清华大学热工基础课件工程热力学加传热学10第九章-导热、稳态导热、非稳态、数值解法PPT演示文稿

保温材料（或称绝热材料）：
用于保温或隔热的材料。国家标准规定，温度低于 350℃时热导率小于0.12 W/(mK)的材料称为保温材料。
(4)纯金属的热导率大于它的合金 ；
(5)对于各向异性物体, 热导率的数值与方向有关 ；
(6)对于同一种物质, 晶体的热导率要大于非定形态物 体的热导率。
热导率数值的影响因素较多, 主要取决于物质的 种类、物质结构与物理状态, 此外温度、密度、湿度 等因素对热导率也有较大的影响。其中温度对热导率 的影响尤为重要。
t 、 t 、 t 分别为x、y、z 方向的偏导数; i、j、k 分 x y z 别为x、y、z 方向的单位矢量。
（4）热流密度 (heat flux)
q d dA
热流密度的大小和方向可以 用热流密度矢量q 表示
nt
dA q
d
q d n
dA
热流密度矢量的方向指向温度降低的方向。
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在直角坐标系中，热流密度矢量可表示为
等温面与等温线的特征：
同一时刻，物体中温度不同的等温面或等温线不能 相交；在连续介质的假设条件下，等温面（或等温线） 或者在物体中构成封闭的曲面（或曲线），或者终止于 物体的边界，不可能在物体中中断。
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（3）温度梯度(temperature gradient)
在温度场中，温度沿x方
向的变化率(即偏导数)
t f x,y,z
一维温度场 t f x,
t f x
二维温度场 t f x,y, t f x, y
三维温度场 tf x,y,z, t f x,y,z
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（2）等温面与等温线
在同一时刻，温度场中温度相同的点连成的线或 面称为等温线或等温面。
等温面上任何一条线都是 等温线。如果用一个平面和一组 等温面相交, 就会得到一组等温 线。温度场可以用一组等温面或 等温线表示。
傅里叶定律的适用条件：
（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
qy
梯度有关,还与热导率的方向性
有关, 因此热流密度矢量与温度 y y
梯度不一定在同一条直线上。
n
qx
q
x
x
（2）傅里叶定律适用于工程技术中的一般稳态和 非稳态导热问题，对于极低温（接近于0K）的导热问 题和极短时间产生极大热流密度的瞬态导热过程, 如 大功率、短脉冲(脉冲宽度可达10-12～10-15s)激光瞬态 加热等, 傅里叶定律不再适用。
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标量形式的傅里叶定律表达式为
q t
n
对于各向同性材料, 各方向上的热导率相等,
qqxiqyjqzk
gradttit jtk x y z
qxt iyt jzt k
ຫໍສະໝຸດ Baiduqx
t x
qy
t y
qz
t z
由傅里叶定律可知, 要计算导热热流量, 需要知道
材料的热导率, 还必须知道温度场。所以,求解温度场
是导热分析的主要任务。 9
qqxiqyjqzk
qx、qy、qz分别表示q在三个坐标方向的分量的大小。
2. 导热的基本定律
傅里叶（ Fourier）于1822年提出了著名的导热基本 定律，即傅里叶定律，指出了导热热流密度矢量与温度 梯度之间的关系。
对于各向同性物体, 傅里叶定律表达式为
qgradt t n
n
傅里叶定律表明, 导热热流密度的大小与温度梯度的 绝对值成正比，其方向与温度梯度的方向相反。
连续介质
一般情况下，绝大多数固体、液体及气 体都可以看作连续介质。但是当分子的平均 自由行程与物体的宏观尺寸相比不能忽略时， 如压力降低到一定程度的稀薄气体，就不能 认为是连续介质。
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9-1 导热理论基础
主要内容
（1）与导热有关的基本概念； （2）导热基本定律 ； （3）导热现象的数学描述方法。 为进一步求解导热问题奠定必要的理论基础。
1. 导热的基本概念
（1） 温度场(temperature field)
在 时刻，物体内所有各点的温度分布称
为该物体在该时刻的温度场。
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一般温度场是空间坐标和时间的函数，在直 角坐标系中，温度场可表示为
tf x,y,z,
非稳态温度场 ：温度随时间变化的温度场， 其中的导热称为非稳态导热。
稳态温度场 ：温度不随时间变化的温度场， 其中的导热称为稳态导热。
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温度对热导率的影响：
一般地说, 所有物质的热 导率都是温度的函数,不同 物质的热导率随温度的变化 规律不同。
纯金属的热导率随温度的 升高而减小。
一般合金和非金属的热导 率随温度的升高而增大。
大多数液体（水和甘油除 外）的热导率随温度的升高 而减小。
纯金属的热导率随温度的 升高而减小。
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在工业和日常生活中常见的温度范围内, 绝大多数 材料的热导率可近似地认为随温度线性变化, 并表示为
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3. 热导率（导热系数）
热导率表明物质导热能力的大小。根据傅里叶定
律表达式
q
grad t
绝大多数材料的热导率值都可以通过实验测得。
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物质的热导率在数值上具有下述特点:
(1) 对于同一种物质, 固态的热导率值最大,气态的热 导率值最小； (2)一般金属的热导率大于非金属的热导率 ；
(3)导电性能好的金属, 其导热性能也好 ；
t lim t
x
x
x 0
很明显, 等温面法线方向
的温度变化率最大，温度变化
最剧烈。
温度梯度：等温面法线方向的温度变化率矢量：
gradt t n n
温度梯度是矢量，指 向温度增加的方向。
n—等温面法线方向的单位矢量，指向温度增加的方向。 6
在直角坐标系中，温度梯度可表示为
gradttit jtk x y z
第九章 导 热
主要内容
本章首先阐述导热的基本概念、基本定律、 导热问题的数学描述方法，为进一步求解导 热问题奠定必要的理论基础，然后讨论几种 简单的稳态导热、非稳态导热的分析解法， 最后简要介绍导热问题的数值解法。
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研究方法
从连续介质的假设出发，从宏观的角度来 讨论导热热流量与物体温度分布及其他影响 因素之间的关系。
01bt
0为按上式计算的0℃下的热导率值，并非热导率
的真实值,如图所示。 b为由实验确定的常数，其数 值与物质的种类有关。
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多孔材料的热导率
绝大多数建筑材料和保温材料（或称绝热材料）都 具有多孔或纤维结构(如砖、混凝土、石棉、炉渣等), 不是均匀介质,统称多孔材料。
多孔材料的热导率是指它的表观热导率, 或称作折 算热导率。