Основные определения
Процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение, кипячение, конденсация), называют тепловыми.
Движущей силой тепловых процессов является разность более нагретого и менее нагретого тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называются теплообменниками.
Различают 3 вида переноса теплоты теплопроводность, тепловое излучение, конвенция.
Теплопроводностью называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении, при этом тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах. В подвижных средах (жидкость, газ) при турбулентном режиме движения потока молекулярный механизм переноса теплоты, т.е. теплопроводность, имеет существенное значение в тонких, пограничных с твердой стенкой слоях. При ламинарном движении потока или в неподвижной жидкости теплопроводность может быть основным видом переноса теплоты.
Явление конвекции состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. При этом большое значение имеют состояние или характер движения жидкости или газа. Различают естественную и вынужденную конвекцию.
Явление теплового излучения – это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Источником этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. Твердые тела и жидкости излучают волны всех длин, т.е. дают сплошной спектр излучения. При переносе тепла излучением тепловая энергия вначале превращается в лучистую, а затем обратно: встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая энергия превращается в тепловую.
Процесс переноса теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующие в теплопередаче, называют теплоносителями.
Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температура является функцией только системы координат 
и не зависит от времени (соответствует непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом). При неустановившемся (нестационарном) процессе температура изменяется в пространстве и времени 
, например, аппараты периодического действия, периоды пуска и остановки аппаратов непрерывного действия.
Необходимым условием передачи тепла является неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока, возникающего в среде, зависит от распределения температур в среде или характера температурного поля. Температурное поле - совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды.
Изотермическая поверхность представляет собой геометрическое место всех точек с одинаковой температурой. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, замыкаются или кончаются на границах рассматриваемого тела.
Рассмотрим 2 близлежащие изотермические поверхности, температура первой – t, второй t + ∆ t.
Предел отношения разности температур ∆ t этих двух поверхностей к расстоянию по нормали между ними ∆ l называют температурным градиентом.
– производная от температуры по нормали к изотермической поверхности.
Температурный градиент является мерой интенсивности изменения температуры в данной точке. Направление теплового потока всегда совпадает с направлением падения температуры в данной точке.
При 
наступает равновесие, и поток теплоты прекращается.
Тепловые балансы
Введем буквенные обозначения:
Q 1 – тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем;
G 1, Н 1н, Н 1к – расход, начальная и конеч. энтальпии первого теплоносителя;
Q 2 – тепло, затрачиваемое на нагрев более холодного теплоносителя;
G 2, Н 2н, Н 2к – расход, начальная и конеч. энтальпии второго теплоносителя;
Q пот – потери тепла.
, Q пот = (3 ÷ 5)% от полезно используемого тепла.
В технологических расчетах допускается 
Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то 
, 
,
, 
,
где с 1н, с 2н, с 1к, с 2к – средние удельные теплоемкости теплоносителей в пределах температур 0 – t1н , 0 – t1к , 0 – t2н, 0 – t2к . Вместо средних удельных теплоемкостей можно использовать истинные удельные теплоемкости, отвечающие среднеарифметической температуре.
В случае использования перегретого пара его энтальпия складывается из тепла, выделяющего при охлаждении пара до температуры конденсации, теплоты фазового перехода и тепла, выделяющегося при охлаждении конденсата:
;
r – удельная теплота конденсации, Дж/кг;
с п, с к – удельные теплоемкости пара и конденсата Дж/(кг·К).
При обогреве насыщенным паром, если конденсат не охлаждается, t к = t н = t нас, тогда 
.
Основное уравнение теплопередачи решает связь между тепловым потоком и поверхностью теплопередачи.
,
где К – кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи), характеризующий скорость переноса теплоты, ∆ t cр − средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор) по поверхности теплопередачи, τ – время.
Для непрерывного процесса теплопередачи 
Основное уравнение теплопередачи обычно используют для определения поверхности теплопередачи
.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через м2 стенки при разности температур между теплоносителями, равной 1 град.
Значение коэффициента теплопередачи зависит от ряда факторов, в т.ч. от вклада в общую скорость процессов переноса теплоты скоростей отдельных видов переноса –теплопроводности, теплового излучения, конвекции.
Теплопроводность
Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, определяют по закону Фурье – основному закону теплопроводности.
,
,
где q – плотность теплового потока (количество теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени), знак “–“ указывает на то, что тепловой поток направлен в сторону уменьшения температуры.
,
где 
– коэффициент теплопроводности, показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Коэффициент теплопроводности определяет способность тела проводить теплоту. Наибольшее значение коэффициента теплопроводности имеют металлы (медь – = 400 Вт/(м·К), сталь = 50 Вт/(м·К)), наименьшее – газы (например, воздух = 0,027 Вт/(м·К)). У жидкостей = (0,1 ÷ 0,7) Вт/(м·К).
Теплоизоляционные строительные материалы обычно имеют пористую структуру, в порах находится воздух, поэтому эти материалы имеют низкие значения коэффициента теплопроводности ( = (0,04 ÷ 3) Вт/(м·К)).
С увеличением давления и температуры теплопроводность газов увеличивается. Для жидкостей и металлов с увеличением температуры теплопроводность обычно уменьшается.
Дифференциальное уравнение теплопроводности
Выделим в теле элементарный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz. Если через этот параллелепипед тепло распространяется теплопроводностью, то за промежуток времени dτ в него входят количества тепла Q x, Q y, Q z, через противоположные грани – выходят количества тепла соответственно Q x + dx,Qy + dy, Qz + dz.
Разность между количеством тепла, введенным в параллелепипед за dτ и выведенным из него за тот же промежуток времени определяется равенством:
.
Согласно закону Фурье:
, (17.0)
,
, тогда
.
Аналогично получаем:
.
Общее приращение теплоты составит:
.
На основе закона сохранения энергии это приращение тепла пойдет на изменение энтальпии параллелепипеда за время Δτ.
,
где с – теплоемкость вещества, ρ – плотность.
Если приравнять эти величины, то
.
Если выражение 
– коэффициент температуропроводности, обозначить a, то выражение можно переписать:
