Тепловая конвекция

Передача тепла от твердого тела подвижному агенту или внутри подвижного агента также называется конвекцией. Конвекция может быть естественной (под действием сил тяжести) или искусственной (выполняемой механическим путем). При естественной конвекции воздуха на его молекулы действуют две силы, сила тяжесш и выталкивающая сила. Теплый воздух поднимается вверх, унося с собой тепло от горячих поверхностей. Более холодный воздух опускается вниз к теплым объектам. Искусственная кон­векция воздуха осуществляется при помощи фена или вентилятора. Она также орга­низуется в жидкостных термостатах для поддержания требуемого уровня темпера­туры внутри устройства. Эффективность передачи тепла конвективным способом определяется скоростью движения промежуточного агента, градиентом температу­ры, площадью поверхности объекта и тепловыми свойствами окружающей среды. Объект, температура которого отличается от внешней температуры, будет получать или отдавать тепло, что можно описать при помощи уравнения, похожего на выра­жение передачи тепла по механизму теплопроводности:

где а — коэффициент конвекции, определяемый удельной теплоемкостью теку­чей среды (жидкости или газа), ее вязкостью и скоростью движения. Этот коэф­фициент зависит не только от силы тяжести, но и от градиента температур. Для пластины, расположенной горизонтально в воздухе, значение а можно оценить при помощи следующей формулы:

а для пластины, расположенной вертикально, формула принимает вид:

Следует отметить, что эти выражения годятся только для одной стороны пласти­ны, здесь предполагается, что пластина представляет собой поверхность беско­нечного источника тепла (т.е. ее температура не зависит от потерь тепла), а окру­жающая среда имеет постоянную температуру. Если объем воздуха мал, напри­мер, воздушный зазор между двумя поверхностями разной температуры, движе­ние молекул газа становится очень ограниченным, тогда конвективной переда­чей тепла можно пренебречь. В этом случае передача тепла осуществляется через теплопроводность воздуха и излучение.