Моделирование процессов теплообмена

19-amaliy mashgulotIssiqlik almashinuv jarayonlarini modellashtirish

Issiqlik almashinish, issiqlik uzatish—issiqroq jismdan sovuqroq jismga issiqlik uzatilishi bilan bogʻliq boʻlgan oʻz-oʻzidan yuz beruvchi qaytmas jarayon; mikrozarralarning tartibsiz harakati bilan boglik boʻlgan, energiyasining bir jismdan ikkinchi jismga mikroskopik ish bajarmasdan uzatilishiga olib keluvchi jarayonlar majmui. Issiqlik almashinish issiklik oʻtkazuvchanlik, konveksiya va radiatsiya yoʻli bilan sodir boʻladi. Isituvchi sirt issiklik uzatuvchi sirt deb ataladi. Issiqlik almashinish da suyuqlik yoki gaz (bugʻ) ish muhiti hisoblanadi. Issiqlik almashinish nazariyasi energiyani uzatish haqidagi taʼlimotning bir qismi boʻlib, texnik termodinamika bilan birga issiklik texnikasi nazariy asosini tashkil qiladi. Bugʻ Kozonlarida, bugʻ va gaz turbinalarida, pechlarda Issiqlik almashinish hodisasi roʻy beradi. Tabiatda uzluksiz Issiqlik almashinish yuz berib turadi Issiqlik almashinish ning nazariy va amaliy masalalari issiqlik texnikasida oʻrganiladi. [

Issiqlik almashinishi

Issiqlik konveksiya, nurlanish hamda issiqlik o‘tkazuvchanlik vositasida uzatilishi mumkin.
Termodinamikaning ikkinchi bosh qonuni issiqlik doimo harorat yuqoriroq jismdan harorati pastroq jismga tomon uzatiladi. Biroq, qonunda issiqlik uzatilish mexanizmlari haqida lom-mim deyilmagan. Holbuki, issiqlik uzatilish jarayonlarining mohiyatini yaxshi bilish va ulardan foydali ish chiqara olish - muhandislik fizikasi nuqtai nazaridan nihoyatda muhim masala. Shu sababli ham, issiqlik almashinish jarayonlariga oid tafsilotlarni o‘rganish - amaliy fan sohalari bilan shug‘ullanuvchi olimlar va muhandislar oldidagi eng dolzarb muammolardan biri bo‘lib kelgan. Yuqorida ham ta'kidlanganidek, hozirda olimlar issiqlik almashinuv jarayonlarining uch xilini farqlab olishgan va ularning har birining zamirida o‘ziga xos noyob fizik jarayon yotadi.

Issiqlik o‘tkazuvchanlik.
Oldingizda kosada qo‘yilgan qaynoq sho‘rvaga qoshiqni solib qo‘ysangiz, ko‘p o‘tmay qoshiqni ham ushlay olmay qolasiz. Sababi, qoshiq tayyorlangan metall katta issiqlik o‘tkazuvchanlik ko‘rsatkichiga ega bo‘ladi. Shu sababli, metall qoshiqning sho‘rvaga botib turgan qismi, sho‘rva issiqligini butun metall bo‘ylab o‘tkazadi va qoshiq ham qizib ketadi. Umuman olganda, deyarli barcha metallar yuqori issiqlik o‘tkazuvchanlik namoyon qiladi va metallga uzatilgan issiqlik butun metall bo‘ylab juda tez tarqaladi.

O‘zi aslida, tabiatda har qanday jism o‘ziga xos issiqlik o‘tkazuvchanlik ko‘rsatkichiga ega bo‘ladi (turli jismlarning issiqlik o‘tkazuvchanligi). Metallarning issiqlik o‘tkazuvchanligining bu darajada yuqoriligi esa, metallarning atom tabiati bilan bog‘liqdir. Metallarda atomlar uch o‘lchamli kristall panjara shaklida tartiblangan bo‘lib, ular o‘z o‘rta statistik vaziyati bo‘yicha muntazam tebranib turadi. Baland haroratli muhitga solingan metallda esa,

atrof-muhitdagi haroratning yuqoriligi va katta tezlik bilan atrofdan o‘ziga kelib urilayotgan zarralarning shiddati ta'sirida, metall atomlarining tebranishi (vibratsiyasi) ham tezlashadi va yanada jadalroq titray boshlaydi. Metallning olovga kirib turgan qismi, yoki, qaynoq suyuqlikka botib turgan qismining harorat juda tezlik bilan, o‘sha olovning, yoki, qaynoq suyuqlikning haroratiga tenglashadi. Metallning harorati muhit harorati bilan tez tenglashadi. Shu sababli ham olovga teginib turgan metall qiziganda qizarib chog‘lanib ketadi.

Baland haroratli muhitda termik qo‘zg‘algan metall atomlari o‘ziga qo‘shni bo‘lgan atomlar bilan ham to‘qnasha boshlaydi va issiqlik harakati energiyasini o‘ziga qo‘shni atomga uzatadi. Shu tarzda, qo‘shni atomlar ham tez qizib, muhit haroratigacha isiydi. o‘z energiyasini qo‘shni atomga bergani hamonoq, olovga eng yaqin turgan atomlar ushbu energiyani yana tezkorlik bilan olovdan kelayotgan issiqlik energiyasi hisobidan kompensatsiyalaydi va yana qo‘shnisiga energiya uzatadi.

Shu tarzda, atomlararo zanjir orqali issiqlik metall bo‘ylab tezkorlik bilan tarqaladi va butun metall bo‘ylab yoyiladi. Shunday qilib, issiqlik o‘tkazuvchanlik bu - issiqlik o‘tkazuvchan moddani tashkil qiluvchi atom yoki molekulalarning o‘zaro to‘qnashishi orqali issiqlik uzatilishi va issiqlik almashinishi jarayonlarini asoslab berar ekan. Ya'ni, issiqlik harakati butun jism bo‘ylab tarqaladi; lekin, bu jarayonda issiqlikni bir-biriga uzatadigan atom va molekulalarning o‘zi harakatlanmaydi. Ular o‘z joyida mustahkam o‘rnashgan holda, issiqlikni qo‘shnisidan olib qo‘shnisiga uzatadi va shu tarzda, issiqlik almashinish jarayonida ishtirok etadi.

Issiqlik o‘tkazuvchanlik jarayonini bayon qiluvchi ixcham tenglama quyidagicha ko‘rinishga ega:
Q=A·ΔT/R
bu yerda Q - uzatilayotgan issiqlik energiyasi miqdori; A - issiqlik o‘tkazgich jismning ko‘ndalang kesim yuzasi; ΔT - ikki nuqta orasidagi haroratlar farqi; R esa - materialning issiqlik qarshiligi bo‘lib, u mazkur materialning issiqlik o‘tkazishga nisbatan qanday qarshilik ko‘rsatishini ifodalaydi. Biz yuqorida keltirgan misolda, ΔT - qoshiqning sho‘rvaga botib turgan qismidagi harorat va uning tashqarida, xona haroratida turgan qismi, ya'ni, sopidagi harorat ko‘rsatkichlari ayirmasiga teng bo‘ladi. A - qoshiqning ko‘ndalang kesim yuzasi; R esa har bir metall uchun o‘ziga xos bo‘lib, maxsus ma'lumotnoma-jadvallardan aniqlanadi.

Formulaga qarab shu narsani oson payqash mumkinki, haroratlar farqi va metallning ko‘ndalang kesim yuzasi qanchalik katta bo‘lsa, ushbu metall orqali shunchalik ko‘p issiqlik miqdori o‘tkaziladi. Shu bilan birga, agar haroratlar farqi va metallning ko‘ndalang kesim yuzasi ma'lum bo‘lsa, unda bunday metall orqali issiqlik o‘tkazuvchanlik ko‘rsatkichi, mazkur metallning issiqlik qarshiligiga teskari proporsional bo‘ladi. Ya'ni, metallning issiqlik qarshiligi qanchalik baland bo‘lsa, uning issiqlik o‘tkazuvchanligi shunchalik yomon bo‘ladi.

Konveksiya
Endi misolni sho‘rvaning qaynash jarayoniga ko‘chiramiz. Qozon ostiga olov yoqsangiz, avvaliga sho‘rvaning suvi tinch turaveradi. Bunda, issiqlik suvning issiqlik o‘tkazuvchanligi evaziga, pastki qatlamlardan yuqoriga uzatiladi. Suvning harorati ko‘tarilgani sayin, issiqlik o‘tkazish jarayoni o‘zgara boshlaydi. Chunki, endi konveksiya jarayon ishga tushadi.