传热学理论基础
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2
传热学基本概念
▪ 温度：物体大量分子运动的宏观结果（平均动能的标志） ▪ 热量：表征物体内能变化的物理量。
功能
内能
势能
内能的表现形式
对外作功
传出热量
▪ 温度场： 某个瞬间，空间各点的温度分布。它属于数量
场。如温度，密度，电位场……等。
t f (x, y, z, )
3
等温面: 在温度场中，同一时刻温度相同的各点连线
密度(20℃) kg/m3
2707 19272 8939 7898 10524 1121 1041
比热(20℃) J/(kg·℃)
921 126 385 452 234 1075
Diamond 1600~2300
7
导热基本定律
单层平壁
—— 平壁的厚度
多层平壁
R=R1+R2+…..Rn
单层及多层圆筒壁的导热问题
① 几何形状、截面尺寸 ② 进、出口的长度（流道）；
k空20气C 2.57 102 (W/m. o C) k水20C 59.9 102 (W/m o C)
C 20C
空气
1.005(kJ
kgo
) C
③ 表面的粗糙度；
C
20C 水
4.1826(kJ
kgo
) C
④ 表面的安装位置和流动空间大小。
21
对流换热影响因素总结
Biot
h
/k
/ k(内)
1/ h(外)
11
接触热阻
影响因素：
实际接触点的总面积及分布规律； 接触表面粗糙度； 非接触间隙平均厚度； 间隙介质的种类； 接触表面硬度； 接触表面间压力； 接触面氧化程度与清洁度；
12
接触热阻实例
13
接触热阻与压力的关系
Mpa
图2.3 接触热阻与压力关系
14
接触热阻实例
15
导热问题的数值分析技术
参见 “热分析技术”专题
16
对流换热
定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体）， 由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。
条件：a. 质点的宏观位移（流动）； b. 两个物体间有 t 存在。
特点：对流换热是包括对流和导热二个过程同时存在，它既 有流体分子之间、流体与固体间的导热作用，又有流体本身 的对流作用，受到导热、对流两种规律的支配。
单位 单位是物理性能的定量标准 。
在材料厚度为2.54mm（100mil）、接触压力为0.7kg/cm2 （10psi）的条件下，导热橡胶垫所呈现出的额定导热率 几乎比空气高出60倍以上，比起常规采用的印刷电路板 材料（例如环氧玻璃丝布板）高出6倍以上。这种弹性 材料能够非常方便地进行按尺寸切割，适于在接触压力 相对较低的情况下进行表面接触。
2kl
Φ
ln r2
(t w1 t w2 )
r1
8
三维导热方程
假定：①温度随时间变化；
② 内部有热源（ q）
③ 物性（ k, ,c,,常量）为常数； ④ 材料各向同性等
2t 2t 2t q 1 t
x2 y2 z 2 k a
a k c
（导温系数） 与导热系数有别
9
稳态导热与瞬态导热
❖ 稳态、内部无热源
流体流动特征 流体的物性参数 换热面的几何形状 流体的相变条件（沸腾、凝结、升华）
以上各影响因素，使得对流换热过程变得非常复杂，要想 用数学式来表达非常困难。
22
对流换热基本规律
23
对流换热系数图例
24
对流换热—量纲分析法
量纲 量纲是物理性能的定性标准
每一种物理性能只有一个量纲，如长度，时间 。
需具备二个条件：t 和相互接触。
1 8 2 2 年 法 国 数 学 家 J.Fourier， 研究了固体的导热现象后，提 出：物质在纯导热时，通过垂
直于热流方向的面积（dA）的
热流量（dQ），与该处的温度 变化率（梯度）成正比，方向 与温度梯度相反。
5
导热基本定律(conduction)
q
= － k •A • t/ n (w) q=－ k• t/ n (w/m2)
17
对流产生的原因
① 靠自然力 ——密度差引起。
（与 t 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小 等因素有关。）
② 受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。
（推力的大小、 （压差）、流体的性质、流道的尺
寸大小等阻力因素有关
18
流体的流动特征 对流方式
流动状态
层流：流线有规则，大都发生在贴近
q 0
t 0
❖ 瞬态导热 即许多电子设备在起动、停机、变负载时出现的导热问题
t 0
LPA 法 ( Lumped Parameter Analysis） 将物体中连续分布的质量和热量均视为 集总于一点
10
瞬态导热影响因素
例如：一个物体表面被突然加热或冷却，物体各 点温度的变化取决于二个因素：
a. 固体表面与周围环境的换热（辐射）条件； b. 固体内部的导热性能 用一个无量纲数来表示：
t
ñ
在纯导热问题中，单位时间内通过给定面积的热量与 该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积A成正比。
o
K—材料的导热系数 W/m• C
导热特性影响因素： 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等
6
不同材料的导热特性
材料名称
铝 金 铜 铁 银 尼龙 环氧树脂
导热系数(20℃) W/(m·℃)
204 292 330 73 419 0.17~0.4 0.4
壁面附近的流层。 （导热产生的换热为主）
自然对流 natural 强迫对流 forced
层流 laminar 紊流 turbulent
紊流：层流底层以外（边界层以外）
所发生的流体不规则流动。
图2.5 紊流特征
19
对流换热基本规律
20
影响对流换热的其他因素
流体的物性—— k、Cp、、、、
换热面的几何条件
电 子设备热设计
第二篇 传热学基础理论
热设计的基础理论
导热
导热及其基本规律； 导热的基本方程； 热阻及热电模拟关系； 导热问题的方程求解
对流换热
对流的基本概念及其影响因素；对流换热基本规律； 对流换热系数的确定； 对流换热的实验关系式；
辐射换热
热辐射的基本概念； 黑体表面之间的辐射换热； 形状系数的确定； 灰体表面之间的辐射换热； 遮（隔）热板的效用；
称为等温线。由等温线构成的面为等温面。
温度梯度:沿等温面法线方向的温度增量 t 与法向距离
之比的极限。
grad
t
lim(
t n
)n0
t n
n0
t n百度文库
称为温度变化率（与面积垂直）
稳定温度场与瞬态温度场:
t 0; t 0
4
导热
因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级 →低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必
传热学基本概念
▪ 温度：物体大量分子运动的宏观结果（平均动能的标志） ▪ 热量：表征物体内能变化的物理量。
功能
内能
势能
内能的表现形式
对外作功
传出热量
▪ 温度场： 某个瞬间，空间各点的温度分布。它属于数量
场。如温度，密度，电位场……等。
t f (x, y, z, )
3
等温面: 在温度场中，同一时刻温度相同的各点连线
密度(20℃) kg/m3
2707 19272 8939 7898 10524 1121 1041
比热(20℃) J/(kg·℃)
921 126 385 452 234 1075
Diamond 1600~2300
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导热基本定律
单层平壁
—— 平壁的厚度
多层平壁
R=R1+R2+…..Rn
单层及多层圆筒壁的导热问题
① 几何形状、截面尺寸 ② 进、出口的长度（流道）；
k空20气C 2.57 102 (W/m. o C) k水20C 59.9 102 (W/m o C)
C 20C
空气
1.005(kJ
kgo
) C
③ 表面的粗糙度；
C
20C 水
4.1826(kJ
kgo
) C
④ 表面的安装位置和流动空间大小。
21
对流换热影响因素总结
Biot
h
/k
/ k(内)
1/ h(外)
11
接触热阻
影响因素：
实际接触点的总面积及分布规律； 接触表面粗糙度； 非接触间隙平均厚度； 间隙介质的种类； 接触表面硬度； 接触表面间压力； 接触面氧化程度与清洁度；
12
接触热阻实例
13
接触热阻与压力的关系
Mpa
图2.3 接触热阻与压力关系
14
接触热阻实例
15
导热问题的数值分析技术
参见 “热分析技术”专题
16
对流换热
定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体）， 由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。
条件：a. 质点的宏观位移（流动）； b. 两个物体间有 t 存在。
特点：对流换热是包括对流和导热二个过程同时存在，它既 有流体分子之间、流体与固体间的导热作用，又有流体本身 的对流作用，受到导热、对流两种规律的支配。
单位 单位是物理性能的定量标准 。
在材料厚度为2.54mm（100mil）、接触压力为0.7kg/cm2 （10psi）的条件下，导热橡胶垫所呈现出的额定导热率 几乎比空气高出60倍以上，比起常规采用的印刷电路板 材料（例如环氧玻璃丝布板）高出6倍以上。这种弹性 材料能够非常方便地进行按尺寸切割，适于在接触压力 相对较低的情况下进行表面接触。
2kl
Φ
ln r2
(t w1 t w2 )
r1
8
三维导热方程
假定：①温度随时间变化；
② 内部有热源（ q）
③ 物性（ k, ,c,,常量）为常数； ④ 材料各向同性等
2t 2t 2t q 1 t
x2 y2 z 2 k a
a k c
（导温系数） 与导热系数有别
9
稳态导热与瞬态导热
❖ 稳态、内部无热源
流体流动特征 流体的物性参数 换热面的几何形状 流体的相变条件（沸腾、凝结、升华）
以上各影响因素，使得对流换热过程变得非常复杂，要想 用数学式来表达非常困难。
22
对流换热基本规律
23
对流换热系数图例
24
对流换热—量纲分析法
量纲 量纲是物理性能的定性标准
每一种物理性能只有一个量纲，如长度，时间 。
需具备二个条件：t 和相互接触。
1 8 2 2 年 法 国 数 学 家 J.Fourier， 研究了固体的导热现象后，提 出：物质在纯导热时，通过垂
直于热流方向的面积（dA）的
热流量（dQ），与该处的温度 变化率（梯度）成正比，方向 与温度梯度相反。
5
导热基本定律(conduction)
q
= － k •A • t/ n (w) q=－ k• t/ n (w/m2)
17
对流产生的原因
① 靠自然力 ——密度差引起。
（与 t 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小 等因素有关。）
② 受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。
（推力的大小、 （压差）、流体的性质、流道的尺
寸大小等阻力因素有关
18
流体的流动特征 对流方式
流动状态
层流：流线有规则，大都发生在贴近
q 0
t 0
❖ 瞬态导热 即许多电子设备在起动、停机、变负载时出现的导热问题
t 0
LPA 法 ( Lumped Parameter Analysis） 将物体中连续分布的质量和热量均视为 集总于一点
10
瞬态导热影响因素
例如：一个物体表面被突然加热或冷却，物体各 点温度的变化取决于二个因素：
a. 固体表面与周围环境的换热（辐射）条件； b. 固体内部的导热性能 用一个无量纲数来表示：
t
ñ
在纯导热问题中，单位时间内通过给定面积的热量与 该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积A成正比。
o
K—材料的导热系数 W/m• C
导热特性影响因素： 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等
6
不同材料的导热特性
材料名称
铝 金 铜 铁 银 尼龙 环氧树脂
导热系数(20℃) W/(m·℃)
204 292 330 73 419 0.17~0.4 0.4
壁面附近的流层。 （导热产生的换热为主）
自然对流 natural 强迫对流 forced
层流 laminar 紊流 turbulent
紊流：层流底层以外（边界层以外）
所发生的流体不规则流动。
图2.5 紊流特征
19
对流换热基本规律
20
影响对流换热的其他因素
流体的物性—— k、Cp、、、、
换热面的几何条件
电 子设备热设计
第二篇 传热学基础理论
热设计的基础理论
导热
导热及其基本规律； 导热的基本方程； 热阻及热电模拟关系； 导热问题的方程求解
对流换热
对流的基本概念及其影响因素；对流换热基本规律； 对流换热系数的确定； 对流换热的实验关系式；
辐射换热
热辐射的基本概念； 黑体表面之间的辐射换热； 形状系数的确定； 灰体表面之间的辐射换热； 遮（隔）热板的效用；
称为等温线。由等温线构成的面为等温面。
温度梯度:沿等温面法线方向的温度增量 t 与法向距离
之比的极限。
grad
t
lim(
t n
)n0
t n
n0
t n百度文库
称为温度变化率（与面积垂直）
稳定温度场与瞬态温度场:
t 0; t 0
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导热
因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级 →低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必