熱傳導

熱傳導

熱傳導是介質內無巨觀運動時的傳熱現象,其在固體、液體和氣體中均可發生,但嚴格而言,隻有在固體中才是純粹的熱傳導,而流體即使處于靜止狀態,其中也會由于溫度梯度所造成的密度差而產生自然對流,因此,在流體中熱對流熱傳導同時發生。

  • 中文名稱
    熱傳導
  • 數學表達
    傅立葉定律 熱擴散方程
  • 傳熱模式
    對流 熱輻射
  • 套用舉例
    鋼鍛件的熱處理

簡介

物體或系統內的溫度差,是熱傳導的必要條件。或者說,隻要介質內或者介質之間存在溫度差,就一定會發生傳熱。熱傳導速率決定于物體內溫度場的分布情況。

熱量從系統的一部分傳到另一部分或由一個系統傳到另一個系統的現象叫傳熱。熱傳導是三種傳熱模式(熱傳導、對流、輻射)之一。它是固體中傳熱的主要方式,在不流動的液體或氣體層中層層傳遞,在流動情況下往往與熱對流同時發生。

熱傳導熱傳導

熱傳導實質是由物質中大量的分子熱運動互相撞擊,而使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分,或由高溫物體傳給低溫物體的過程。在固體中,熱傳導的微觀過程是:在溫度高的部分,晶體中結點上的微粒振動動能較大。在低溫部分,微粒振動動能較小。因微粒的振動互相作用,所以在晶體內部熱能由動能大的部分向動能小的部分傳導。固體中熱的傳導,就是能量的遷移。

在導體中,因存在大量的自由電子,在不停地作無規則的熱運動。一般晶格震動的能量較小,自由電子在金屬晶體中對熱的傳導起主要作用。所以一般的電導體也是熱的良導體,但是也有例外,比如說鑽石(Diamond)--事實上,珠寶商 可以通過測鑽石的導熱性來判斷鑽石的真假。在液體中熱傳導表現為:液體分子在溫度高的區域熱運動比較強,由于液體分子之間存在著相互作用,熱運動的能量將逐漸向周圍層層傳遞,引起了熱傳導現象。由于熱傳導系數小,傳導的較慢,它與固體相似;不同于氣體,氣體分子之間的間距比較大,氣體依靠分子的無規則熱運動以及分子間的碰撞,在氣體內部發生能量遷移,從而形成巨觀上的熱量傳遞

熱傳導熱傳導

熱量從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式叫做熱傳導。

數學表達

傅立葉定律

當物體內的溫度分布隻依賴于一個空間坐標,而且溫度分布不隨時間而變時,熱量隻沿溫度降低的一個方向傳遞,這稱為一維定態熱傳導。此時的熱傳導可用下式描述:

式中 為是熱流密度,即在與傳輸方向相垂直的單位面積上,在x方向上的傳熱速率;T為溫度;x熱傳遞方向的坐標;k熱導率。此式表明q正比于溫度梯度dT/dx,但熱流方向與溫度梯度方向相反。此規律由法國物理學家傅裏葉于1822年首先提出,故稱為傅裏葉定律。

熱擴散方程

在最一般的熱傳導中,溫度隨時間和三個空間坐標而變化,且伴有熱量產生或者消耗(例如,反應熱)。這時的熱傳導稱為三維非定態熱傳導,可用熱擴散方程(Heat Equation)描述:

式中τ為時間;xyz坐標軸;ρ為密度; 為定壓比熱容;熱擴散方程表明:在介質中任意一點處,由傳導進入單位體積的凈導熱速率加上單位體積的熱能產生速率必定等于單位體積內所貯存的能量變化速率。

如果熱導率k是一個常數,熱擴散方程又可以表述如下:

α稱為熱擴散系數, ,表示非定態熱傳導過程中物體內部溫度趨于均勻的能力,即導溫系數越大,則溫度趨于均勻越快;q.dot為單位體積內熱量生成的速率

算例

一維定態熱傳導的計算 以連續操作的窯爐中熱量通過爐壁的傳遞為例,熱量從內壁面傳到外壁面,按照傅立葉定律計算,得出熱流量為:

式中T1和T2分別為壁的內外兩側面的溫度;A為爐壁面面積;L為爐壁的厚度;T1-T2為傳熱的推動力;Q為傳熱速率。根據電流等于電勢差比阻力的概念,L/kA是平壁面熱傳導的熱阻。由于熱傳導的速率正比于熱導率,所以換熱器中採用熱導率高的材料(如銅、鋼、石墨等)作為傳熱間壁材料。在熱絕緣設施中,採用熱導率低的材料(比如石棉 空氣)作為絕熱材料。

對于壁面相等的多層平壁,根據串聯熱阻的概念,其熱流量計算式為:

式中ΔT為最內層壁內側面與最外層壁外側面之間的溫度差;n為層數。

非定態熱傳導計算 如果操作是間歇的或周期性的,如蓄熱器(見換熱器)的操作,這時熱傳導是非定態的。對于形狀簡單的物體(如平板、長方體、柱體和圓球),可由式 (2)結合一定的初始條件、邊界條件求得解析解,但通常求得的解很復雜,往往以無窮級數形式表示。為便于套用,常將這些結果以圖線表述。

對于二維、三維等更復雜的熱傳導,難以用解析法求解,一般可用數值法求解,或者採用Ansys,或者Comsol等數值模擬軟體進行計算。

工業套用

工業上有許多以熱傳導為主的傳熱過程,如橡膠製品的加熱硫化、鋼鍛件的熱處理等。在窯爐、傳熱設備和熱絕緣的設計計算及催化劑顆粒的溫度分布分析中,熱傳導規律都佔有重要地位。在高溫高壓設備(如氨合成塔及大型乙烯裝置中的廢熱鍋爐等)的設計中,也需用熱傳導規律來計算設備各傳熱間壁內的溫度分布,以便進行熱應力分析。

其他傳熱模式

熱對流

氣體液體的流動來傳熱方式叫做熱對流。液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過迴圈流動使溫度趨于均勻的過程。

熱傳導熱傳導

對流是液體和氣體中熱傳遞的主要方式,氣體的對流現象比液體明顯。

對流可分自然對流和強迫對流兩種。自然對流往往自然發生,是由于溫度不均勻而引起的。強迫對流是由于外界的影響對流體攪拌而形成的。

熱對流熱對流

熱輻射

物體因自身的溫度而具有向外以電磁波的形式發射能量的本領,這種熱傳遞的方式叫做熱輻射。熱輻射雖然也是熱傳遞的一種方式,但它和熱傳導、對流不同。

電燈泡熱輻射電燈泡熱輻射

它能不依靠媒質把熱量直接從一個系統傳給另一系統。熱輻射以電磁輻射的形式發出能量,溫度越高,輻射越強。輻射的波長分布情況也隨溫度而變,如溫度較低時,主要以不可見的紅外光進行輻射,在500攝氏度以至更高的溫度時,則順次發射可見光以至紫外輻射熱輻射是遠距離傳熱的主要方式,如太陽的熱量就是以熱輻射的形式,經過宇宙空間再傳給地球的。

熱的導體

各種物體都能夠傳熱,但是不同物質的熱傳導性能不同。容易傳熱的物體叫做熱的良導體,不容易傳熱的物體叫做熱的不良導體,金屬都是熱的良導體。瓷、木頭和竹子、皮革、水都是不良導體。金屬中最善于傳熱的是銀,其次是銅和鋁。最不善于傳熱的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、軟木和其他松軟的物質。石棉常作為絕熱材料。液體,除了水銀外,都不善于傳熱,氣體比液體更不善于傳熱。

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