Электрическое поле, подобно гравитационному, является потенциальным. Т.е. работа, выполняемая электростатическими силами, не зависит от того, по какому маршруту заряд q перемещен в электрическом поле из точки 1 в точку 2. Эта работа равна разности потенциальных энергий, которыми обладает перемещаемый заряд в начальной и конечной точках поля:
А 1,2 = W 1 – W 2 . (7)
Можно показать, что потенциальная энергия заряда q прямо пропорциональна величине этого заряда. Поэтому в качестве энергетической характеристики электростатического поля используется отношение потенциальной энергии пробного заряда q 0 , помещенного в какую-либо точку поля, к величине этого заряда:
Эта величина представляет собой количество потенциальной энергии на единицу положительного заряда и называется потенциалом поля в заданной точке. [φ] = Дж / Кл = В (Вольт).
Если принять, что при удалении заряда q 0 в бесконечность (r→ ∞) его потенциальная энергия в поле заряда q обращается в нуль, то потенциал поля точечного заряда q на расстоянии r от него:
. (9)
Если поле создаётся системой точечных зарядов, то потенциал результирующего поля равен алгебраической (с учётом знаков) сумме потенциалов каждого из них:
. (10)
Из определения потенциала (8) и выражения (7) работа, совершаемая силами электростатического поля по перемещению заряда из
точки 1 в точку 2, может быть представлена как:
Напряжённость как градиент потенциала
Найдем взаимосвязь между напряженностью Е электростатического поля, являющейся его силовой характеристикой, и потенциалом φ – энергетической характеристикой поля.
Работа по перемещению точечного, положительного заряда q вдоль произвольного направления х из точки 1 в бесконечно близкую к ней точку 2, х 2 – х 1 = dх , будет равна: А 1,2 = q· Е х ∙dх или через потенциал: А 1,2 = q(φ 1 – φ 2) = - q ·dφ. Откуда:
, (12)
т.е. напряженность
поля равна градиенту потенциала, взятому
со знаком минус. Это означает, что
направлен в сторону убывания потенциала.
Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля пользуются эквипотенциальными поверхностями – поверхность, во всех точках которой потенциал φ имеет одно и то же значение. Для точечных зарядов в однородной среде, например, эти поверхности представляют собой сферы (рис.133а Трофимова, стр139).
Для любой точки поля линии напряженности всегда направлены по нормали к эквипотенциальным поверхностям. (рис.133б Трофимова, стр139).
Э л е к т р и ч е с к и й д и п о л ь
Электрический
диполь
–
система двух равных по величине
разноименных точечных зарядов +q
и -q,
расстояние
между которыми значительно меньше
расстояния до рассматриваемых точек
поля. Прямая, проходящая через оба
заряда, называется осью
диполя
.
Вектор
,
направленный от отрицательного заряда
к положительному и равный по модулю
расстоянию между ними, называетсяплечом
диполя
.
Вектор
,
,
(13)
называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом .
Определим потенциал и напряженность поля диполя в произвольной точке M на расстоянии r от середины диполя. Потенциал поля в точке М:
Учитывая, что l ‹‹ r, r + ≈ r - = r и r - – r + ≈ l cos(π-θ), окончательно для φ получим:
.
(15)
В соответствии с
принципом суперпозиции напряженность
поля диполя
.
Вывод формулы для модуля напряженности
поля диполя более сложен. Запишем эту
формулу без вывода:
(16)
).
Рис. 1.16
:
Работа при перемещении единичного заряда из точки 1 в точку 2 равна
E x d x . Та же работа равна
ϕ 1 − ϕ 2 = − d ϕ . Приравнивая оба
выражения, получим d ϕ = − e x d x .
Аналогичное рассуждение применимо для осей
Y и
Z .
В результате находим все три компоненты вектора
E → :
Можно дать инвариантное определение градиента, которое будет верно в произвольной криволинейной системе координат. Градиент функции ϕ (r →) есть вектор, направленный в сторону максимального возрастания функции, а его длина равна производной функции в том же направлении. Чтобы пояснить смысл такого определения, проведем из произвольной точки r → в каком-либо направлении единичный вектор s → . Проекция вектора A → ≡ grad ϕ на это направление есть A s = s → ⋅ A → = s → ⋅ grad ϕ . Но та же величина равна производной A s = ∂ ϕ ∕ ∂ s функции ϕ по направлению s → . В этом легко убедиться, проведя координатную ось в направлении вектора s → и повторив рассуждения начала параграфа. Таким образом,
∂ ϕ ∂ s = s → ⋅ grad ϕ .
Производная функции в каком-либо направлении равна проекции градиента этой функции на то же направление. Ясно, что эта производная максимальна, когда это направление совпадает с направлением градиента.
▸ Задача 8.1
Вычислить ковариантные и контравариантные компоненты толя точечного заряда в произвольной криволинейной системе координат. Выразить физические компоненты толя точечного заряда в произвольной ортогональной системе координат через коэффициенты Ламэ.
Решение: Пусть x j — контравариантные координаты. Ковариантые компоненты E j = − ∂ ϕ ∕ ∂ x j вектора E → в этой системе координат находим по формуле
E j = − ∂ ∂ x j q r = q r 2 ∂ r ∂ x j .
Контравариантные компоненты E j находим по формуле
E j = g j k E k ,
гдепо паре повторяющихся индексов подразумевается суммирование. Напомним, что
G j k = ∂ r → ∂ x j ⋅ ∂ r → ∂ x k
есть метрический тензор, через который выражается элемент длины:
(d r →) 2 = g j k d x j d x k .
Тензор g j k является обратным к нему:
G j k g k l = δ l j .
В ортогональной системе координат элемент длины выражается через коэффициенты Ламэ:
(d r →) 2 = (h 1 d x 1) 2 + (h 2 d x 2) 2 + (h 3 d x 3) 2 ,
а метрический тензор диагонален:
G j k = h 1 2 0 0 0 h 2 2 0 0 0 h 3 2 .
Обратный ему тензор также диагонален:
G j k = (g j k) − 1 = 1 ∕ h 1 2 0 0 0 1 ∕ h 2 2 0 0 0 1 ∕ h 3 2 .
Физические компоненты векторов определены в ортогональной системе координат, как среднее геометрическое произведения ковариантных и контравариантных компонент:
E h 1 = E 1 E 1 = E 1 ∕ h 1 , E h 2 = E 2 E 2 = E 2 ∕ h 2 , E h 3 = E 3 E 3 = E 3 ∕ h 3 . ▸ Задача 8.2
Записать толе точечного заряда в сферической и цилиндрической системах координат.
Решение: В сферической системе координат (r , θ , α) с центром в месте нахождения заряда отлична от нуля только первая ковариантная компонента вектора поля: E 1 = q ∕ r 2 , так как ϕ = q ∕ r не зависит от θ и α . Из всех коэффициентов Ламэ ( h 1 = 1 , h 2 = r , h 3 = r sin θ ) именно h 1 равен 1, поэтому ковариантная, контравариантная и физическая компоненты все равны друг другу: E 1 = E 1 = E r = q ∕ r 2 .
В цилиндрической системе координат (ρ , α , z) также с центром в месте нахождения заряда имеем: h 1 = 1 , h 2 = ρ , h 3 = 1 , r = ρ 2 + z 2 . Дифференцируя ϕ = q ∕ r , вычисляем ковариантные компоненты поля, и затем вновь приходим к выводу, что соответствующие ковариантная, контравариантная и физическая компоненты все равны: E ρ = (q ∕ r 2) (ρ ∕ r) , E α = 0 , E z = (q ∕ r 2) (z ∕ r) .
Г.М. Казаков
Тепломассообмен
Утверждено редакционно-издательским
советом университета в качестве
учебного пособия
Нижний Новгород - 2016
Казаков Г.М. Тепломассообмен: Учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2016. – 93 с.
ISBN 5-87941-412-4
В пособии дан теоретический подход к решению широкого круга задач тепломассообмена: перенос теплоты через однослойные и многослойные стенки различной геометрической формы, теория подобия процессов и явлений, определение коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене. Подробно рассмотрены вопросы тепломассообмена при фазовых превращениях. В пособии показаны особенности лучистого теплообмена между твердыми телами, излучение и поглощение чистых газов и пламени, а также рассмотрены инженерные методы расчета теплообменных аппаратов.
Пособие может быть полезно для преподавателей и студентов теплоэнергетических специальностей.
ISBN 5-87941-412-4
© Казаков Г.М., 2016
© ННГАСУ, 2016
Введение
Теория переноса теплоты и массы вещества является одним из важнейших разделов современной науки. Она имеет большое практическое значение в самых разнообразных областях техники: в станционной и промышленной энергетике, технологических процессах химической и металлургической промышленности, строительной индустрии и коммунальном хозяйстве. Особенно большое значение проблема тепломассообмена имеет для новых областей техники, в частности, для ядерной энергетики и космической техники. Научной основой многих теплоэнергетических, энерготехнологических и химико-технологических процессов является теория тепломассообмена. Она включает в себя комплекс научных знаний из гидродинамики сплошных сред, молекулярной физики, термодинамики, уравнений математической физики, физико-химических поверхностных явлений дисперсных сред. Молекулярно-кинетическая теория явлений тепломассообмена очень сложна и недостаточно разработана. Поэтому современная теория тепломассообмена в основном феноменологическая, базирующаяся на гидродинамике и термодинамике сплошных сред.
Пособие построено на базе теории переноса любых субстанций. Это позволяет студентам четко понять отличие задач не связанного тепломассообмена от более сложных задач связанного тепломассообмена. Так как математическая формулировка не связанных друг с другом процессов переноса теплоты и массы идентична, то это позволяет ограничиться более подробным изложением задач переноса теплоты.
Пособие «Тепломассообмен» предназначено для заочников дистанционной формы обучения, но может быть рекомендовано и для студентов очной формы обучения по теплоэнергетическим специальностям.
Основные положения учения о процессах переноса тепловой энергии и массы в пространстве
Основные понятия и определения
Перенос любой субстанции (энергии, массы, количества движения, электрического заряда) может происходить как микроскопическим (не види-мым хаотическим тепловым движением микрочастиц), так и макроскопическим (видимым, связанным с движением массы вещества) способами. В первом случае, когда среда неподвижна, перенос массы какого-либо компонента смеси называют диффузией, а перенос тепловой энергии – теплопроводностью. Во втором случае при видимом движении самой среды, которое происходит за счет внешних сил, перенос массы и тепловой энергии называют соответственно конвекцией массы и конвекцией тепла. Различают два вида конвекции: свободную (естественную) и вынужденную. В конвекции первого вида движущая сила обусловлена неоднородностью плотности среды, связанная с неоднородностью температуры, в поле массовой силы (гравитационной, центробежной, электромагнитной). Подогретые объемы среды, имея малую плотность, «всплывают» в охлажденных объемах. При вынужденной конвекции перемещение среды в пространстве осуществляют насосами, вентиляторами и т.д. Совместный перенос массы или тепловой энергии микроскопическим и макроскопическими способами называют соответственно конвективным массо-переносом и конвективным теплопереносом. Движущую среду независимо от агрегатного состояния принято называть жидкостью, которая может быть одно- и многокомпонентной. Конвективный перенос тепла на границе движущейся жидкости и твердой неподвижной стенки называют теплоотдачей. Конвек-тивный перенос массы какого-либо компонента текущей жидкости на границе с твердой неподвижной стенкой называют массоотдачей. Перенос тепла от одной движущейся жидкости к другой движущейся жидкости через разделяющую их твердую неподвижную стенку называют теплопередачей. Таким образом, теплопередача включает в себя теплоотдачу на обеих поверхностях стенки и теплопроводность в самой стенке. Аналогично перенос массы какого-либо компонента движущейся смеси к другой движущейся смеси через разделяющую их твердую неподвижную стенку называют массопередачей. Массопередача включает в себя массоотдачу на обеих поверхностях стенки и диффузию какого-либо компонента в самой стенке.
Перенос тепла может происходить в области глубокого вакуума при исчезающе малом молекулярном содержании вещества. Перенос тепла в этом случае производится фотонами, испускаемыми одними телами и поглощаемыми другими, и называется лучистым теплообменом. При этом по закону эквивалентности массы и энергии переносится и масса. Однако в обычных технических случаях этот перенос массы ничтожно мал по сравнению с лучистым переносом массы, например, при солнечном и звездном излучении.
В общем случае тепло- и массообмен может происходить одновременно. В других случаях их можно рассматривать раздельно либо пренебречь одним из них. Теплообмен может происходить одновременно: и теплопроводностью, и путем переноса тепла движущимся веществом, и излучением. Аналогично массообмен может происходить одновременно: и диффузией какого-либо компонента смеси, и путем переноса этого компонента движущимся веществом. Весьма часто удается выделить и изучить какой-либо частный случай переноса тепла или массы.
Если известны, например, скорость w и температура T в любой точке потока жидкости, а плотность r и удельная массовая теплоемкость с р ее постоянны, то элементарное количество массы, протекающее в единицу времени через элемент dF произвольной поверхности, равно
,
где – единичный вектор, нормальный к элементарной поверхности dF.
Интегрируя это выражение по всей поверхности, получим поток массы, переносимый конвекцией
, (кг/с). (1.1)
Плотность потока массы равна
, (кг/м 2 с). (1.2)
Элементарное количество тепла, переносимое в единицу времени через элемент произвольной поверхности dF, составляет
Интегрируя по всей поверхности, получим поток тепла, переносимый конвекцией
, (вт). (1.3)
Плотность потока тепла в этом случае равна
, (вт/м 2). (1.4)
Поле потенциала. Градиент потенциала
Под потенциалом понимают любую величину, неоднородность которой в пространстве приводит к микроскопическому переносу соответствующей субстанции. Весьма часто его выбирают, исходя из соображений удобства. Например, в случае теплопроводности неоднородными в пространстве будут температура, удельная внутренняя энергия и удельная энтальпия. Однако в качестве потенциала выбирают температуру, поскольку она как функция координат не претерпевает разрыва непрерывности на границе, например, разнородных материалов. Тогда как удельные внутренняя энергия и энтальпия на этой границе как функции координат имеют разрыв непрерывности.
Под полем потенциала понимают совокупность значений потенциала во всех точках изучаемой области для любого момента времени. Если в качестве потенциала выбирают температуру, концентрацию компонента смеси, скорость течения жидкости и т.д., то соответственно речь идет о поле температур, поле концентраций, поле скоростей и т.д. Геометрическое место точек одинаковых потенциалов в потенциальном поле образует изопотенциальные поверхности. Например, в температурном поле ими являются изотермические поверхности. Изопотенциальные поверхности не могут пересекаться. В противном случае в точках пересечения имело бы место несколько потенциалов, что физически абсурдно. Различают нестационарные и стационарные поля потенциалов. Если поле зависит от времени, оно нестационарное. Например, нестационарные поля температур и скоростей течения жидкости в декартовой системе координат имеют вид
T = T(x,y,z,t), 
как видно, одно из полей скалярное, а другое векторное.
Соответственно стационарные поля можно записать в виде
; 
Различают трехмерные, двухмерные и одномерные соответственно нестационарные или стационарные поля потенциалов. Выше представлены соответственно нестационарные и стационарные трехмерные поля температур и скоростей, так как под знаком функции присутствуют три координаты. Например, нестационарные одномерные поля температур и скоростей течения жидкости в декартовой системе координат имеют вид
Соответственно стационарные одномерные поля можно записать в виде
1. Из формул (8.1)
следует, что
где означает производную по направлению вектора ds (см. приложение, § 2). По определению понятия градиента эта пространственная производная скаляра совпадает со слагающей его градиента по направлению уравнение (4]:
Таким образом,
Так как это равенство проекций векторов должно иметь место при любом выборе направления то и векторы эти должны быть равны друг другу:
Таким образом, напряженность электростатического поля равна градиенту электростатического потенциала взятому с обратным знаком.
Так как градиент потенциала направлен в сторону его возрастания и является мерой быстроты этого возрастания, то можно сказать, что напряженность электрического поля есть мера быстроты спадания потенциала, или, просто, что она равна спаду потенциала. Направление напряженности поля совпадает с направлением ортогональных траекторий эквипотенциальных поверхностей (см. приложение, § 2). Поэтому эти ортогональные траектории (линии градиента) совпадают с линиями электрических сил, или силовыми линиями.
2. Электрической силовой линией называется линия, касательные к которой в каждой ее точке совпадают по направлению с вектором напряженности электрического поля в той же точке (т. е. с направлением электрической силы, действующей на единичный положительный заряд). Очевидно, что через каждую точку поля, в которой можно провести одну и только одну силовую линию. В каждой такой точке вектор имеет вполне определенное направление. Отложив из произвольно малый отрезок в направлении мы придем в точку в которой вектор может иметь иное направление, чем в Отложив из произвольно малый отрезок в соответствующем направлении, мы придем в новую точку в которой можем опять повторить ту же операцию, и т. д. Полученная таким образом ломаная линия в пределе, при беспредельном уменьшении составляющих ее отрезков, совпадает с искомой силовой линией.
Чтобы получить аналитическое уравнение силовых линий, достаточно учесть, что элемент длины силовой линии параллелен напряженности поля т. е. что слагающие его по осям координат пропорциональны слагающим вектора Е:
Уравнения (10.3) эквивалентны системе двух обыкновенных дифференциальных уравнений, например интегралы которых имеют вид: где постоянные интегрирования. Совокупность этих последних уравнений и представляет собою уравнение силовой линии. Произвол в выборе постоянных соответствует возможности произвольно выбрать координаты той точки поля, через которую мы желаем провести данную силовую линию.
Физики XIX в. долгое время стремились объяснить электромагнитные явления деформациями и вихревыми движениями особой всепроникающей гипотетической среды - эфира; они полагали, что силовые линии совпадают с осями деформации (или осями кручения), испытываемой эфиром в электрическом поле. Однако к началу XX в. выяснилась полная несостоятельность механистической теории эфира, и в настоящее время, пользуясь понятием «силовых линий», нужно помнить, что понятие это имеет условно-вспомогательное значение и что силовые линии служат лишь для графического изображения направления электрического вектора.
3. Впрочем, подобно тому как при надлежащем способе черчения эквипотенциальных поверхностей густота их расположения может служить мерой градиента потенциала, т. е. мерой напряженности поля, подобно этому и силовыми линиями можно воспользоваться для той же цели.
Нанести на чертеж все силовые линии, проходящие через каждую точку поля и заполняющие собой все занимаемое полем пространство, конечно, невозможно. Обыкновенно силовые линии чертятся с таким расчетом, чтобы в любом участке поля число линий, пересекающих перпендикулярную к ним площадку единичной поверхности, было по возможности пропорционально
напряженности поля на этой площадке. В таком случае густота расположения силовых линий может служить мерой напряженности поля. При этом число линий, пересекающих произвольный элемент поверхности будет, очевидно, пропорционально произведению напряженности и проекции элемента на плоскость, перпендикулярную к Это произведение равно потоку вектора через элемент Поэтому вместо термина «поток вектора через данную поверхность» употребляют иногда выражение «число силовых линий, пересекающих данную поверхность». Это число линий считается положительным или отрицательным в зависимости от того, пересекают ли силовые линии данную поверхность в направлении положительной (внешней) или отрицательной (внутренней) нормали к ней.
Отметим, что при указанном способе черчения силовых линий общее число этих линий, пересекающих любую замкнутую поверхность должно быть пропорциональным алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри ибо, согласно теореме Гаусса (3.6), сумма этих зарядов пропорциональна потоку вектора через При этом, конечно, определяя число линий, пересекающих мы каждую из них должны брать с надлежащим знаком или
В частности, число силовых линий, пересекающих любую, не содержащую зарядов, замкнутую поверхность, равно нулю. Иными словами, число (положительное) линий, выходящих из ограниченного поверхностью объема, равно (отрицательному) числу линий, входящих в него. Отсюда следует, что в свободных от зарядов участках поля силовые линии не могут ни начинаться, ни оканчиваться. С другой стороны, линии эти не могут
также быть замкнутыми. В противном случае, линейный интеграл по каждой из замкнутых линий сил был бы отличен от нуля (ибо элементы линий сил параллельны стало быть, подынтегральное выражение существенно положительно), что противоречит уравнению (7.3). Стало быть, в электростатическом поле линии сил либо начинаются и оканчиваются на электрических зарядах, либо одним своим концом уходят в бесконечность.
Таким образом, для получения правильной картины поля достаточно, очевидно, от каждого элемента заряда провести число линий, пропорциональное величине этого заряда.
Для незамкнутых линий, впрочем, существует, помимо перечисленных, еще третья возможность: они могут при безграничном продолжении, не пересекаясь и не замыкаясь, всюду плотно заполнять некоторый ограниченный участок пространства. С такого рода магнитными силовыми линиями мы познакомимся в гл. IV. Однако для силовых линий электростатического поля эта возможность исключена, ибо линия, заполняющая некоторый участок пространства, должна при достаточном продолжении как угодно близко подходить к ранее пройденным ею точкам. Если суть две такие бесконечно близкие точки на подобной силовой линии то интеграл по этой линии будет существенно положителен и будет обладать конечной величиной. Вместе с тем, если только вектор конечен, этот интеграл должен отличаться лишь на бесконечно малую величину от интеграла по замкнутому контуру, образованному отрезком силовой линии и бесконечно малым отрезком прямой, соединяющей Но последний интеграл, согласно (7.3), равен нулю, т. е. отличается на конечную величину от Этим противоречием и доказывается невозможность существования силовых линий указанного типа.
