Mechanická, tepelná, termodynamická rovnováha Tepelná rovnováha: Mechanická rovnováha: (vnější pole) Termodynamická rovnováha = mechanická + tepelná +... (obecně platné ze stat. fyziky) Nerovnovážné procesy: proudění (přenos mechanické energie, pohyb tekutiny) přenos tepla: zářením, (molekulárním) vedením, konvekcí tekutin 

Podíváme se na hustotu (měrný objem) takové částice a srovnáme ji s hustotou (měrným objemem) částice původně ve výšce z 0 +dz. Vyjádříme měrný objem jako funkci tlaku a entropie (adiabatické posunutí zachovává entropii). Hydrostatika, stabilita mechanické rovnováhy Mechanická rovnováha: Může být stabilní bez tepelné rovnováhy? Tedy může existovat stav, kdy se teplo v tekutině předává pouze vedením a nikoli konvekcí? Ano, pokud existují síly, které vracejí systém do rovnováhy při jejím drobném narušení (např. při vertikálním adiabatickém posunutí částice tekutiny z výšky z 0 do z 0 +dz).

Podmínka stability Měrný objem první částice ve výšce z 0 : Měrný objem první částice po posunutí nahoru o dz: Měrný objem druhé částice původně ve výšce z 0 +dz: Pokud by byla první částice po posunutí těžší než druhá, gravitace bude bránit proudění tekutiny, v opačném případě jej bude podporovat. Nutná (ne však postačující) podmínka stability tedy zní:

Podmínka stability vždy kladné kladné pro většinu látek (ne např. voda mezi 0 a 4 stupni Celsia!) normální látky anomální látky

Stabilita v normálních tekutinách Tedy pokud se ohřívá od vrchu dolů (dT/dz > 0), může být stabilní při libovolném dT, pokud se ohřívá odspoda (dT/dz < 0), může být stabilní jen při extrémně malých dT a snadno dochází ke vzniku konvektivního proudění (hrnec na plotně).

Stabilita v anomálních tekutinách (  < 0) Tedy pokud se ohřívá od vrchu dolů (dT/dz > 0), může být stabilní jen při extrémně malých dT, pokud se ohřívá odspoda (dT/dz < 0), může být stabilní při libovolném dT (voda v zamrzlém rybníce se nemůže promíchat konvekcí, u dna může mít až 4 stupně Celsia; ryby a veškeré další vodní organismy nezamrznou).

Volná konvekce v reálných tekutinách Analýza stability platí! (disipační mechanismy nemají vliv) Charakter konvekce: Je určen poměrem hnacích sil (gravitace, tepelná roztažnost, gradient teploty) ku ztrátám energie (viskozita, tepelná difuzivita), lze vyjádřit Rayleighovým číslem: Další parametry:... Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Péclet...,Taylor, Ekman, Rossby,...

Přenos tepla z pevného tělesa do kapaliny 2.Přirozená (volná) konvekce Nízký teplený tok q, nízké rozdíly teplot  T q je lineární funkcí  T (pokud vše ostatní je konst., i tak ne vždy) 3.Bublinový var Tvorba bublinek na povrchových nerovnostech Hestereze (přehřátí mezní vrstvy kapaliny) Efektivní přenos tepla, účinné chlazení pevného tělesa q je nelineární s  T: q ≈ c (  T) n ; n ≈ 1.5 … 3 4.Filmový var Pevné těleso odděleno od kapaliny vrstvou páry Nejvyšší q a zejména nejvyšší  T, chybí přímy kontakt s kapalinou Také hystereze a nelinearita: q ≈ c’ (  T) m ; m ≈ 1.3 … Molekulární vedení Nejnižší tepelný tok q, měřitelné při  T tak nízkých že se neprojeví jiné mechanismy přenosu tepla q je lineární funkcí  T

Smith R.V., Review of heat transfer to Helium I. Cryogenics 9:1:11-19 (1969). Helium I

Nucleate boiling Van Sciver S.W.,Helium Cryogenics (Intl. cryogenics monograph series), Plenum Press, New York, 1986.