background image

Thermodynamics 

deals  with  the  amount  of 

heat transfer as a system undergoes from one 
equilibrium state to another.

• Driving force - difference of temperature

Heat  transfer

deals  with  the 

rate

of  heat 

transfer as well as 

the temperature distribution

within the system at a specified time.

HEAT TRANSFER

background image

Heat transfer in daily life

background image

The human 
body

Air-conditioning 
systems

water-in

water-out

Car 
radiators

Power 
plants

Refrigerator 
system

Circuit boards

background image

The 

experimental approach

(testing and taking measurements)

• advantages

-

dealing  with  the  actual  physical  system

-

getting  a  physical  value  within  the  limits  of 

experimental uncertainty

• disadvantages

-

expensive,  time  consuming,  and  often 

impractical. 

The 

analytical approach

(analysis or calculations)

• advantage - fast and inexpensive

• disadvantages  - assumptions  and  idealisations  made  in  the 

analysis 

→ impact on the results. 

Modelling

- prediction of the course of an event before it 

actually occurs

- studying of various aspects of an event 

mathematically without actually running expensive and 
time-consuming experiments. 

background image

THERMODYNAMICS of nonequilibrium processes

Conservation of energy principle - 1st thermodynamic law

Total energy 

entering 

the system

Total energy 

leaving

the system

Change in the 
total energy 
of the system

out

in

E

E

=

Energy balance for steady process in the rate form:

dt

dE

E

=

- e

nergy transfer 

rate

- time derivative (overdot)

(J/s)

background image

Energy balance for closed stationary system 

(fixed mass)

T

mc

U

E

E

V

out

in

=

=

where: 

-

internal energy

-

mass of thermodynamic system

c

V

-

specific heat at constant volume

-

temperature change of the system

)

(

2

1

T

T

mc

Q

V

=

background image

Energy balance for steady - flow systems (mass flow) 

engineering devices (e.g. water heaters, car radiators) 

Steady flow

- no change in 

time at a specified location

Unsteady flow -

transient

one

Uniform

flow - no change 

with position thorough the 
surface or region at a 
specified time (1D case)

The change in the total 
energy of the control 
volume during a process

E

CV

= 0

ρ

m

V

=

=

C

A

v

Volume flow rate:

(m

3

/s)

C

vA

ρ

=

m

v

(kg/s)

The mass flow rate through a 
differential cross-sectional area 
dA

C

of a pipe or duct : 

dm = ρ

ρ

ρ

ρv

n

dA

C

(kg/s)

background image

m

m

m

out

in

=

=

Steady-flow system with one inlet and one exit

• Assumption: changes in kinetic and potential energy are

negligible

The rate of net heat transfer into or out of the control volume

:

E

Q

=

(J/s)

c

p

background image

• Conduction

• Convection

• Radiation

The mechanisms of HEAT TRANSFER

background image

Conduction

– energy  transfer  from 

the  more  energetic  particles  of  a 
substance  to  the  adjacent  less 
energetic  ones  

a  result  of 

interactions between the particles. 

Convection 

- energy transfer between 

a solid surface and the adjacent liquid 
or  gas  which  is  in  motion 

→ it 

involves 

combined 

effects 

of 

conduction and fluid motion. 

Radiation

- energy emitted by matter 

in the form of electromagnetic waves 
(or photons) 

→ a result of the changes 

in the electronic configurations of the 
atoms or molecules.

background image

CONDUCTION

In 

solids

:

- vibrations of the molecules 

in a lattice 

- energy  transport  by  free

electrons. 

In

gases 

and

liquids

-

collisions 

of 

the 

molecules  during  their 
random motion.

background image

SURFACE ENERGY BALANCE

A surface contains no volume 
or mass, thus no energy 

→ 

fictitious system with 

E = const

during the process (steady-
state system)

Surface energy balance both 
for steady and transient 
conditions:

out

in

E

E

=

Energy interactions at 
the outer wall surface of a house

Energy balance for the outer 
surface of the wall:

3

2

1

Q

Q

Q

+

=

background image

The 

rating

problems deal with the determination of 

the 

heat  transfer  rate

for  an  existing  system  at  a 

specified temperature difference. 

CONDUCTION

The 

sizing 

problems deal with the determination of 

the size of a system in order to transfer heat at a 

specified rate

for a 

specified temperature difference

.

dt

dQ

Q

=

Heat transfer rate

(J/s = W)

background image

The 

parameters

that  effect  the 

rate  of  heat 

conduction

through a 

windowless wall

:

geometry (surface area and thickness) of the wall

material of the wall

- temperature difference across the wall.

background image

Steady-state conduction through a plane wall

The temperature difference 
across the wall: 

T = T

2

- T

1

Fourier's law of conduction

where:
dT/dx

- temperature gradient

Λ

Λ

Λ

Λ

-

thermal conductivity;  

unit:

W/(m · K) = W/(m·

0

C)

A

- area normal to the direction of heat transfer

dx

dT

A

cond

Q

Λ

=

(J/s) = (W)

background image

The 

thermal conductivity

Λ

Λ

Λ

Λ

of a material

is the rate of heat transfer through a unit thickness of 
the material per unit area and per unit temperature 
difference. 

A

dx

dT

Q

|

|

=

Λ

Λ

Λ

Λ

Λ

is a measure of how fast heat will be conducted in 

a  material.

unit:
W/(m · K)

background image

Λ

Λ

Λ

Λ

Λ

Λ

Λ

Λ

Experimental setup to 
determine the thermal 
conductivity of a 
material

• Steady - flow 
conditions

background image

Λ

Λ

Λ

Λ

W/(m

0

C)

background image

Λ

Λ

Λ

Λ

W/(m

o

C)

T

Λ

For 
gases:

For liquids
(except water) 
Λ

Λ

Λ

Λ decreases 
versus T

background image

HEAT  FLUX

- the  rate  of  heat  transfer  per  unit 

surface area 

&q

Adt

dQ

q

=

where

A

is the area of the 

surface perpendicular to the 
direction of heat flow

=

A

dA

q

Q

&

&

Thus:

Unit: J/(m

2

s) = W/m

2

background image

Copper

Λ = 401 W/(m·

o

C)

Silicon

Λ = 148 W/(m·

o

C)

The flux of heat flow through a solid is directly proportional to 
its thermal conductivity

background image

v

CONVECTION

- conduction with fluid motion

Heat transfer from a hot surface to air by convection

background image

• In 

forced convection

the fluid is forced to move by 

external means such as a fan, pump, or the wind.  

• The fluid motion in 

natural convection

is due to 

buoyancy effects only

background image

Convection 

Newton's law of cooling

where:

h

- convection heat transfer coefficient; 

unit: W/(m

2

K)

A

S

surface area through which convection heat transfer 

takes place

T

S

- surface temperature

T

- temperature  of  the  fluid  sufficiently  far  from 

the surface.

)

(

=

T

T

hA

Q

s

s

conv

&

Coefficient h

is not a property of a fulid;

it depends on the variables influencing convection 
(surface geometry, nature of fluid motion, bulk fluid 
velocity)

background image

RADIATION

)

(

4

4

surr

s

s

rad

T

T

A

Q

=

εσ

&

σ

=

×

5 67 10

8

.

 W / m . K

2

4

Stefan-Boltzmann constant

Stefan-Boltzmann law for a 

black - body

Emissivity

is the ratio of the radiation (energy flux) emitted by a 

surface to the radiation emitted by a blackbody at the same 
temperature.

where:

-

emissivity of the surface;   0 

≤ εεεε ≤

≤ 1

A

S

-

surface area

-

surface temperature

-

average surrounding surface temperature

ε

T

surr

s

T

background image

Black-body radiation represents the maximum 
amount of radiation that can be emitted from a 
surface at a specified temperature

Real bodies emit and absorb less radiation than a 
blackbody at the same temperature

background image

Absorptivity of a surface 

α

α

α

α

;   

≤ α

α

α

α ≤

≤ 1

- the fraction of the radiation energy incident on a 
surface that is absorbed by the surface

The rate of radiation 
absorption by the surface

The Kirchhoff's law of radiation:

The emissivity and the 

absorptivity of a surface are equal at the same temperature and 
wavelength.

background image

A surface at T

s

is completely enclosed by a much larger (or black) 

surface at T

surr

Net rate of radiation 
heat transfer

No effect of surrounding 
surface area and 
emissivity

background image

where

h

c

is the combined heat transfer 

coefficient 

)

(

=

T

T

A

h

S

S

c

total

Q

Combined 

convection

and 

radiation

The total heat transfer rate to or from a surface:

background image

Comfort conditions for living 

→ studies of heat 

transfer, convection and radiation