90
Phần thứ hai
Truyền nhiệt

Truyền nhiệt là mộn khoa học nghiên cứu các quy luật phân bố nhiệt độ và
trao đổi nhiệt trong không gian và theo thời gian giữa các vật có nhiệt độ khác
nhau. Nó là phần lí thuyết cơ sở để tính toán các quá trình và các thiết bị trao
đổi nhiệt trong tự nhiên và kĩ thuật.
Truyền nhiệt nghiên cứu các khái niệm, định luật cơ bản của các phơng
thức trao đổi nhiệt và ứng dụng nó để khảo sát các quá trình trao đổi nhiệt phức
hợp trong các nhiệt bị năng lợng nhiệt.

.
Chơng 8. các khái niệm cơ bản

8.1 mô tả quá trình trao đổi nhiệt

8.1.1 Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu truyền nhiệt

Để nghiên cứu truyền nhiệt, ngời ta thờng dùng hai phơng pháp chủ
yếu: phơng pháp giai tích và phơng pháp thực nghiệm. Phơng pháp giải tích
dựa vào các định luật cơ bản của vật lí học, sử dụng các phép tính giải tích để dẫn
ra luật phân bố nhiệt độ và công thức tính nhiệt. Phơng pháp thực nghiệm dựa
trên lí thuyết đồng dạng hoặc phân tích thứ nguyên, lập mô hình thí nghiệm đo
giá trị các thông số, xử lí số liệu để đa ra công thức thực nghiệm.

8.1.2 Tính chất chung của hiện tợng trao đổi nhiệt

Nhiệt lợng là lợng năng lợng trao đổi giữa các phần tử thuộc hai vật có
nhiệt độ khác nhau, tức có động năng trung bình phân tử khác nhau. Hiện tợng

nó chịu tác động của trọng lực và độ chênh nhiệt độ, hoặc do các lực cỡng bức
khác, khi ta dùng bơm, quạt...
Cờng độ tỏa nhiệt, nh sẽ đợc khảo sát trong chơng 10, tỷ lệ thuận với
hệ số tỏa nhiệt [w/m
2
K], và đợc tính theo công thức Newton:
q= (t
w
- t
f
)= t
Trong đó t là hiệu số nhiệt độ bề mặt và chất lỏng.
8.1.3.3. Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện tợng các phân tử vật 1 bức xạ ra các hạt,
truyền đi trong không gian dới dạng sóng điện từ, mang năng lợng đến truyền
cho các phân tử vật 2.
Khác với hai phơng thức trên, trao đổi nhiệt bức xạ có thể xẩy ra giữa hai
vật ở cách nhau rất xa, không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua môi trờng
chất lỏng và khí, và luôn xây ra với sự chuyển hóa giữa năng lợng nhiệt và năng

92
lợng điện từ. Đây là phơng thức trao đổi nhiệt giữa các thiên thể trong vũ trụ,
chẳng hạn giữa mặt trời và các hành tinh. Trên hình (8.1.3) minh hoạ các phơng
thức trao đổi nhiệt.
Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc cả 3 phơng thức
nói trên, đợc gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp. Ví dụ, bề mặt vật rắn có




, thì trờng nhiệt
độ đợc gọi là không ổn định.
Tùy theo tính đối xứng của trờng số tọa độ không gian mà trờng phụ
thuộc (thờng đợc gọi là số chiều của trờng) có thể là 0,1,2,3. Ví dụ, biểu thức
của trờng nhiệt độ 0, 1, 2, 3 chiều có thể là:
t = t (); t = t (x,); t = t(y, z, ); t = t (x, y, z, ).

8.2.2. Mặt đẳng nhiệt

Tại một thời điểm cho trớc tập hợp các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ
tảo ra trong không gian của trờng một mặt, đợc gọi là mặt đẳng nhiệt.
Phơng trình của mặt đẳng nhiệt là: t = f(x,y,z) = const
hay: f(x, y, z) = const
Vì nhiệt độ tức thời tại một điểm là duy nhất, nên các mặt đẳng nhiệt
không giao nhau.
Trên mỗi mặt đẳng nhiệt thì t = const, do đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo
hớng cắt mặt đẳng nhiệt.

93
Mặt đẳng nhiệt có thể là mặt cong kín hoặc hở.

8.2.3. Gradient nhiệt độ:

Xét hai mặt đẳng nhiệt t = const và t + dt = const với dt > 0 nh hình
(8.2.3)
Gọi vận tốc thay đổi nhiệt độ của điểm M theo hớng
1

.
t
z
t
k
y
t
j
x
t
i
n
t
n
0
=


+


+


=



Độ lớn của vectơ gradient là gradt =
]/[,

0
qkqjqiqnq
++==

Dấu (-) do vectơ
q
ngợc chiều vectơ gr
.dta

Theo lý thuyết trờng vectơ, lợng nhiệt sinh ra trong 1 đơn vị thể tích của
hệ, tức hiệu số các lợng nhiệt ra vào 1m
2
của hệ, là:
]./[,
3
zzx
mW
z
q
y
q
x
q
qdiv


+


+

là
công suất nhiệt phát ra từ phân tố thể tích dV[m
3
] bao quanh điểm.
Nếu biết q
v
= q
v
(xy,z) thì tính đợc công suất phát nhiệt của nguồn V
theo:

,VdqQ
v
v

=

Khi nguồn nhiệt phân bố đều, q
v
= const, thì Q = q
v
V.