传热学全套课程教学课件.ppt

1、传热学传热学 为什么要学习传热学为什么要学习传热学 自然界温差无处不在，无时不有自然界温差无处不在，无时不有 传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土传热学是能源、动力、化工、机械、电子、土 木等学科的主干技术基础课木等学科的主干技术基础课 传热学与传热学与流体力学、工程热力学流体力学、工程热力学并称能源动力并称能源动力 类专业的三大支柱类专业的三大支柱 第一章第一章 绪论绪论 1 1- -1 1 传热学的研究内容及其在科学技术和工程传热学的研究内容及其在科学技术和工程 中的应用中的应用 1 1- -2 2 热能传递的三种基本方式热能传递的三种基本方式 1 1- -3 3 传热过程和传热系数传

2、热过程和传热系数 1 1- -4 4 传热学发展简史和研究方法传热学发展简史和研究方法 一一、研究内容研究内容 1 1 、传热学传热学 传热学是研究由温差引起的热能传递规律的学科传热学是研究由温差引起的热能传递规律的学科。 1 1) )物体内只要存在温差物体内只要存在温差，就有热能从物体的高温部就有热能从物体的高温部 分传向低温部分；分传向低温部分； 2 2) )物体之间存在温差时物体之间存在温差时，热能就会自发的从高温物热能就会自发的从高温物 体传向低温物体体传向低温物体。 1-1 传热学的研究内容及其在科传热学的研究内容及其在科 学技术和工程中的应用学技术和工程中的应用 假定所研究的物体中

3、的温度、密度、速度、假定所研究的物体中的温度、密度、速度、 压力等物理参数都是空间的连续函数。压力等物理参数都是空间的连续函数。 2 、连续介质假定、连续介质假定 a. 二者都是研究与热现象有关的科学；二者都是研究与热现象有关的科学； b. 工程热力学第一工程热力学第一、第二定律是进行传热学研究第二定律是进行传热学研究 的基础的基础。 3.传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系 联系：联系： 区别： a.工程热力学研究的是处于平衡状态的系统工程热力学研究的是处于平衡状态的系统，不不 存在温差或压力差存在温差或压力差，而传热学研究的是温差存而传热学研究的是温差存 在时的热能传递规律在时

4、的热能传递规律。 b.参数单位区别参数单位区别,工程热力学参数单位不包含时工程热力学参数单位不包含时 间间，传热学参数单位包含时间传热学参数单位包含时间。 c.工程热力学虽然能确定传热量工程热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方稳定流能量方 程程），但不能确定物体内温度分布但不能确定物体内温度分布。 三种类型：三种类型： 4.传热学在科学技术各个领域中的应用传热学在科学技术各个领域中的应用 （1）强化传热强化传热。在一定条件下增加传递的热量在一定条件下增加传递的热量。 空调等空调等。 （2）削弱传热削弱传热。在一定条件下使传递的热量降低在一定条件下使传递的热量降低 到最小到最小。保温材料等保温材

5、料等。 （3）温度控制温度控制。对热能传递过程中关键部位的温对热能传递过程中关键部位的温 度进行控制度进行控制。电子器件的冷却等电子器件的冷却等。 a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、人在房间里度，那么在冬天与夏天、人在房间里 所穿的衣服能否一样？为什么？所穿的衣服能否一样？为什么？ b b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和水中度）的空气和水中 的感觉不一样。为什么？的感觉不一样。为什么？ c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于北方寒冷地区，建筑房

6、屋都是双层玻璃，以利于 保温。如何解释其道理？越厚越好？保温。如何解释其道理？越厚越好？ 日常生活中的例子：日常生活中的例子： 日常生活日常生活 太阳能集热器太阳能集热器 家用散热片家用散热片 是传热学的最简单运用是传热学的最简单运用 空心砖空心砖 实心砖实心砖 建筑上建筑上,利用空气导利用空气导 热系数小的特点热系数小的特点, 制成的空心砖具有制成的空心砖具有 良好的保温效果良好的保温效果。 温室效应温室效应: : 大气中的二氧化碳含量增加大气中的二氧化碳含量增加, ,近地表大气层起着温室近地表大气层起着温室 玻璃的作用玻璃的作用, ,太阳光可以射到温室太阳光可以射到温室，但热量很难发射但热

7、量很难发射 出去出去, ,这样使得地球的温度升高这样使得地球的温度升高。 环境科学家估计环境科学家估计: :如果全球大气平均温度升高如果全球大气平均温度升高5 5- -6 6 度度，目前南北极地区的冰雪将融化目前南北极地区的冰雪将融化，地球上绝大地球上绝大 部分陆地将被淹没部分陆地将被淹没。 天气环境天气环境 在航空航天领域在航空航天领域, ,航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装 有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需的部分能量有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需的部分能量。 火箭升空火箭升空 a a 航空航天：空间飞行器重返大气层冷却；航空航天：空间飞行

8、器重返大气层冷却； 超高音速飞行器超高音速飞行器（Ma=Ma=1010）冷却冷却。 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用 电子器件电子器件 电脑内电脑内, ,必须加强诸多芯必须加强诸多芯 片的散热片的散热 电脑主板电脑主板 CPU芯片芯片 芯片内空气流动换热示意图芯片内空气流动换热示意图 b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却 c c 制冷：跨临界二氧化碳汽车空调制冷：跨临界二氧化碳汽车空调 d d 新能源：太阳能新能源：太阳能 热能传递三种方式：热能传递三种方式： 热传导、热对流与热辐射热传导、热对流与热辐射 1-2 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 一一、导

9、热导热（热传导热传导） 1 、概念概念 定义：物体各部分之间不发生相对位移时定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依依 靠分子靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动原子及自由电子等微观粒子的热运动 而产生的热量传递称导热而产生的热量传递称导热。 如：固体与固体之间及固体内部的热量传递如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。 2 2 、导热的基本规律、导热的基本规律 傅立叶定律（傅立叶定律（18221822年，法国物理学家）年，法国物理学家） 如图如图 1-1 所示的两个表面分别维持所示的两个表面分别维持 均匀恒定温度的平板均匀恒定温度的平板，是个一维导是个一维导 热问题热问题。对于对于x方向

10、上任意一个厚度方向上任意一个厚度 为的微元层来说为的微元层来说，根据傅里叶定律根据傅里叶定律， 单位时间内通过该层的导热热量与单位时间内通过该层的导热热量与 当地的温度变化率及平板面积当地的温度变化率及平板面积A成正成正 比比，即即 dx dt A dx dt A 式中式中 是比例系是比例系 数数，称为称为热导率热导率， 又称又称导热系数导热系数，负负 号表示热量传递的号表示热量传递的 方向与温度升高的方向与温度升高的 方向相反方向相反。 （1-1） 热流量热流量。 单位时间内通过某一给定面积的热量单位时间内通过某一给定面积的热量 称为热流量称为热流量，记为记为 ，单位单位W W。 热流密度热

11、流密度（面积热流量面积热流量） 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度， 记为记为 q q ，单位单位 W/W/。 dx dt A q 说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（1 1- - 1 1）、（）、（1 1- -2 2）是一维稳态导热时傅立叶定律的）是一维稳态导热时傅立叶定律的 数学表达式。数学表达式。 （1-2） 当物体的温度仅在当物体的温度仅在 x 方向放生变化时，按傅方向放生变化时，按傅 立叶定律，热流密度的表达式为立叶定律，热流密度的表达式为: （1 1）当温度当温度 t t 沿沿 x x 方向增加时

12、方向增加时， 而而 q q ，说明此时热量沿说明此时热量沿 x x 减小的方向传递；减小的方向传递； （2 2）反之反之，当当t t沿沿x x方向减小时方向减小时， 0 0 ，q q 0 0时时，说明热量沿说明热量沿 x x 增加的方向传递增加的方向传递。 （3 3）导热系数导热系数 表征材料导热性能优劣的参表征材料导热性能优劣的参 数数，是一种物性参数是一种物性参数，单位：单位： w/mw/m. .k k 。 dx dt dx dt 通过分析可知：通过分析可知： 二、热对流二、热对流 1 、基本概念、基本概念 1) 1) 热对流：热对流：是指由于流体的宏观运动，从而使是指由于流体的宏观运动，

13、从而使 流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互 掺混所引起的热能传递过程。掺混所引起的热能传递过程。 热对流仅发生在流体中，对流的同时必伴热对流仅发生在流体中，对流的同时必伴 随有导热现象随有导热现象, ,因为流体分子同时在进行着不因为流体分子同时在进行着不 规则的热运动。规则的热运动。 2 、对流换热的分类对流换热的分类 1 1）根据对流传热时根据对流传热时是否发生相变是否发生相变分：有相变的分：有相变的 对流对流传传热和无相变的对流热和无相变的对流传传热热。 2) 2) 对流传热对流传热：流体流过一个物体表面流体流过一个物体表面 时的热量传递过程，

14、称为对流传热。时的热量传递过程，称为对流传热。 自然对流：自然对流： 由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流 动动。 强制对流：强制对流： 流体的流动是由于水泵流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所风机或其他压差作用所 造成的造成的。 3 3）沸腾换热及凝结换热：沸腾换热及凝结换热： 液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的 对流换热对流换热，称为沸腾换热及凝结换热称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸相变对流沸 腾腾）。 2）根据根据引起引起流动的原因流动的原因分：自然对流和强制对流分：自然对流和强制对流。

15、 3 、对流传热的基本规律（、对流传热的基本规律（ 牛顿牛顿 冷却公式冷却公式 ） 流体被加热时：流体被加热时： 流体被冷却时流体被冷却时： )( fw tthq )( wf tthq 式中，式中， 及及 分别为壁面温度和流体分别为壁面温度和流体 温度，温度，。 f t w t （1-3） （1-4） 如果把温差记为如果把温差记为 ，并约定永远取正值，并约定永远取正值， 则则牛顿冷却公式牛顿冷却公式可表示为可表示为 thq tAh 其中其中 h h 比例系数比例系数（表面传热系数表面传热系数） 单位单位 。 2 W/ mK （1-5） （1-6） t h h 的物理意义：的物理意义：单位温差作

16、用下通过单位温差作用下通过 单位面积的热流量。单位面积的热流量。 表面传热系数的大小与传热过程中的许多因表面传热系数的大小与传热过程中的许多因 素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表 面的形状、大小相对位置，而且与流体的流面的形状、大小相对位置，而且与流体的流 速有关。速有关。 一般地一般地，就介质而言：水的对流换热就介质而言：水的对流换热 比空气强烈；比空气强烈； 就换热方式而言：有相变的强于无相变的；就换热方式而言：有相变的强于无相变的； 强制对流强于自然对流。强制对流强于自然对流。 对流换热研究的基本任务：对流换热研究的基本任务： 用理论分析或用理论

17、分析或 实验的方法推出各种场合下表面换热导数实验的方法推出各种场合下表面换热导数 的关系式。的关系式。 三三、热辐射热辐射 1、基本概念基本概念 1 1）辐射和热辐射辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。 因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 2 2）辐射传热辐射传热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式 进行的物体间的热量传递称辐射传热进行的物体间的热量传递称辐射传热。 自然界中的物体都在不停的向空间发出自然界中的物体都在不停的向空间发出 热辐射热辐射，

18、同时又不断的吸收其他物体发同时又不断的吸收其他物体发 出的辐射热出的辐射热。 说明：辐射传热是一个动态过程说明：辐射传热是一个动态过程，当物当物 体与周围环境温度处于热平衡时体与周围环境温度处于热平衡时，辐射辐射 传热量为零传热量为零，但辐射与吸收过程仍在不但辐射与吸收过程仍在不 停的进行停的进行，只是辐射热与吸收热相等只是辐射热与吸收热相等。 3 3 ）导热、对流、辐射的评述）导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热能传递方式，只有物质存导热、对流两种热能传递方式，只有物质存 在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介 质，可以在真空中传递，而且在真空中

19、辐射能质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能 的传递最有效。的传递最有效。 在辐射传热过程中，不仅有能量的转移，而且伴随在辐射传热过程中，不仅有能量的转移，而且伴随 有能量形式的转化。有能量形式的转化。 在辐射时，辐射体内热能在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能；在吸收时， 辐射能辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是受射体内热能，因此，辐射换热过程是 一种能量互变过程。一种能量互变过程。 辐射传热不需要中间介质辐射传热不需要中间介质，在真空中即可在真空中即可 进行进行，而且在真空中辐射能的传递最有效而且在真空中辐射能的传递最有效。 因此因此，又称其为非接触性传热又称其为非接

20、触性传热。 辐射传热是一种双向热流同时存在的换热辐射传热是一种双向热流同时存在的换热 过程过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能即不仅高温物体向低温物体辐射热能， 而且低温物体向高温物体辐射热能而且低温物体向高温物体辐射热能。 2 、热辐射的基本规律：热辐射的基本规律： 所谓绝对所谓绝对黑体黑体：把吸收率等于：把吸收率等于1 1的物体称黑的物体称黑 体体，是一种假想的理想物体是一种假想的理想物体。 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是 最大的而且辐射热量服从于最大的而且辐射热量服从于斯忒藩斯忒藩玻耳玻耳 兹曼定律兹曼定律。 4 TA （1-7） 其中其中

21、 T T 黑体的热力学温度黑体的热力学温度 K K ； 斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数（黑体辐黑体辐 射常数射常数），其值为其值为 ； A辐射表面积辐射表面积 m m2 2 。 -824 5.67 10 W/ mK 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 实际物体辐射热流量根据实际物体辐射热流量根据斯忒潘斯忒潘玻玻 耳兹曼定律耳兹曼定律求得：求得： 其中其中 物体自身向外辐射的热流量，物体自身向外辐射的热流量， 而不是辐射换热量；而不是辐射换热量； 物体的物体的发射率（黑度），发射率（黑度），其值其值 总小于总小于1 1，它与物体的种类及表面状态有关。，它与物体的种类及表面状态有关。 4

22、TA（1-8） 物体包容在一个很大的表面温度为的空物体包容在一个很大的表面温度为的空 腔内腔内，物体与空腔表面间的辐射传热量物体与空腔表面间的辐射传热量。 )( 4 2 4 111 TTA （ 1-9 ） 下标下标1指被包容的小物体，下标指被包容的小物体，下标2指标面指标面 积很大的空腔。积很大的空腔。 1-3 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 一、传热过程一、传热过程 1 、概念、概念 热量由壁面一侧的流体热量由壁面一侧的流体 通过壁面传到另一侧流通过壁面传到另一侧流 体中去的过程称传热过体中去的过程称传热过 程程。 通过平壁的传热过程通过平壁的传热过程 热流体热流体壁面高温；壁面高温；

23、 壁面高温侧壁面高温侧壁面低温侧；壁面低温侧； 壁面低温侧壁面低温侧冷流体。冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节若是稳态过程则通过串联环节 的热流量相同。的热流量相同。 通过平壁的传热过程通过平壁的传热过程 2 、传热过程的组成、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的三个环节组成：传热过程一般包括串联着的三个环节组成： 3 、传热过程的计算、传热过程的计算 222 21 111 fw ww wf ttAh tt A ttAh （a） （b） （c） 针对稳态的传热过程，即针对稳态的传热过程，即 Q=const Q=const 其其传热环节有三种情况传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：

24、，则其热流量的表达式如下： 将式（将式（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）改写成温差的形）改写成温差的形 式：式： 2 22 21 1 11 / Ah tt A tt Ah tt fw ww wf （d） （e） （f） 三式相加，整理可得三式相加，整理可得: : 也可以表示成也可以表示成: : 式中，式中， 称为传热系数，单位称为传热系数，单位 为为 。 k 2 W/ mK 21 21 11 )( hh ttA ff （1-10） 12 () ff Ak ttAk t （1-11） 二、传热系数二、传热系数 1 、概念、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标是指用来表征传热过程强

25、烈程度的指标。数数 值上等于冷热流体间温差值上等于冷热流体间温差 ， 传热面积传热面积 时热流量的值时热流量的值。 K K 值越大值越大，则传热过程越强则传热过程越强，反之反之，则弱则弱。 其大小受较多的因素的影响：其大小受较多的因素的影响： 参与传热过程的流体的种类；参与传热过程的流体的种类； 传热过程是否有相变传热过程是否有相变 1t 2 1mA 说明：说明：若流体与壁面间有辐射传热现象若流体与壁面间有辐射传热现象， 上述计算未考虑之上述计算未考虑之。要计算辐射换热要计算辐射换热，则：则： 表面传热系数应取复合换热表面传热系数表面传热系数应取复合换热表面传热系数， 包含由辐射传热折算出来的

26、表面传热系数包含由辐射传热折算出来的表面传热系数 在内在内。 传热系数的表达式为传热系数的表达式为: : 21 11 1 hh k （1-12） 传热系数的表达式揭示了传热系数的构成传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即即 它等于组成传热过程诸环节的它等于组成传热过程诸环节的 、 及及 之和的倒数之和的倒数。 1 /1 h / 2 /1 h 或或 21 111 hhk （1 1- -1313） 21 111 AhAAhAk （1 1- -1414） 此式与欧姆定律此式与欧姆定律 比较，比较， 具有具有 电阻电阻之功能。之功能。 由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的由此可见：传热过程热阻是由

27、各构成环节的热阻热阻 组成。组成。 串联热阻叠加原则：串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程在一个串联的热量传递过程 中中，如果通过各个环节的热流量都相等如果通过各个环节的热流量都相等，则串联则串联 热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。 RUI/ Ak/1 12 () ff Ak ttAk t 1-4 传热学发展简史 1818世纪世纪3030年代工业化革命促进了传热学的发展年代工业化革命促进了传热学的发展 导热（导热（Heat conductionHeat conduction） 两块冰摩擦生热化为水的实验（两块冰摩擦生热化为水的实验（H.

28、 Davy, H. Davy, 17991799年）年） 导热热量和温差及壁厚的关系（导热热量和温差及壁厚的关系（J. B. Biot, J. B. Biot, 18041804年）年） Fourier Fourier 导热定律导热定律 (J. B. J. Fourier , (J. B. J. Fourier , 1822 1822 年）年） 对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer） 不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年) ) 流体流动流体流动NavierNa

29、vier- -StokesStokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年） 雷诺数雷诺数(O.Reynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年） 自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881L.Lorentz, 1881年）年） 管内换热的理论解（管内换热的理论解（L.Graetz, 1885L.Graetz, 1885年；年； W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年） 凝结换热理论解凝结换热理论解 （W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年） 强制对流与自

30、然对流无量纲数的原则关系强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年） 流体边界层概念流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904L.Prandtl, 1904年）年） 热边界层概念热边界层概念 （E.Pohlhausen,1921E.Pohlhausen,1921年）年） 湍流计算模型湍流计算模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年； Th.Von Karman, 1939Th.Von Karman, 1939年；年；R.C. R.C. Martinelli, 1947Mart

31、inelli, 1947年）年） 本章小结：本章小结： (1) (1) 导热导热 Fourier Fourier 定律：定律： (2) (2) 对流换热对流换热 Newton Newton 冷却公式：冷却公式： (3) (3) 热辐射热辐射 StenfanStenfan- -Boltzmann Boltzmann 定律：定律： (4) (4) 传热过程传热过程 x t A d d tAh 4 TA 第二章第二章 稳态热传导稳态热传导 2.1导热基本定律导热基本定律 傅里叶定律傅里叶定律 2.2 导热问题的数学描写导热问题的数学描写 2.3典型一维稳态导热问题的分析解法典型一维稳态导热问题的分析

32、解法 2.4通过肋片的导热通过肋片的导热 2.5具有内热源的一维稳态导热具有内热源的一维稳态导热 1 1. .重点内容：重点内容： 傅立叶定律及其应用；傅立叶定律及其应用； 导热系数及其影响因素；导热系数及其影响因素； 导热问题的数学模型导热问题的数学模型。 2 2. .掌握内容：掌握内容：一维稳态导热问题的分析解法一维稳态导热问题的分析解法 3.3.了解内容：了解内容：多维导热问题多维导热问题 导热换热应用背景介绍导热换热应用背景介绍 物体的各部分之间不发生相对位移时物体的各部分之间不发生相对位移时，依靠内部微观粒依靠内部微观粒 子的热运动而产生的热量传递称为导热子的热运动而产生的热量传递称

33、为导热（热传导热传导）。工程上工程上 利用这种换热方式来实现许多装置的热交换问题利用这种换热方式来实现许多装置的热交换问题。 冰箱的保温层的导热问题冰箱的保温层的导热问题 核反应堆等内热源的导热核反应堆等内热源的导热 一一、导热机理导热机理 （1 1）气体：气体：导热是气体分子不导热是气体分子不 规则热运动时相互碰撞的结果规则热运动时相互碰撞的结果， 温度升高温度升高，动能增大动能增大，不同能不同能 量水平的分子相互碰撞量水平的分子相互碰撞，使热使热 能从高温传到低温处能从高温传到低温处。 2.1导热基本定律导热基本定律 傅里叶定律傅里叶定律 （2 2）导电固体：导电固体： 其中有许多自由电子

34、其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气它们在晶格之间像气 体分子那样运动体分子那样运动。自由电子的运动在导电固自由电子的运动在导电固 体的导热中起主导作用体的导热中起主导作用。 （3 3）非导电固体：非导电固体：导热是通过晶格结构的振动导热是通过晶格结构的振动 所产生的弹性波来实现的所产生的弹性波来实现的，即原子即原子、分子在分子在 其平衡位置附近的振动来实现的其平衡位置附近的振动来实现的。 （4 4）液体的导热机理：液体的导热机理： 存在两种不同的观点：存在两种不同的观点： 第一种观点类似于气体第一种观点类似于气体，只是复杂些只是复杂些，因液体分子的因液体分子的 间距较近间距较近，分子间的作

35、用力对碰撞的影响比气体大；分子间的作用力对碰撞的影响比气体大； 第二种观点类似于非导电固体第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波主要依靠弹性波（晶晶 格的振动格的振动，原子原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用的作用。 说明：只研究导热现象的宏观规律说明：只研究导热现象的宏观规律。 导热特点导热特点 1)物体之间不发生宏观相对位移物体之间不发生宏观相对位移。 2)依靠微观粒子依靠微观粒子（分子分子、原子原子、电子等电子等）的无规的无规 则热运动则热运动。 3)是物质的固有本质是物质的固有本质。 概念概念：温度场是指在各个时刻物体内各点温度温度场是指

36、在各个时刻物体内各点温度 分布的总称分布的总称。 由傅立叶定律知由傅立叶定律知，物体的温度分布是坐标物体的温度分布是坐标 和时间的函数：和时间的函数： ,zyxft 其中其中 为空间坐标为空间坐标， 为时间坐标为时间坐标。 , ,x y z 二二、 温度场温度场 （Temperature field） 温度场分类温度场分类 1 1）稳态温度场（定常温度场）稳态温度场（定常温度场） 是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时 间的改变而变化的温度场，其表达式：间的改变而变化的温度场，其表达式： ( , , )tf x y z 设备或装置稳定运行过程中设备或装

37、置稳定运行过程中,温度仅为空间坐标的函数温度仅为空间坐标的函数， 不随时间而变不随时间而变。 2 2）非稳态温度场非稳态温度场（非定常温度场非定常温度场） 是指在变动工作条件下是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而物体中各点的温度分布随时间而 变化的温度场称非稳态温度场变化的温度场称非稳态温度场，其表达式：其表达式： 若物体温度仅一个方向有变化若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称这种情况下的温度场称 一维温度场一维温度场。 ( , , , )tf x y z 设备或装置等启动设备或装置等启动、停机等过程中停机等过程中，温度随空间和时间变化温度随空间和时间变化 。 等温面

38、与等温线等温面与等温线 等温线：等温线：用一个平面与各等温面相交用一个平面与各等温面相交，在这个在这个 平面上得到一个等温线簇平面上得到一个等温线簇 等温面：等温面：同一时刻同一时刻、温度场中所有温度相同的温度场中所有温度相同的 点连接起来所构成的面点连接起来所构成的面 等温面与等温线的特点：等温面与等温线的特点： ( (1 1) ) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交 ( (2 2) ) 在连续的温度场中在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断等温面或等温线不会中断， 它们或者是物体中完全封闭的曲面它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线曲线），或者或者 就

39、终止与物体的边界上就终止与物体的边界上。 物体的温度场通常用等温面或等温线表示物体的温度场通常用等温面或等温线表示。 等温线图的物理意义：等温线图的物理意义： 若每条等温线间的温度间隔相等时，等若每条等温线间的温度间隔相等时，等 温线的疏密可反映出不同区域导热热流温线的疏密可反映出不同区域导热热流 密度的大小密度的大小。 三三 、导热基本定律、导热基本定律 1 、导热基本定律导热基本定律（傅立叶定律傅立叶定律） 1 1 ）定义：定义：在导热现象中在导热现象中，单位时间内通过单位时间内通过 给定截面所传递的热量给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该正比例于垂直于该 截面方向上的温度变化率截面方向

40、上的温度变化率，而热量传递的方而热量传递的方 向与温度升高的方向相反向与温度升高的方向相反，即即 x t A 2 2 ）数学表达式：数学表达式： x t A （负号表示热量传递方向与温度升高方向相反负号表示热量传递方向与温度升高方向相反） x t q 3 3 ）傅里叶定律用热流密度表示：傅里叶定律用热流密度表示： 其中其中 热流密度热流密度( (单位时间内通过单位单位时间内通过单位 面积的热流量面积的热流量) ) 物体温度沿物体温度沿 x x 轴方向的变化率轴方向的变化率 q x t 当物体的温度是三个坐标的函数时当物体的温度是三个坐标的函数时，其形其形 式为式为: : n n t gradt

41、q 是空间某点的温度梯度；是空间某点的温度梯度； 是通过该点等温线上的法向是通过该点等温线上的法向 单位矢量单位矢量，指向温度升高的指向温度升高的 方向；方向； 是该处的热流密度矢量是该处的热流密度矢量。 gradt n q 式中：式中： 当等温线图上每两条相邻等温线间的温度间隔相等时当等温线图上每两条相邻等温线间的温度间隔相等时, 等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流密度等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流密度 的相对大的相对大。 1）热流线热流线 一组与等温线处处垂直的曲一组与等温线处处垂直的曲 线线，通过平面上任一点的热流通过平面上任一点的热流 线与该点的热流密度矢量相切线与

42、该点的热流密度矢量相切。 2）在整个物体中在整个物体中，热流密热流密 度矢量的走向可用热流线表示度矢量的走向可用热流线表示。 2 、温度梯度与热流密度的关系温度梯度与热流密度的关系 1 1 、导热系数的含义导热系数的含义 导热系数的定义式由傅里叶定律的数学表达式导热系数的定义式由傅里叶定律的数学表达式 给出给出： q t n n 数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所 产生的热流密度矢量的模产生的热流密度矢量的模。 2 2、影响热导率的因素：影响热导率的因素：物质的种类物质的种类、材料成分材料成分、温度温度、 湿度湿度、压力压力、密度等密度等 ; 金属非金

43、属固相液相气相 三三 、导热系数导热系数（导热率导热率、比例系数比例系数） 实用计算中实用计算中，大多数材料的导热大多数材料的导热 系数都可以用线性近似关系系数都可以用线性近似关系，即即 = = 0（a+bt），式中式中，t为温度为温度， a,b为常量为常量， 0是直线段的延长线是直线段的延长线 在纵坐标轴上的截距在纵坐标轴上的截距。 3 3 、保温材料保温材料（隔热隔热、绝热材料绝热材料） 把导热系数小的材料称保温材料把导热系数小的材料称保温材料。我国规我国规 定：定： 350350 时时， 0 0. .1212w/mkw/mk 保温保温 材料导热系数界定值的大小反映了一个国家材料导热系数界

44、定值的大小反映了一个国家 保温材料的生产及节能的水平保温材料的生产及节能的水平。 越小越小，生生 产及节能的水平越高产及节能的水平越高。 t 4 、保温材料热量转移机理保温材料热量转移机理 ( 高效保温材料高效保温材料 ) 高温时：高温时： （1 1）蜂窝固体结构的导热蜂窝固体结构的导热 （2 2）穿过微小气孔的导热穿过微小气孔的导热 更高温度时：更高温度时： （1 1）蜂窝固体结构的导热蜂窝固体结构的导热 （2 2）穿过微小气孔的导热和辐射穿过微小气孔的导热和辐射 5 、超级保温材料、超级保温材料 采取的方法：采取的方法： （1 1）夹层中抽真空夹层中抽真空（减少通过导热而造成热损减少通过导

45、热而造成热损 失失） （2 2）采用多层间隔结构采用多层间隔结构（1 1cmcm 达十几层达十几层） 特点：特点：间隔材料的反射率很高，减少辐射换热，间隔材料的反射率很高，减少辐射换热， 垂直于隔热板上的导热系数低达：垂直于隔热板上的导热系数低达：1010- -4 4w/m.k w/m.k 6 、各向异性材料各向异性材料 指有些材料指有些材料（木材木材，石墨石墨）各向结构不同各向结构不同，各方各方 向上的向上的也有较大差别也有较大差别，这些材料称各向异性材料这些材料称各向异性材料。此此 类材料类材料 必须注明方向必须注明方向。 2 2- -2 2 导热问题的数学描写导热问题的数学描写 （1 1）对于一维导热问题对于一维导热问题，根据傅立叶定律根据傅立叶定律 积分积分，可获得用两侧温差表示的导热量可获得用两侧温差表示的导热量。