Теория движения тепла

Движение тепла является результатом многих факторов, которые делятся на три основные группы: теплопроводность, радиация, конвекция, т. е. переход тепла с теплоносителем.

Теплопроводность

Теплопроводность является движением тепла через твердое тело, через газ или жидкость, находящиеся в покое, причем тепло переходит всегда от точки с более высокой температурой к точке с низшей температурой. Количество перешедшего тепла можно выразить формулой

где:
?t/?x — градиент температуры в°Ц на 1 м длины;
А — площадь в м²;
? — коэффициент теплопроводности в ккал/м·час·град.

Радиация

Все твердые тела способны излучать тепло. Количество излучаемого и поглощаемого тепла у газов незначительно. Таким образом, рассмотрению подлежат прежде всего твердые тела. Можно считать, что излучение от них происходит через диатермический газ, находящийся между пограничными поверхностями. Направление радиации между двумя телами зависит от температуры этих тел и характера их поверхностей — прежде всего цвета — таким образом, что тепло переходит от более нагретой поверхности к более холодной. Переход тепла происходит тем интенсивнее, чем темнее зги тела. Температура газа в промежуточной среде не влияет на количество радиации при температурах, встречающихся на практике. Количество излучаемого тепла Q_s можно выразить формулой

Здесь:
с₁ и с₂ — коэффициенты радиации соответствующих тел, равные E·c_s;
c_s — постоянная радиации, равная 4,96 для абсолютно черной поверхности;
Е коэффициент радиации по отношению к излучению абсолютно черного тела;
Т₁ и Т₂ — абсолютная температура тел в°Ц;
А — площадь в м².

Конвекция

Переход тепла вместе с теплоносителем происходит в очень многих формах. В случаях, встречающихся в строительной технике, наиболее распространенным теплоносителем является воздух, а также в меньшей мере — вода и водяной пар.

В свободном неограниченном пространстве, например на улице, переход тепла происходит легко вместе с воздушными потоками и таким образом температуры наружного воздуха остаются на обширных территориях почти одинаковыми благодаря способности наружного воздуха быстро смешиваться. В обычном свободном комнатном пространстве циркуляция воздуха происходит медленнее и по измерениям температуры, произведенным вблизи нижнего перекрытия и у потолка или на различных расстояниях от стен, окон и дверей, можно заметить разницу в температурах. Внутренняя циркуляция комнатного воздуха вызывается разностью плотностей более и менее нагретого воздуха.

Вблизи твердых тел, как например около поверхностей стен, движение воздуха замедляется. Чем ближе к стене, тем медленнее движение воздуха, а в нескольких миллиметрах от поверхности воздух находится практически в полном покое. Тепло движется через этот слой воздуха почти целиком посредством проводимости. Это последнее явление называется поверхностным сопротивлением, и величина его зависит от характера, расположения и абсолютной температуры поверхности, а также от скорости движения воздуха на расстоянии от поверхности. У более шероховатой поверхности трение по отношению к воздуху больше и «неподвижный» слой толще. Если тепло движется по горизонтальной поверхности вверх, то этот слой тоньше и нагревшиеся частицы воздуха имеют возможность подниматься беспрепятственно. При направлении движения тепла от горизонтальной поверхности вниз неподвижный слой соответственно толще. При более высокой абсолютной температуре вязкость воздуха меньше и указанный слой становится тоньше.

В меньшем масштабе происходит переход тепла в воздушных прослойках и порах внутри конструкций, где воздух циркулирует под влиянием различной плотности воздуха, вызванной разностью температур. Величина переноса тепла через поры зависит прежде всего от величины и формы пор.