Калькулятор теплопередачи

Рассчитайте скорость теплопередачи путем теплопроводности, конвекции и излучения. Введите свойства материала, площадь поверхности, толщину и температуру, чтобы найти скорость теплопередачи (в ваттах), тепловой поток, термическое сопротивление и общую энергию за время. Включает встроенную библиотеку теплопроводности, коэффициентов конвекции и коэффициентов излучения, анимированную схему теплового потока и полный пошаговый разбор формул. Поддерживает градусы Цельсия, Фаренгейта и Кельвины.

Быстрые примеры — нажмите, чтобы заполнить форму, затем нажмите Рассчитать:

🧱Теплопроводность

💨Конвекция

🔆Излучение

Материал (теплопроводность k)

Толщина (см)

Толщина материала, через который проходит тепло.

Состояние среды (коэффициент конвекции h)

Поверхность (степень черноты ε)

Площадь поверхности (м²)

Длительность (часы, необязательно)

Используется для расчета полной переданной энергии.

Температура горячей стороны

Температура холодной стороны

Использует ту же единицу измерения, что и горячая сторона.

Embed Калькулятор теплопередачи Widget

О Калькулятор теплопередачи

Калькулятор теплопередачи определяет скорость перемещения тепла через систему посредством теплопроводности, конвекции или излучения. Введите свойства материала или поверхности, площадь, а также температуру горячей и холодной сторон, и инструмент выдаст скорость теплопередачи в ваттах, тепловой поток, термическое сопротивление и полную энергию, переданную за определенное время, — вместе с анимированной диаграммой теплового потока и пошаговым разбором формулы. Он разработан для студентов, инженеров, строителей и всех, кому интересно узнать, как быстро распространяется тепло.

Три режима теплопередачи

Тепло всегда переходит от более теплой области к более холодной, но делает это тремя разными способами. Данный калькулятор производит расчет для каждого из них на основе соответствующего физического закона.

🧱 Теплопроводность

Перенос тепла непосредственно через твердое тело, например, уход тепла через стену или нагрев металлической ложки в супе. Регулируется законом Фурье.

💨 Конвекция

Перенос тепла движущейся средой, такой как воздух или вода, — охлаждение процессора вентилятором или охлаждение здания ветром. Регулируется законом охлаждения Ньютона.

🔆 Излучение

Тепло, испускаемое в виде инфракрасных волн, для которых не требуется среда, — тепло от огня, солнца или горячей панели радиатора. Регулируется законом Стефана–Больцмана.

Формулы теплопередачи

Теплопроводность — Закон Фурье

$$Q = \frac{k \cdot A \cdot \Delta T}{d}$$

Конвекция — Закон охлаждения Ньютона

$$Q = h \cdot A \cdot \Delta T$$

Излучение — Закон Стефана–Больцмана

$$Q = \varepsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot \left(T_h^4 - T_c^4\right)$$

Где:

$Q$ — скорость теплопередачи (мощность теплового потока), в ваттах (Вт)
$k$ — теплопроводность материала, в Вт/м·К
$h$ — коэффициент конвективной теплоотдачи, в Вт/м²·К
$\varepsilon$ — степень черноты поверхности (коэффициент излучения от 0 до 1, безразмерный)
$\sigma$ — постоянная Стефана–Больцмана, $5.67\times10^{-8}$ Вт/м²·К⁴
$A$ — площадь поверхности, в м²
$\Delta T$ — разность температур между двумя сторонами
$d$ — толщина материала, в метрах
$T_h, T_c$ — абсолютная температура горячей и холодной сторон, в кельвинах

Типичные значения теплопроводности (k)

Материал	k (Вт/м·К)	Свойства
Медь	401	Отличный проводник
Алюминий	237	Отличный проводник
Нержавеющая сталь	16	Умеренный проводник
Бетон	1.7	Плохой проводник
Стекло	1.0	Плохой проводник
Кирпич	0.72	Изоляционный
Дерево (сосна)	0.12	Хороший изолятор
Стекловолоконная изоляция	0.040	Отличный изолятор
Пенополистирол	0.033	Отличный изолятор

Типичные коэффициенты конвекции (h) и степень черноты (ε)

Условия	h (Вт/м²·К)
Воздух — естественная конвекция	5 – 25
Воздух — вынужденная (вентилятор / ветер)	25 – 250
Вода — естественная конвекция	100 – 1 000
Вода — вынужденная конвекция	500 – 10 000
Кипение / конденсация	2 500 – 100 000

Степень черноты варьируется от примерно 0.05 для полированных металлов до 0.90–0.98 для краски, кирпича, воды, кожи человека и других матовых поверхностей, причем идеальное абсолютно черное тело имеет коэффициент ровно 1.0.

Что такое тепловой поток, термическое сопротивление и R-value?

Тепловой поток — это скорость теплопередачи на единицу площади ($Q/A$), измеряемая в Вт/м². Он показывает, насколько концентрированным является поток тепла, независимо от размера поверхности. Термическое сопротивление — это способность препятствовать прохождению тепла (в К/Вт); более высокое сопротивление означает, что при той же разности температур перемещается меньше тепла. Для строительных материалов это выражается в виде R-value: чем выше значение R-value, тем лучше теплоизоляция. Калькулятор показывает как значение R-value в системе СИ (RSI, в м²·К/Вт), так и американское значение R-value, используемое на упаковках утеплителей.

Почему для излучения используется абсолютная температура

Теплопроводность и конвекция зависят только от разности температур, и разница в 10° одинакова независимо от того, измеряете ли вы ее в градусах Цельсия или в кельвинах. С излучением все иначе: оно зависит от абсолютной температуры, возведенной в четвертую степень, поэтому расчет должен производиться в кельвинах, отсчет которых начинается от абсолютного нуля (−273.15 °C). Из-за этой зависимости четвертой степени поверхность, которая в абсолютном выражении в два раза горячее, излучает в шестнадцать раз больше тепла, и именно поэтому излучение преобладает при высоких температурах, например, в пламени и печах.

Как пользоваться этим калькулятором

Выберите режим теплопередачи: Выберите теплопроводность, конвекцию или излучение с помощью вкладок в верхней части формы.
Введите материал и геометрию: Выберите материал, условия или тип поверхности из встроенной библиотеки (или выберите «Собственное значение», чтобы ввести свое), затем укажите площадь поверхности, а также толщину для теплопроводности.
Введите температуру: Введите значения температуры для горячей и холодной сторон и выберите °C, °F или K. Укажите по желанию длительность в часах, чтобы увидеть полную переданную энергию.
Нажмите Рассчитать: Ознакомьтесь со скоростью теплопередачи в ваттах, тепловым потоком, термическим сопротивлением, энергией за указанное время, анимированной диаграммой теплового потока и полным пошаговым решением.

Часто задаваемые вопросы

Каковы три режима теплопередачи?

Тепло перемещается тремя способами. Теплопроводность — это перенос тепла через твердый материал при прямом контакте, например, прохождение тепла через стену. Конвекция — это тепло, переносимое движущейся средой, такой как воздух или вода, например, охлаждение горячей поверхности вентилятором. Излучение — это тепло, испускаемое в виде инфракрасных электромагнитных волн, такое как тепло, которое вы чувствуете от огня или солнца, и для него вообще не требуется среда.

Как рассчитать теплопередачу за счет теплопроводности?

Для теплопроводности используется закон Фурье: Q = k × A × ΔT / d, где k — теплопроводность материала в ваттах на метр-кельвин, A — площадь в квадратных метрах, ΔT — разность температур, а d — толщина в метрах. Результат Q — это скорость теплопередачи в ваттах.

Как рассчитать теплопередачу за счет конвекции?

Для конвекции используется закон охлаждения Ньютона: Q = h × A × ΔT, где h — коэффициент конвективной теплоотдачи в ваттах на квадратный метр-кельвин, A — площадь поверхности, а ΔT — разность между температурой поверхности и температурой среды. Более высокие значения h означают более быстро движущиеся среды, которые уносят тепло быстрее.

Как рассчитать теплопередачу за счет излучения?

Для излучения используется закон Стефана–Boltzmann: Q = ε × σ × A × (Th⁴ − Tc⁴), где ε — степень черноты между 0 и 1, σ — 5.67 × 10⁻⁸ ватт на квадратный метр-кельвин в четвертой степени, A — площадь, а Th и Tc — абсолютные температуры в кельвинах. Поскольку температура возводится в четвертую степень, излучение растет очень быстро по мере того, как объекты становятся горячее.

Какие единицы измерения используются для скорости теплопередачи?

Скорость теплопередачи Q — это мощность, измеряемая в ваттах (джоулях в секунду). Один ватт означает, что каждую секунду перемещается один джоуль тепла. Калькулятор также показывает тепловой поток в ваттах на квадратный метр и полную энергию, переданную за выбранное время в киловатт-часах и джоулях.

Why must temperatures be converted to Kelvin for radiation?

Закон Стефана–Больцмана зависит от абсолютной температуры, возведенной в четвертую степень, поэтому он работает только с кельвинами, отсчет которых начинается от абсолютного нуля. Для теплопроводности и конвекции важна только разность температур, а разность в градусах Цельсия равна той же разности в кельвинах, поэтому на эти режимы выбор между Цельсием и Кельвином не влияет.