导热基本理论素材ppt课件

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2-2 物质的导热特性
超级保温材料
方向
n
热流密度是一个矢量，与温度梯度 位于等温线上的同一法线上，但方向 相反，永远指向温度降低的方向。
温度梯度是物体内以导热方式进行热量传递的根本原因。 14
导热的基本定律
q qxi qy j qzk 直角坐标系中
gradt t i t j t k x y z
金属 非金属
纯金属 合金
温度t 时，纯金属
部分固体 的导热系数
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2-2 物质的导热特性
=0（1+b t）
一、物质导热系数的变化规律
③液体
导热机理：比较复杂，存在不同观点。 一种观点：认为类似于气体 但因为液体分子间的距离比较近，分子间
作用力对碰撞过程的影响较气体大。

q
q
grad t t
W/(m K)
n
物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度 下的热流密度的大小。
——绝大多数材料的导热系数值可通过实验测得。
导热系数的大小与物质的种类、结构、物理 状态（温度、压力、密度、湿度）等因素有关。
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纯金属 > 其合金 金属 > 非金属 导电体 > 非导电体
（2）等温面与等温线
温度场中同一瞬间温度相同的各点连成的面—等温面； 在二维平面上等温面表现为—等温线。
★等温面上任何一条线都是等温线。
—可用一组等温面或等温线表示温度场。
叶轮叶片
内燃机活塞的温度场
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导热的基本概念 （2）等温面和等温线
埋深1.5m的非保温输油管道周围地层的温度场
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导热的基本概念
33灵活运用大平壁的稳态导热公式灵活运用大平壁的稳态导热公式对流传热对流传热的牛顿冷却公式的牛顿冷却公式热辐射的四次方定律等计算热辐射的四次方定律等计算公式进行相关物理量的计算公式进行相关物理量的计算
绪论 基本要求
（1）掌握热量传递三种基本方式的物理概念、基 本公式和基本特点。
（2）了解导热系数、表面传热系数、传热系数的 物理意义和单位。
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导热的基本定律
2.1.2 导热基本定律——傅里叶定律
傅里叶（ Fourier）于1822年提出了著名的导热基本定律， 指出了导热的热流密度矢量与温度梯度之间的关系。
在任意时刻，各向同性介质内任意位置处
的热流密度，在数值上与温度梯度的大小成
正比，方向相反。 法线
q gradt t n
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2-1 基本概念和导热基本定律
主要内容： （1）基本概念； （2）导热基本定律 ——傅里叶定律。
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导热的基本概念
2.1.1 温度场和温度梯度 1、温度场
——某一瞬间物体内各点温度的集合。 标量场 ——物体的温度场是空间和时间的函数。
——数学表达式：
空间坐标
时间
t f x , y , z , 直 角 坐 标 系 中
2、更为重要的作用，给出了热导率的定义式。
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2-2 物质的导热特性
主要内容： （1）导热系数的定义式及物理意义； （2）导热系数的影响因素； （3）不同物质导热系数的变化规律。
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2-2 物质的导热特性
导热系数的定义式
——表示物质导热能力的大小，非常重要的物性参数。
——定义式：
各种不同应用场合的需要。需要时查阅相关材料。
结构：
蜂窝状多孔性结构或纤维结构，内部充满导热能力 较差的空气，并且很小的孔隙限制了空气流动，能起 到隔热保温效果。
热量传递过程 ：不再是单纯的导热，非常复杂。

导热、对流传热、辐射传热共同作用。
表观导热系数 或视导热系数：专门实验测定
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纯金属掺入杂质，破坏了金属晶 格结构的整齐性，干扰了自由电子 的定向运动，导热系数降低。
晶格振动所传递的能量比自由 电子要弱得多，故其导热能力 比导电体要差得多。
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2-2 物质的导热特性
②固体 金属材料：常温下值大致范围 2.3~430 W/(m·K)
—纯金属，低温下值非常高，良导电体亦是良导热体； —同温下， 纯金属 > 其合金； —温度 t 时，纯金属。
对于各向同性介质，各方向上热导率相等：
qBiblioteka gradt ( t
i
t
j
t
k)
x y z
qx


t x
qy


t y
qz


t z
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导热的基本定律
傅里叶定律的适用范围
（1）傅里叶定律只适用于各向同性物体。
对于各向异性物体，热流密度矢量的方向不仅与温度梯度 有关，还与导热系数的方向性有关。 因此热流密度矢量与温度 梯度不一定在同一条直线上。
（3）灵活运用大平壁的稳态导热公式、对流传热 的牛顿冷却公式、热辐射的四次方定律等计算 公式进行相关物理量的计算。
（4）掌握传热过程和热阻的概念。
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第2章 导热的理论基础
从宏观角度介绍：
导热基本概念 了解 导热基本定律 掌握 物质的导热特性 了解 导热问题的数学描述 了解
导热微分方程和定解条件
t+Δt t t-Δt
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导热的基本概念
2、温度梯度 temperature gradient
温度间隔相同，路径不同时，
法线 方向
温度变化率不相同。
等温面法线方向上的距离最短，
温度变化最剧烈。
P
温度梯度——等温面法线方向的
温度变化率矢量。
gradt n t n
温度梯度是个矢量，沿等温面 法线指向温度升高的方向。
一种观点：认为类似于非导电固体 主要靠晶格结构的振动传递热量。 目前后一种观点占优势。
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2-2 物质的导热特性
一、物质导热系数的变化规律
③液体
非金属液体
—室温下导热系数一般在 0.07~0.7 W/(m·K)
水的导热系数最大。 油类的导热系数值 0.10~0.15 W/(m·K)
—当温度t 时，大多数液体值。
（2）傅里叶定律不适用于非傅里叶导热问题。
深冷（温度接近于0K）中的导热问题，
n
极短时间产生大热流密度的瞬态导热过程（如激光加工）等。
（3）傅里叶定律普遍适用于工程技术中q的y 一般导热问
题，无论稳态导热还是非稳态导热。
y y
qx
q
x x
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导热的基本定律
傅里叶定律的作用
1、已知物体的温度分布，即可利用傅里叶定律 求出温度场内任意一点的热流密度值。
举——例导火：热中炉一火问端中题温铁度棒研很的究高温的，度而分目手布标握：端之温一度就较低是：确与定位置物有体关；的 —温—度手场握一，端本慢慢质变上烫就：与是时求间有温关度t 的数学表达式。
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导热的基本概念
（1）温度场分类
按时间性质分为：
t 0
非稳态温度场——物体内各 点温度随时间而变化；
稳态温度场 ——物体内各t 点温0 度不随时间变化。
按空间性质分为:
三维温度场——温度在空间三个方向上均有变化； 二维温度场——温度在空间两个方向上发生变化； 一维温度场——温度仅在空间一个方向上有变化。
导热分类：
稳态导热 非稳态导热
一维导热 二维导热 三维导热
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导热的基本概念
等温线的特点：
同一时刻， 同一地点不可 能有两个温度。
① 同一瞬间温度不同的等温线不可能相交。
② 对于连续介质，等温线是连续的，不可能中断。
要么终止于物体的边界，要么自身构成封闭曲线。
③ 等温线上温度相等，沿等温线无热量传递。
④ 等温线的疏密表示了温度变化的剧烈程度。
温度间隔相同， 等温线越密集， 温度变化越剧烈。
导热系数比一般非金属液体大10~1000倍。
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2-2 物质的导热特性
b水>0 120 ℃ b水<0
t 时，水先再
部分液体 的导热系数
t 时，甘油
b大多数液体 < 0 t 时，大多数液体
b甘油>0
b发动机油0
线性变化 = 0 (1+b t)
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2-2 物质的导热特性
纯金属
银 铜 （紫铜） 金 铝 铂 铁
20℃， W/(m·K)
427 398
315 236 133 81.1
合金
黄铜(含30％的锌) 青铜(含11％的锡)
碳钢(含碳为1.5%) 镍钢(含镍为25％)
20℃， W/(m·K)
109 24.8
36.7 13 26
2-2 物质的导热特性
一、物质导热系数的变化规律 ②固体
二、保温材料
—导热系数较小的非金属材料，用于保温 隔热、保冷工程中。又称隔热材料
—国家标准GB4272-2008规定： 在平均温度为298K时，保温材料的导
热系数应不大于0.08W/(mK)。 —反映保温材料生产及节能水平。 —要求高效、耐温、易得和价廉。
我国50年代 0.23W/(m·K)；
80年代 GB4272-84 0.14W/(m·K) ；
—混合气体 值≠∑各组元值，实验测定。
气体分子间距离较大
b气>0
=0（1+b t）
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2-2 物质的导热特性
②固体 —相差很大，随温度变化也不同。
导热机理： 纯金属 金属 非金属 非金属固体
主要依靠自由电子的迁移
主要依靠晶格振动
即原子在其平衡位置附近的振动来实现
纯金属 合金 合金
非金属材料：值在较大范围内变化
—数值低的接近甚至低于空气的导热系数。 —金刚石(钻石)导热系数最大，可达2300 W/(m·K)。
热方法鉴定钻石真伪（哈气法、热接触法、钻石测试仪）
—当t 时，大多数非金属 ，但少数非金属。
温度升高，晶格振动加剧，导热能力增强。
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2-2 物质的导热特性
气体导热的机理—气体分子不规则热运动时 相互碰撞而造成能量交换的结果。
气体导热系数较小。 0C空气 0.0244 W/(m K)
—常温常压下一般0.006~0.6 W/(m·K)
—温度 t 时，气体 。
—压力影响。
20C空气 0.0259 W/(m K)
理想气体值随压力变化很小； 实际气体值受压力影响较大如水蒸气等。
2-2 物质的导热特性
一、物质导热系数的变化规律
一般情况下，
固体 > 液体 > 气体
晶体>非晶体
固态 > 液态 > 气态
0.0183
各向异性材料——木材、石墨、云母、动植物的肌肉和纤维组织等。 22
2-2 物质的导热特性
一、物质导热系数的变化规律
在物理状态如温度、压力、密度、湿度等影响因素 中，以温度的影响最大、最重要。
法线方向上的单位矢量
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导热的基本概念
2、温度梯度 temperature gradient
在直角坐标系中，温度梯度表示为：
gradt
t
i
t
j
t
k
x y z
温度在x、y、z 方向的偏导数
x、y、z 方向的
单位矢量
负的温度梯度- gradt 称为温度降度。
其数值与温度梯度相同，但方向相反； 其方向指向温度降低的方向。
但甘油和0~120 ℃水等强缔合性液体不同： t 时，甘油 0~120 ℃水
—压力变化影响很小，可忽略。 液态金属和电解液
0C水 0.551 W/(m K) 20C水 0.599 W/(m K)
120C水 0.69 W/(m K)
液态铁 固态铁
一类特殊的液体，依靠原子运动和自由电子迁移传递热量，
所有物质的热导率都是温度的函数。
工程中，在温度变化范围不大的情况下， 绝大多数 材料的导热导系数可近似地认为随温度呈线性变化：
=0（1+b t）
0—按上式计算0℃下的热导率值，并非真实值；
b—由实验确定的常数，其数值与物质的种类有关。
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2-2 物质的导热特性
一、物质导热系数的变化规律
①气体
90年代 GB427-92 0.12W/(m·K)。
多孔性材料：空隙中储有空气，空气导热能力很差。
如千层单不如一层棉；
如空心砖、双层窗、冰箱机体等。
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2-2 物质的导热特性
二、保温材料
新型保温材料：性能优良
聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、玻璃纤维、 岩棉毡、微孔硅酸钙等。 常温下其导热系数达 0.03~0.07 W/(m·K) ，可满足
存在一个最佳密度值使值最小。
若水取代空气，再加上水分迁移作用， —含湿率影响： 性能下降，导热系数增加。
一般 潮湿 > 干燥。 低温时，更应防水结冰。
0C 空气 =0.0244 水 =0.551 冰 =2.22
例：矿渣棉含水10.7％时导热系数会增加25％，
含水23.5％时导热系数将增加500％。
2-2 物质的导热特性
二、保温材料
在保温工程中都要采取防潮、防水措施。 隔热性能的影响因素：
材料的种类、压力、温度，还受材料密度和含湿率的影响。
—温度影响：温度 t 时，值。（原因：气；同时辐射传热 ） 同种材料，一般 密实 > 多孔。
—密度影响： 时， 多孔，但太小时， 多孔，