熱傳遞

熱傳遞

在沒有作功而隻有溫度差的條件下,能量從一個物體轉移到另一個物體,或從物體的一部分轉移到另一部分的過程稱為熱傳遞。

  • 中文名稱
    熱傳遞
  • 本質
    改變內能的一種方式
  • 性質
    物理變化
  • 傳遞方式
    熱傳導、熱對流和熱輻射
  • 分類
    熱傳遞與動量傳遞、質量傳遞
  • 對流
    自然對流,受迫對流

​簡介

改變系統內能的兩種方式之一,另一種方式為做功。熱總是從熱的一端傳向冷的一端。通過直接接觸,將熱從一個物體傳給另一個物體,或者從物體的一部分傳到另一部分的傳熱方法叫做熱傳遞。

熱傳遞實驗熱傳遞實驗

在熱傳遞過程中,一般用熱量來量度內能改變的多少。熱傳遞又分為熱對流、熱傳導、熱輻射。實際上,這三種傳熱方式常常同時並存,因而,增加了過程的復雜性。對于固體熱源,當它同周圍媒質溫度差不很大時(約50°C以下),熱源向周圍媒質傳遞的熱量Q可由牛頓冷卻定律:

熱傳遞熱傳遞

來計算,其中s為進行熱量交換的表面積且在s上熱量交換是均勻的,θ是固體的溫度,θo是遠離熱源處的媒質溫度,t是進行熱交換的時間,α是表面熱傳遞系數。

熱對流流體依靠其巨觀流動而實現的熱傳遞過程稱為熱對流。其特點是,在熱量傳遞的同時,伴隨著大量分子的定向運動。熱對流又分為自然對流和強迫對流。

分類

①自然對流。當流體內部存在溫度梯度,進而出現密度梯度時,高溫處流體的密度一般小于低溫處流體的密度(水在0~4°C的反常膨脹等除外)。如果密度由小到大對應于它們在空間的位置是由低到高,則受重力作用,流體便開始流動。又由于高溫處分子無規則運動的平均動能較低溫處大,從而出現了熱量由高溫處傳向低溫處的現象。冬天室內的取暖設備就是借助室內空氣的自然對流來傳熱的。大氣及海洋中也存在著這種熱對流現象。

②強迫對流。靠外來作用使流體作迴圈流動,從而進行熱量傳遞。

熱傳導不借助于物質的巨觀移動,而靠分子、原子、電子等間的相互作用使熱量由高溫物體傳向低溫物體(或由物體的高溫部分傳向低溫部分)的巨觀過程稱為熱傳導。氣、液、固三態物體中都能發生這種傳熱過程。

根據傅裏葉實驗定律,在dt時間內流過面積元ds的熱量為

式中負號表示熱量沿溫度減小的方向傳遞,

熱傳遞熱傳遞

表示ds所在處沿ds法線方向的溫度梯度, λ(x,y,z)稱為物體在(x,y,z)處的熱導率,其值決定于物質的導熱性能。

熱傳遞熱傳遞

熱輻射借助電磁波傳遞能量的方式稱為熱輻射。它具有連續的輻射能譜,波長自遠紅外區延伸至紫外區,但主要靠波長較長的紅外線。輻射源表面在單位時間內、單位面積上所發射(或吸收)的能量同該表面的性質及溫度有關,表面越黑暗越粗糙,發射(吸收)能量的能力就越強。

不同物體對同樣電磁波的吸收、穿透和反射的程度各不相同。物體吸收的輻射能同射到物體上的總輻射能之比a稱為吸收系數;反射的部分同總輻射能之比r稱為反射系數;穿透部分同總輻射能之比t稱為穿透系數。三者間有下列關系a+r+t=1。

t=1時,ar=0,稱為理想透射體;

r=1時,at=0,稱為理想反射體;

a=1時,tr=0,稱為理想黑體。

一個物體向外輻射能量的同時,還吸收從其他物體輻射來的能量。如果物體輻射出去的能量恰好等于在同一時間內所吸收的能量,則輻射過程達到平衡,稱為平衡輻射,此時物體具有固定的溫度(見普朗克公式)。

參考書目

霍爾曼著,馬慶芳等譯:《傳熱學》,人民教育出版社,北京,1979。(J. P. Holman, Heat Transfer, 4th ed., McGraw Hill, New York, 1976.)

楊世銘主編:《傳熱學》,人民教育出版社,北京,1980。

熱傳導

熱傳導由組成系統的分子原子熱運動及其相互作用引起的熱量從高溫向低溫遷移的

熱傳遞與熱傳導

巨觀現象。物質的三種聚集態——氣、液、固中都能發生熱傳導。熱傳導遵從的巨觀規律是傅裏葉定律。根據這個定律,由系統內溫度分布不均勻引起的在dt時間內流過面積元dS的微熱量為:

dQ=-λ(r)(2T/2n)dSdt

式中的r是確定面積元dS位置的徑矢,(2T/2n)表示r處沿dS法線方向的溫度梯度,負號說明熱量總是沿著溫度減小的方向進行,λ(r)表示r處系統的熱導率,它的數值反映該種物質傳遞熱量的本領。熱導率是溫度的函式,在一個溫度分布不均勻的系統中,它隨徑矢而改變。但對很多物質,當溫度變化不大時熱導率可近似為常數。銅在室溫下的熱導率為3.98×102瓦/(米·開),而相同條件下的空氣熱導率為2.57×10-2瓦/(米·開)。

​熱輻射

借助電磁波傳遞能量的方式稱為熱輻射。它具有連續的輻射能譜波長遠紅外區延伸

CPU熱傳遞

至紫外區,但主要靠波長較長的紅外線輻射源表面在單位時間內、單位面積上所發射(或吸收)的能量同該表面的性質及溫度有關 ,表面越黑暗越粗糙,發射(吸收)能量的能力就越強。任何物體都以電磁波的形式向周圍環境輻射能量。輻射電磁波在其傳播路上遇到物體時,將激勵組成該物體的微觀粒子熱運動,使物體加熱升溫。熱輻射電磁波的波長限于0.8微米至0.8毫米的紅外波段。物體的溫度升高到400—500℃後就會發出可見光(波長為0.4—0.8微米) ,同時以的形式輻射能量。熱輻射遵循的巨觀規律是建立在普朗克平衡輻射場能量密度公式基礎上的斯忒藩-玻耳茲曼定律黑體的總輻出度E0(單位時間裏從單位面積發射的能量)與它溫度T4成正比:

E0(T)=σ0T^4=σ0′(T/100)^4

式中的比例系數σ0′=5.67J/(s·m^2·k^4)稱斯忒藩-玻耳茲曼常數。落到物體上的電磁輻射部分被吸收,部分被反射,部分貫穿物體,可分別定義物體的吸收系數a反射系數r和透射系數d為:

a=Qa/Qr=Qr/Qd=Qd/Q

式中的QQaQrQd分別表示入射物體的電磁輻射能量及其被吸收、反射和透射的那一部分能量。由能量守恆定律可得:a+r+d=1。通常把a=1、r=d=0的物體稱為絕對黑體;具有全反射r=1、a=d=0)性質的物體稱絕對白體絕對透明體d=1、a=r=0。實際上隻有薄膜固體才具有相當的透明度。一些氣體可看作是透明體,另一些氣體對輻射的吸收具有選擇性。吸收系數與波長無關(=a=常數)的物體被稱為灰體。灰體的單色輻出度類似黑體是連續分布的,隻是數值按比例ε減小,ε又稱黑度。由此可得灰體的總輻出度為:

E=εE0=εσ0T4=σT^4=σ′(T/100)^4

式中的σ=εσ0(或者σ′=εσ0′),稱作灰體的輻射系數。

不同物體對同樣電磁波的吸收、穿透和反射的程度各不相同。

一個物體向外輻射能量的同時,還吸收從其他物體輻射來的能量。如果物體輻射出去的能量恰好等于在同一時間內所吸收的能量,則輻射過程達到平衡,稱為平衡輻射,此時物體具有固定的溫度(見普朗克公式)。

熱輻射能把熱能以光速穿過真空,從一個物體傳給另一個物體。任何物體隻要溫度高于絕對零度,就能輻射電磁波,被物體吸收而變成熱能,稱為熱射線。電磁波的傳播不需要任何媒質,熱輻射是真空中唯一的熱傳遞方式。太陽傳遞給地球的熱能就是以熱輻射的方式經過宇宙空間而來。

熱對流

熱對流是流體(包括液體和氣體)流動過程中從溫度較高處向溫度較低處放熱的現象。對流又分為強迫對流和自由對流。前者是流體在外界動力(如、風扇、壓強差等)驅動下的運動;後者是流體因溫度分布不均勻誘發密度不均勻而產生浮力作用下的運動。通路內發生的對流傳熱稱為內部問題,流體流過物體時發生的對流傳熱是外部問題。

溫度為t0的流體流過一個溫度為tw(大于t0)的物體時,流體的溫度從物體表面溫度tw變化到t0的過程發生的物體表面附近的薄層內,薄層的厚度取決于流體的性質及其運動特征。流體運動越湍急,此溫度邊界層越薄,正是在此邊界層內發生的熱傳導和對流,使熱量從物體表面傳遞向流體。實驗表明,對流傳熱過程中物體從流體獲得(或放出)的熱量Q與物體的表面積A、時間τ和它與流體之間的平均溫度差Δt=twt成正比,故有牛頓冷卻定律:Q=αΔtAτ。式中的比例系數α叫作放熱系數twt分別是物體表面和流體的平均溫度。計算對流傳熱問題的困難在于確定放熱系數α,套用實驗和理論確定不同情況下的放熱系數構成了熱交換理論的主要內容。

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