Поток горячего воздуха - Heat flux

Поток горячего воздуха
Тепловой поток через поверхность.${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$
Общие символы	${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$
Единица СИ	Вт / м 2
Прочие единицы	Британские тепловые единицы / (h⋅ft 2 )
В базовых единицах СИ	кг⋅с −3
Измерение	${\ Displaystyle {\ mathsf {M}} {\ mathsf {T}} ^ {- 3}}$

Тепловой поток или тепловой поток , иногда также называемый плотностью теплового потока, плотностью теплового потока или интенсивностью теплового потока, представляет собой поток энергии на единицу площади в единицу времени. В системе СИ его единицы - ватты на квадратный метр (Вт / м ² ). У него есть направление и величина, поэтому это векторная величина. Для определения теплового потока в определенной точке пространства берется предельный случай, когда размер поверхности становится бесконечно малым.

Тепловой поток часто обозначается , нижний индекс д , определяющий тепловой поток, в отличие от массы или импульса потока . Закон Фурье - важное применение этих концепций. ${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$

Закон Фурье

Для большинства твердых тел в обычных условиях тепло переносится в основном за счет теплопроводности, и тепловой поток адекватно описывается законом Фурье.

Закон Фурье в одном измерении

${\ displaystyle \ phi _ {\ text {q}} = - к {\ гидроразрыва {dT (x)} {dx}}}$

где - теплопроводность . Отрицательный знак показывает, что тепловой поток перемещается из областей с более высокими температурами в области с более низкими температурами. ${\ displaystyle k}$

Многомерное расширение

Диаграмма, изображающая тепловой поток через теплоизоляционный материал с теплопроводностью k и толщиной x. Тепловой поток можно определить с помощью двух измерений температуры поверхности с каждой стороны материала с использованием датчиков температуры, если k и x материала также известны.

Диаграмма, изображающая тепловой поток через теплоизоляционный материал с теплопроводностью k и толщиной x. Тепловой поток можно напрямую измерить с помощью одного датчика теплового потока, расположенного на любой поверхности или встроенного в материал. При использовании этого метода знание значений k и x материала не требуется.

Многомерный случай аналогичен, тепловой поток идет «вниз» и, следовательно, градиент температуры имеет отрицательный знак:

${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ mathrm {q}}}} = - к \ набла T}$

где - оператор градиента . ${\ displaystyle {\ nabla}}$

Измерение теплового потока

Измерение теплового потока можно выполнять несколькими способами. Широко известный, но часто непрактичный метод заключается в измерении разницы температур на куске материала с известной теплопроводностью . Этот метод аналогичен стандартному способу измерения электрического тока, при котором измеряется падение напряжения на известном резисторе . Обычно этот метод трудно выполнить, поскольку термическое сопротивление испытываемого материала часто неизвестно. Для определения термического сопротивления потребуются точные значения толщины материала и теплопроводности. Затем, используя тепловое сопротивление, а также измерения температуры с обеих сторон материала, можно косвенно рассчитать тепловой поток.

Второй метод измерения теплового потока заключается в использовании датчика теплового потока или преобразователя теплового потока для непосредственного измерения количества тепла, передаваемого на / от поверхности, на которой установлен датчик теплового потока. Наиболее распространенным типом датчика теплового потока является термобатарея с дифференциальной температурой, которая работает по существу по тому же принципу, что и первый упомянутый метод измерения, за исключением того, что он имеет преимущество в том, что термическое сопротивление / проводимость не обязательно должны быть известным параметром. Эти параметры не обязательно знать, поскольку датчик теплового потока позволяет измерять существующий тепловой поток на месте с помощью эффекта Зеебека . Однако дифференциальные датчики теплового потока с термобатареями необходимо откалибровать, чтобы соотнести их выходные сигналы [мкВ] со значениями теплового потока [Вт / (м ² ⋅K)]. После калибровки датчика теплового потока его можно использовать для прямого измерения теплового потока, не требуя редко известных значений теплового сопротивления или теплопроводности.

Актуальность для науки и техники

Одним из инструментов в арсенале ученого или инженера является энергетический баланс . Такой баланс может быть установлен для любой физической системы, от химических реакторов до живых организмов, и обычно принимает следующую форму:

${\ displaystyle {\ big.} {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {in}}} {\ partial t}} - {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {out}}} {\ partial t} } - {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {накоплено}}} {\ partial t}} = 0}$

где три члена означают скорость изменения во времени соответственно общего количества поступающей энергии, общего количества исходящей энергии и общего количества накопленной энергии. ${\ displaystyle {\ big.} {\ frac {\ partial E} {\ partial t}}}$

Теперь, если единственный способ, которым система обменивается энергией с окружающей средой, - это теплопередача, скорость тепла можно использовать для расчета баланса энергии, поскольку

${\ displaystyle {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {in}}} {\ partial t}} - {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {out}}} {\ partial t}} = \ oint _ {S} {\ overrightarrow {\ phi _ {\ mathrm {q}}}} \ cdot \, {\ overrightarrow {dS}}}$

где мы интегрировали тепловой поток по поверхности системы. ${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$${\ displaystyle S}$

В реальных приложениях невозможно знать точный тепловой поток в каждой точке поверхности, но для вычисления интеграла можно использовать схемы аппроксимации, например интегрирование Монте-Карло .

Смотрите также

• Сияющий поток
• Скрытый тепловой поток
• Скорость теплового потока
• Инсоляция
• Датчик теплового потока
• Релятивистская теплопроводность

Заметки