傳熱學(xué)是研究熱量傳遞過(guò)程規(guī)律的科學(xué)。
熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度差引起的。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,無(wú)外功輸入時(shí),熱量總是自發(fā)地從溫度高的地方傳遞至溫度較低的地方,且這個(gè)過(guò)程符合能量守恒定律(熱力學(xué)第一定律)。
熱能的傳遞有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,下面分別介紹這三種傳熱方式。
熱傳導(dǎo)
定義:溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí),依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象,稱為熱傳導(dǎo)。
熱傳導(dǎo)的基本計(jì)算公式是傅立葉定律:在單位時(shí)間內(nèi)熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量與垂直于熱流的截面積成正比,與溫度梯度成正比,負(fù)號(hào)表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反。
其中:
熱導(dǎo)率是材料的固有的物理特性,代表材料的導(dǎo)熱能力,導(dǎo)熱系數(shù)越大,說(shuō)明材料的導(dǎo)熱性能越好。
熱傳導(dǎo)的特點(diǎn):
1、必須存在溫差;
2、物體必須直接接觸;
3、依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng);
4、不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移(如摩擦生熱不是熱傳導(dǎo))。
熱對(duì)流
定義:流體中(液體或氣體)溫度不同的各部分之間,由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象,稱為熱對(duì)流。
單純的熱對(duì)流無(wú)實(shí)際意義,工程中常見(jiàn)的是對(duì)流換熱,即流動(dòng)的流體與溫度不同的固體壁間接觸時(shí)的熱量交換過(guò)程,是熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流同時(shí)存在復(fù)雜熱傳遞過(guò)程。
熱對(duì)流的基本計(jì)算公式是牛頓冷卻公式:
其中:
對(duì)流換熱系數(shù)與傳熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)。如,物體的物性,換熱表面的形狀、大小相對(duì)位置,而且還與流體的流速有關(guān)。在對(duì)流分析中,通常需要使用理論分析或是實(shí)驗(yàn)方法來(lái)推算出物體表面的對(duì)流換熱系數(shù)。
熱對(duì)流的特點(diǎn):
1、必須有直接接觸(流體和壁面)
2、必須有溫差
3、必須有宏觀的相對(duì)位移
熱輻射
定義:物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱量的方式。
物體輻射熱流率可根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律來(lái)計(jì)算。
其中:
熱輻射的特點(diǎn):
1、不需要接觸,也不需要介質(zhì)
2、 輻射換熱過(guò)程伴隨能量形式轉(zhuǎn)換:熱能 輻射能 熱能
3、無(wú)論溫度高低,物體總是相互輻射能量