstermektedir. Gerçekten de, (55) denklemindeki fraksiyonun paydası ne kadar büyükse, yani δ/λ, ısı akısı yoğunluğu q o kadar düşük olur. Sonuç olarak, duvar kalınlığında δ bir artışla veya termal iletkenlik λ'da bir azalma ile, ısı akısı yoğunluğu q azalır.

Isı akışı yoğunluğunu formül (54) ile belirledikten sonra, τ süresi boyunca F yüzeyi tarafından düz duvardan aktarılan joule cinsinden toplam ısı Q miktarını belirleyebiliriz:

Bu denklem bir doğrunun denklemidir. Böylece, termal iletkenlik katsayısının sabit bir değerinde, sıcaklık homojen bir duvarın kalınlığı boyunca doğrusal olarak değişir. Isıl iletkenliğin sıcaklığa bağlı olduğu durumlarda değişkendir ve hesaplama formülleri biraz daha karmaşıktır.

Düz sandviç duvar

Uygulamada büyük önem farklı termal iletkenliğe sahip birkaç malzeme katmanından oluşan düz bir duvardan ısı transferi işlemine sahiptir. Örneğin, bir buhar kazanının metal duvarı, dıştan cürufla ve içte ölçekle kaplanmış, üç katmanlı bir duvardır.

Düz üç katmanlı bir duvardan termal iletkenlik yoluyla ısı transferi sürecini ele alalım (Şekil 7). Böyle bir duvarın tüm katmanları birbirine sıkıca bitişiktir. Katman kalınlıkları δ 1, δ 2 ve δ 3 olarak adlandırılmıştır ve her malzemenin ısıl iletkenlik katsayıları sırasıyla λ 1, λ 2 ve λ 3'tür. tl ve t4 dış yüzeylerinin sıcaklıkları da bilinmektedir. Sıcaklıklar t 2 ve t 3 bilinmiyor.

Çok katmanlı bir duvardan ısıl iletkenlik yoluyla ısı transferi süreci, sabit bir modda kabul edilir, bu nedenle, duvarın her katmanından geçen spesifik ısı akısı q, büyüklük olarak sabittir ve tüm katmanlar için aynıdır, ancak yolunda üstesinden gelir. duvarın her katmanının yerel termal direnci δ/λ. Bu nedenle, her katman için formül (54)'e dayanarak şunu yazabiliriz:

Eşitliklerin (58) sol ve sağ kısımlarını ekleyerek, her katmandaki sıcaklık değişimlerinin toplamından oluşan toplam sıcaklık farkını elde ederiz:

Denklem (59)'dan, çok katmanlı bir duvarın toplam termal direncinin, her katmanın termal dirençlerinin toplamına eşit olduğu sonucu çıkar:

Formüller (58) ve (59) kullanılarak bilinmeyen sıcaklıkların değerleri elde edilebilir. t2 ve t3:

λ-const'ta duvarın her katmanındaki sıcaklık dağılımı, eşitlikten (58) görülebilen doğrusal bir yasaya uyar. Bir bütün olarak çok katmanlı bir duvar için sıcaklık eğrisi kesik bir çizgidir (Şekil 7'de).

Katmanlar arasında iyi bir termal temas olması koşuluyla, çok katmanlı bir duvar için elde edilen formüller kullanılabilir. Katmanlar arasında en azından küçük bir hava boşluğu belirirse, havanın termal iletkenliği çok düşük olduğundan, termal direnç belirgin şekilde artacaktır:

[λ B03D = 0.023 W/(m derece)].

Böyle bir katmanın varlığı kaçınılmazsa, hesaplamalarda çok katmanlı bir duvarın katmanlarından biri olarak kabul edilir.

konvektif ısı transferi. Konvektif ısı transferi, hem ısı iletimi hem de konveksiyon ile birlikte bir katı cisim ile bir sıvı (veya gaz) arasındaki ısı alışverişidir.

Katı bir gövdede olduğu gibi bir sıvıda da termal iletkenlik olgusu, sıvının kendisinin özellikleri, özellikle termal iletkenlik katsayısı ve sıcaklık gradyanı ile tamamen belirlenir.

Konveksiyonda, ısı transferi ayrılmaz bir şekilde sıvı transferi ile bağlantılıdır. Bu, süreci karmaşıklaştırır, çünkü sıvının transferi, hareketinin oluşumunun doğasına ve doğasına bağlıdır, fiziksel özellikler sıvılar, yüzeylerin şekilleri ve boyutları sağlam vücut vb.

Sıcaklığı duvar sıcaklığından daha düşük (veya daha yüksek) olan katı bir duvarın yakınında akan bir sıvı durumunu düşünün. Isı değişimi sıvı ile duvar arasında gerçekleşir. Duvardan sıvıya (veya tam tersi) ısı transferine ısı transferi denir. Newton, T st sıcaklığına sahip bir duvar ve T W sıcaklığına sahip bir sıvı tarafından birim zamanda birbirleri arasında değiştirilen ısı Q miktarının, T st - T W sıcaklık farkı ve S temas yüzeyi alanı ile doğru orantılı olduğunu gösterdi:

Q \u003d αS (T st - T kuyusu) (60)

burada α, aralarındaki sıcaklık farkı 1 K ise ve sıvı tarafından yıkanan yüzey alanı 1 m2 ise, sıvının ve duvarın bir saniyede ne kadar ısı değiştirdiğini gösteren ısı transfer katsayısıdır. SI'de ısı transfer katsayısının birimi W / (m 2 K) dir. Isı transfer katsayısı α birçok faktöre ve öncelikle akışkan hareketinin doğasına bağlıdır.

Türbülanslı ve laminer akışkan akışı, ısı transferinin farklı bir doğasına karşılık gelir. Laminer hareket sırasında, ısı, katı bir gövdede olduğu gibi, sıvı parçacıklarının hareketine dik bir yönde, yani ısı iletimi ile yayılır. Sıvının ısıl iletkenlik katsayısı küçük olduğundan, laminer akış sırasında ısı, akışa dik yönde çok zayıf bir şekilde dağılır. Türbülanslı hareket sırasında, akışkan tabakaları (az ya da çok ısıtılmış) karıştırılır ve bu koşullar altında akışkan ile duvar arasındaki ısı alışverişi laminer akışa göre daha yoğundur. Sıvının sınır tabakasında (boru duvarlarının yakınında), ısı sadece ısı iletimi ile aktarılır. Bu nedenle, sınır tabakası, ısı akışına karşı büyük bir direnci temsil eder ve en büyük sıcaklık farkı kaybı burada meydana gelir.

Hareketin doğasına ek olarak, ısı transfer katsayısı sıvı ve katının özelliklerine, sıvının sıcaklığına vb. bağlıdır. Bu nedenle, ısı transfer katsayısını teorik olarak belirlemek oldukça zordur. Çok miktarda deneysel malzemeye dayanarak, çeşitli konvektif ısı transferi durumları için aşağıdaki ısı transfer katsayıları [W/(m 2 K) cinsinden] bulunmuştur:

Temel olarak, konvektif ısı transferi, örneğin bir borunun duvarları ile içinden akan sıvı arasındaki ısı transferi gibi, bir sıvının uzunlamasına bir zorlanmış akışı ile meydana gelir; enine zorlanmış akış, örneğin, bir enine boru demetinin sıvı ile yıkanması sırasında ısı transferi; serbest dolaşımörneğin, bir sıvı ile onun yıkadığı dikey bir yüzey arasındaki ısı değişimi; değiştirmek toplama durumuörneğin, bir yüzey ile bir sıvı arasındaki ısı değişimi, bunun sonucunda sıvının kaynaması veya buharlarının yoğunlaşması.

Radyan ısı transferi. Radyan ısı transferi, ısıyı bir vücuttan diğerine radyan enerji şeklinde aktarma işlemidir. Yüksek sıcaklıklarda ısı mühendisliğinde, radyasyonla ısı transferi çok önemlidir. Bu nedenle, yüksek sıcaklıklar için tasarlanmış modern ısı mühendisliği üniteleri, bu tür ısı transferinden en iyi şekilde yararlanır.

Sıcaklığı mutlak sıfırdan farklı olan herhangi bir cisim elektromanyetik dalgalar yayar. Enerjileri diğer cisimleri emebilir, yansıtabilir ve kendi içinden geçebilir. Buna karşılık, bu beden aynı zamanda, yansıyan ve iletilen enerji ile birlikte çevredeki bedenlere (ilk beden dahil) düşen ve tekrar emilen, onlar tarafından yansıtılan vb. Enerjiyi yayar. Tüm elektromanyetik ışınlardan kızılötesi en büyük termal etki ve 0.4-40 mikron dalga boyuna sahip görünür ışınlar. Bu ışınlara ısı ışınları denir.

Işınım enerjisinin cisimler tarafından emilmesi ve yayılması sonucunda aralarında ısı alışverişi meydana gelir.

Bir cismin radyan ısı transferi sonucu emdiği ısı miktarı, üzerine gelen enerji ile onun yaydığı enerji arasındaki farka eşittir. Karşılıklı radyan enerji alışverişine katılan cisimlerin sıcaklıkları farklıysa, böyle bir fark sıfır değildir. Vücutların sıcaklıkları aynıysa, tüm sistem dinamik termal dengededir. Ancak bu durumda bile, bedenler yine de ışıma enerjisi yayıyor ve soğuruyor.

Bir cismin birim yüzeyinin birim zamanda yaydığı enerjiye salım gücü denir. Emisivite birimi W/m a'dır.

Birim zamanda Q 0 enerjisi vücuda düşerse (Şekil 8), Q R yansıtılır, Q D içinden geçer, Q A emilir, sonra

burada Q A /Q 0 \u003d A vücudun emme kapasitesidir; Q R /Q o = R - vücudun yansıtıcılığı; Q D /Q 0 \u003d D, vücudun geçirgenliğidir.

A \u003d 1 ise, R \u003d D \u003d 0, yani gelen tüm enerji tamamen emilir. Bu durumda vücudun tamamen siyah olduğu söylenir. R = 1 ise, A=D = 0 ve ışınların gelme açısı yansıma açısına eşittir. Bu durumda, cisim kesinlikle aynasaldır ve eğer yansıma dağınıksa (her yöne tekdüze), kesinlikle beyazdır. D = 1 ise, A=R= 0 ve gövde kesinlikle şeffaftır. Doğada ne mutlak siyah, ne mutlak beyaz, ne de mutlak şeffaf cisimler vardır. Gerçek cisimler bu tip cisimlerden birine ancak bir dereceye kadar yaklaşabilir.

Farklı cisimlerin emme kapasitesi farklıdır; Ayrıca, aynı vücut enerjiyi farklı şekilde emer. çeşitli uzunluklar dalgalar. Bununla birlikte, belirli bir dalga boyu aralığında, soğurmanın dalga boyuna çok az bağlı olduğu cisimler vardır. Bu tür cisimlere genellikle belirli bir dalga boyu aralığı için gri cisimler denir. Uygulama, ısı mühendisliğinde kullanılan dalga boylarının aralığı ile ilgili olarak, birçok cismin gri olarak kabul edilebileceğini göstermektedir.

Bir siyah cismin birim yüzeyinden birim zamanda yayılan enerji dördüncü kuvvetle orantılıdır. mutlak sıcaklık(Stefan-Boltzmann yasası):

E 0 \u003d σ "0 T A, burada σ" 0 tamamen siyah bir cismin radyasyon sabitidir:

σ "0 \u003d 5.67-10-8 W / (m 2 - K 4).

Bu yasa genellikle şeklinde yazılır

tamamen siyah bir cismin emisyonu nerede; \u003d 5,67 W / (m 2 K 4).

Bir kara cisim için oluşturulmuş birçok radyasyon yasası, ısı mühendisliği için büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle, bir kazan tesisinin fırınının boşluğu, tamamen siyah bir gövdenin modeli olarak düşünülebilir (Şekil 9). Böyle bir modelle ilgili olarak, kara cisim ışıması yasaları büyük bir doğrulukla yerine getirilir. Ancak, bu yasalar termal tesislerle ilgili olarak dikkatli kullanılmalıdır. Örneğin, gri bir cisim için Stefan-Boltzmann yasası formül (62)'ye benzer bir forma sahiptir:

(63)

burada / oranı, emisyon derecesi ε olarak adlandırılır (ε ne kadar büyükse, incelenen gövde mutlak siyahtan o kadar farklıdır, Tablo 4).

Formül (63), fırınların emisyonunu, yanan yakıt tabakasının yüzeyini vb. belirlemek için kullanılır. Aynı formül, yanma odasında radyasyonla aktarılan ısının yanı sıra elementler tarafından da dikkate alındığında kullanılır. kazan ünitesi.

Fırının içini dolduran gövdeler sürekli olarak enerji yayar ve emer. Bununla birlikte, bu gövdelerin sistemi, sıcaklıkları farklı olduğu için termal bir denge durumunda değildir: modern kazanlarda, su ve buharın geçtiği boruların sıcaklığı, fırın boşluğunun ve iç mekanın sıcaklığından çok daha düşüktür. fırının yüzeyi. Bu koşullar altında, boruların emisyonu çok daha azdır.

Tablo 4

fırının ve duvarlarının emisyonu. Bu nedenle, aralarından geçen radyasyonla ısı değişimi, esas olarak fırından boruların yüzeyine enerji aktarımı yönünde gerçekleştirilir.

Sırasıyla T1 ve T2 sıcaklığına sahip ε3 ve ε2 emisyon derecelerine sahip iki paralel yüzey arasındaki radyan ısı değişimi sırasında, değiştirdikleri enerji miktarı formül ile belirlenir.

Aralarında radyan ısı alışverişi olan cisimler, iç içe yerleştirilmiş yüzeyler ve S1 ve S2 ile sınırlandırılmışsa, indirgenmiş radyasyon katsayısı formül ile belirlenir.

(66)

Isı transferi

Ayrı bir katı duvar yoluyla sıcak ve soğuk ortam arasındaki ısı değişimi, mühendislikte en önemli ve sık kullanılan işlemlerden biridir. Örneğin, kazan ünitelerinde belirli parametrelerde bir buharın elde edilmesi, bir soğutucudan diğerine ısı transferi işlemine dayanır. Herhangi bir endüstride kullanılan çok sayıda ısı değişim cihazında ana çalışma süreci, ısı taşıyıcılar arasında ısı alışverişi işlemidir. Bu ısı transferine ısı transferi denir.

Örneğin, kalınlığı δ'ye eşit olan tek katmanlı (Şekil 10) bir duvar düşünün. Duvar malzemesinin ısıl iletkenlik katsayısı λ'ya eşittir. Sol ve sağdaki duvarı yıkayan ortamın sıcaklıkları bilinmektedir ve t 1 ve t 2'ye eşittir. t 1 >t 2 kabul ediyoruz. Daha sonra duvar yüzeylerinin sıcaklıkları sırasıyla t st1 > /t st2 olacaktır. Isıtma ortamından ısıtılan ortama duvardan geçen ısı akısını q belirlemek gerekir.

Söz konusu ısı transfer işlemi durağan bir modda ilerlediğinden, birinci ısı taşıyıcının (sıcak) duvara verdiği ısı, onun vasıtasıyla ikinci ısı taşıyıcıya (soğuk) aktarılır. (54) formülünü kullanarak şunları yazabiliriz:

Bu eşitlikleri toplayarak toplam sıcaklık farkını elde ederiz:

Denklem (68)'in paydası, termal iletkenlik termal direnci δ/λ ve iki termal ısı transfer direnci l/α 1 ve 1/α 2'den oluşan termal dirençlerin toplamıdır.

Notasyonu tanıtıyoruz

k değerine ısı transfer katsayısı denir.

Isı transfer katsayısının tersi, ısı transferine karşı toplam termal direnç olarak adlandırılır:

(71)

Moleküler kinetik teori, sadece bir maddenin neden gaz, sıvı ve katı halde olabileceğini anlamaya değil, aynı zamanda bir maddenin bir halden diğerine geçiş sürecini açıklamaya da izin verir.

Buharlaşma ve yoğunlaşma. Açık bir kaptaki su veya başka herhangi bir sıvının miktarı yavaş yavaş azalır. Mekanizması sınıf VII fizik dersinde açıklanan sıvının buharlaşması meydana gelir. Kaotik hareket sırasında, bazı moleküller o kadar büyük bir kinetik enerji kazanırlar ki, moleküllerin geri kalanından gelen çekim kuvvetlerini yenerek sıvıyı terk ederler.

Buharlaşma ile eşzamanlı olarak, ters işlem gerçekleşir - rastgele hareket eden buhar moleküllerinin bir kısmının bir sıvıya geçişi. Bu işleme yoğuşma denir. Kap açıksa, sıvıyı terk eden moleküller geri dönmeyebilir.

sıvı. Bu durumlarda buharlaşma yoğuşma ile telafi edilmez ve sıvı miktarı azalır. Kap üzerindeki hava akımı oluşan buharları alıp götürdüğünde, buhar molekülünün sıvıya geri dönme şansı daha az olduğundan sıvı daha hızlı buharlaşır.

Doymuş buhar. Sıvı içeren kap sıkıca kapatılırsa, düşüşü yakında duracaktır. Sabit bir sıcaklıkta, "sıvı - buhar" sistemi bir termal denge durumuna gelecek ve keyfi olarak uzun bir süre içinde kalacaktır.

İlk anda sıvı kabın içine dökülüp kapatıldıktan sonra buharlaşacak ve sıvının üzerindeki buhar yoğunluğu artacaktır. Ancak aynı zamanda sıvıya dönen moleküllerin sayısı da artacaktır. Buhar yoğunluğu arttıkça, sıvıya dönen buhar moleküllerinin sayısı da artar. Sonuç olarak, sabit sıcaklıktaki kapalı bir kapta, sonunda sıvı ve buhar arasında dinamik (hareketli) bir denge kurulacaktır. Sıvının yüzeyinden ayrılan moleküllerin sayısı, aynı anda sıvıya dönen buhar moleküllerinin sayısına eşit olacaktır. Buharlaşma süreciyle eş zamanlı olarak yoğuşma meydana gelir ve her iki süreç de ortalama olarak birbirini telafi eder.

Sıvısı ile dinamik dengede olan buhara doymuş buhar denir. Bu ad, belirli bir sıcaklıkta belirli bir hacmin daha fazla buhar içeremeyeceğini vurgular.

Sıvı içeren kaptaki hava önceden dışarı pompalanırsa, sıvının yüzeyinin üzerinde yalnızca doymuş buhar olacaktır.

Doymuş buhar basıncı. Doymuş buhara, örneğin, silindir içindeki sıvı ile denge halindeki buharın bir piston altında sıkıştırılması ve silindir içeriğinin sıcaklığı sabit tutularak kapladığı hacim azaltılırsa ne olur?

Buhar sıkıştırıldığında, denge bozulmaya başlayacaktır. İlk anda, buhar yoğunluğu hafifçe artar ve gazdan sıvıya, sıvıdan gaza göre daha fazla molekül geçmeye başlar. Bu, denge ve yoğunluk yeniden kurulana kadar devam eder ve dolayısıyla moleküllerin konsantrasyonu aynı değeri almaz. Doymuş buhar moleküllerinin konsantrasyonu bu nedenle sabit sıcaklıkta hacimden bağımsızdır.

Basınç, formüle göre konsantrasyonla orantılı olduğundan, doymuş buharların konsantrasyonunun (veya yoğunluğunun) hacimden bağımsızlığından, doymuş buhar basıncının kapladığı hacimden bağımsızlığını takip eder.

Bir sıvının buharıyla dengede olduğu hacimden bağımsız buhar basıncına doymuş buhar basıncı denir.

Doymuş buhar sıkıştırıldığında, giderek daha fazla sıvı hale geçer. Belirli bir kütleye sahip bir sıvı, aynı kütleye sahip bir buhardan daha küçük bir hacim kaplar. Sonuç olarak, sabit yoğunluktaki buharın hacmi azalır.

"Gaz" ve "buhar" kelimelerini birçok kez kullandık. Gaz ve buhar arasında temel bir fark yoktur ve bu kelimeler genellikle eşdeğerdir. Ancak belirli, nispeten küçük bir sıcaklık aralığına alışkınız. çevre. "Gaz" kelimesi genellikle, normal sıcaklıklarda doymuş buhar basıncı atmosferik (örneğin, karbondioksit) üzerinde olan maddelere uygulanır. Aksine, oda sıcaklığında doymuş buhar basıncı atmosfer basıncından düşük olduğunda ve madde sıvı halde (örneğin su buharı) daha kararlı olduğunda buhardan bahsederler.

Doymuş buhar basıncının hacimden bağımsızlığı, sıvısı ile dengede olan buharın izotermal sıkıştırılması üzerine yapılan çok sayıda deneyde belirlenmiştir. Maddenin büyük hacimlerde olmasına izin verin gaz hali. İzotermal sıkıştırma arttıkça yoğunluğu ve basıncı artar (Şekil 51'deki AB izoterminin kesiti). Basınca ulaşıldığında, buhar yoğunlaşmaya başlar. Ayrıca, doymuş buhar sıkıştırıldığında, tüm buhar bir sıvıya dönüşene kadar basınç değişmez (Şekil 51'de BC düz çizgisi). Bundan sonra, sıkıştırma sırasındaki basınç keskin bir şekilde artmaya başlar (sıvılar çok az sıkıştırılabilir olduğundan eğrinin bir parçası.

Şekil 51'de gösterilen eğriye gerçek gaz izotermi denir.