第1-5讲 热传导与热稳定性
第五章火焰传播和火焰稳定性
长度较长
长度较短
火焰稳定，表面光滑
火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静
燃烧时有噪声
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
T0
层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关
宏观角度分析：
L u L
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
QD
Tm
L
T0
/ A
获得热焓量 Q h u L A 0C P (Tm T 0)
Q
A
t
Q mC p t
火焰传播速度
a
uL
dT dx C
2 Tm
WQdT
Ti
dT dx
p
uL
0 C p Ti
T0
则求得传播速度为：
uL
Tm
2 WQdT Ti
2 0
C
2 P
Ti T0
2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti
u L d 3 pr 2 k d
优点 • 可测定不同压力下、温度 下的以及高压情况下的火焰 传播速度 • 只适用火焰传播速度快的混合气
移动火焰测量法
平面火焰法
热传导与热稳定性
0.8
0.6 0.4 0.2 0.0
0
400 800 1200 温度（0C）
由于存在显微 裂纹而引起的 多晶的热膨胀 滞后现象
1. 热应力的产生 （1）热膨胀或收缩引起的热应力
当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的 材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力-----（显微应力）。 第15页/共17页
第5页/共17页
光子和光子导热
微观机理
光子的导热：光子在介质中的传播过程 （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）
热辐射：热射线的传递过程 （可见光与部分近红外光 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
第7页/共17页
温度的影响
固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。
热传导过程：材料内部的能量传输过程
能量的载体：电子（德布罗意波） 声子（格波）：声频波的量子 光子（电磁波）
金属：主要是电子导热为主， 合金/半导体：电子/声子导热， 绝缘体：声子导热
第3页/共17页
热传导的物理机制
声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。
热阻： 声子扩散过程中的各种散射。
热传导系数：
1 3
cvl
其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。
第4页/共17页
声子和声子导热 微观机理
❖格波的传播看成是质点-声子的运动； ❖格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞； ❖格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为
声子同晶体质点的碰撞； ❖理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。 ❖晶体中，热传导的实质就是碰撞。
耐火材料 ： 1123K； 40min ； 283－293K； 3(5－!0)min
无机材料的热学性能-第1讲
dV
西南科技大学
第三章 无机材料的热学性能
固体或液体：T↑，体积变化小，因此：
C P CV
高温时，固体或液体的Cp与Cv的差别较大！
西南科技大学
第三章 无机材料的热学性能
2、固体的经典热容理论
（1）元素的热容定律——杜隆一珀替定律
恒压下，元素的原子热容为： C
P
25 J /( k mol )
西南科技大学
第三章 无机材料的热学性能
3、简谐振动 简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正 比、方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动 ；或物体的运动参量（位移、速度、加速度）随时 间按正弦或余弦规律变化的振动。
X A co s( 2 t / T )
式中：X为位移；A为振幅，即 质点离开平衡位置时 (x=0) 的最 大位移绝对值；t为时间；T为 (2 简谐振动的周期； t / T ) 为简 谐振动的位相。
彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部 的有机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。
西南科技大学
第三章 无机材料的热学性能
3.1 热学性能的物理基础
1、热性能的物理本质
升华 热容 晶格热振动 热膨胀 熔化 热稳定性
热传 导
热性能的物理本质:晶格热振动
西南科技大学
第三章 无机材料的热学性能
h
0
2
1
E
低温区：
hv
0
1
kT
C
v
e
kT
2
1
h kT
0
h 0 3R kT
e
低温区域，CV值按指数规律随温度T而变化，而 不是从实验中得出的按T3变化的规律。 忽略了各格波的频率差别，其假设过于简化。
第五章 材料的热性能PPT课件
➢材料热学性能的物理本质
材料的各种热性能的物理本质，均与晶格振动有关。 材料是由晶体及非晶体组成的。晶体点阵中的质点（原 子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生 热量。这种振动称为晶格热振动。晶格热振动以格波的 形式在材料内传播。
晶格热振动是三维的。在三维方向上各质点热运动时动 能的总和，即为该材料的热量。
Cv＝
Q T
v
E T
v
(一) 热容量的经典理论
杜隆－珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/mol·K. 基本假设：①固体中的原子彼此孤立地作热振动；
②原子振动的能量是连续的； 经典统计理论的能量均分定理：
气体分子的热容理论用于固体。每一个简谐振动的平均能 量是kT ，若固体中有N个原子，则有3N个简谐振动，
主要内容热容热膨胀热传导热电性由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的在使用过程中将对不同的温度作出反映表现出不同的热物理性能这些热物理性能称为材料的热学性能
第五章 材料的热性能
热容 热膨胀 热传导 热电性
主要内容
由于材料及其制品都是在一定的温度环境 下使用的，在使用过程中，将对不同的温度作 出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物 理性能称为材料的热学性能。
频率从v到v+dv之间的振子数为g(v)dv,
德拜假设的振动谱区间内共有的振子数为：
max
g( )d 3N
(1)
0
N为单位体积内的原子数
又晶格振动可以看作弹性波在晶体内的传播，
频率分布函数为：
g
(
)
12 3
2
(2)
0
0由30 3
1
3 l
2 决定，
3
l 为纵波传播速度；
化学反应工程原理-热量传递与反应器的热稳定性
04 热量传递与反应器热稳定 性关系
热量传递对反应器热稳定性影响
温度梯度
热量传递导致反应器内温度分布不均，形成温度 梯度，影响反应速率和选择性。
热应力
不均匀的温度分布导致反应器材料产生热应力， 可能引发破裂或变形。
热失控
过度的热量积累可能导致反应器热失控，引发安 全事故。
反应器热稳定性对热量传递要求
传热面积等。
选用高性能材料
选择具有优良传热性能和高温 稳定性的材料，如陶瓷、金属 合金等。
强化热量管理
采用先进的热量管理技术，如 热管技术、微通道反应器等， 提高热量传递效率。
引入控制系统
引入先进的温度控制系统，实 现反应温度的精确控制，确保
反应器热稳定性。
05 热量传递与反应器热稳定 性实验方法
热稳定性影响因素
01
反应器结构
反应器的形状、尺寸、材质和保温措施等结构因素都会影响其热稳定性。
例如，反应器壁面厚度和材质热导率会影响热量传递速率，从而影响热
稳定性。
02
操作条件
操作压力、温度、物料浓度和流速等操作条件对反应器的热稳定性也有
显著影响。例如，高温高压条件下，反应速率加快，热量生成增多，对
优化措施
为实现优化目标，采取了多种措施，包括 改进换热器设计、优化操作参数、实施节 能技术改造等。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
基于模拟的评价方法
通过建立反应器的数学模型，模拟不同操作条件下的温度响应过程，分析模拟结果中的温 度波动范围和稳定时间等参数，评价反应器的热稳定性。这种方法成本低、效率高，但模 型精度和适用性需要验证。
基于理论分析的评价方法
通过分析反应器内的热量传递和反应动力学过程，推导热稳定性的理论判据和评价方法。 这种方法具有普适性，但需要深入的理论分析和计算。
第一章 材料的热学性能
1.2.2 晶态固体热容的量子理论回顾
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量 都是以 hv 为最小单位.
式中,
＝普朗克常数，
＝普朗克常数， = 园频率。
根据麦克斯威—波尔兹曼分配定律可推导出， 在温度为T时，一个振子的平均能量为:
将上式中多项式展开各取前几项，化简得：
在高温时，
所以
即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。 由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自 由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的 合成运动，则1mol固体的平均能量为：
1.1 概述
热学性能的主要应用：
（1）微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等 使用的材料要求的热膨胀系数低； （2）电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系； （3）热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数； （4）工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大 气层的隔热材料要求具有优良的隔热性能； （5）晶体管散热器等要求优良的导热性能„„
微分热分析：测定试样温度随时间的变化率。
1.2.6 热分析应用实例 1、建立合金的相图 2、热弹性马氏体相变 的研究 3、有序－无序转变的 研究 4、钢中临界点分析
本节重点掌握内容：
1、热容的德拜模型及其局限性 2、热容随温度的变化规律 3、热分析方法在相变、有序-无序转变的应用
1.3 材料的热膨胀
4、热分析测定法
热分析法分为普通热分析、示差热分析和微分热分析
普通热分析：利用加热或冷却过程中热效应所产生的 温度变化和时间关系的一种分析技术。
示差热分析：利用示差热电偶（由两对热电偶互相串 联、极性反接而成，取得热电偶两热端的温差电势） 测定待测试样和标准温差而得到的。（示差热分析仪 DTA和示差扫描量热计DSC）
热传导PPT课件
.
7
.
8
2、声子热导
从晶格格波的声子理论可知，热传导过程 ------声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程。
热阻：声子扩散过程中的各种散射。
根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数 λ ：
1 c l 3
cV：单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热； v ：气体分子的运动速度------声子的运动速度； l：气体分子的平均自由程------声子的平均自由程。
热占一定份量，随着温度的上升，热导率略有增大（气体导热）
.
18
2、结构的影响
• 晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越 低。 • 晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状 结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。 • 多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。
—— 翻转过程（声子碰撞）
.
10
• 点缺陷的散射
散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。
点缺陷的大小是原子的大小：
在低温时，为长波，波长比点缺陷
大的多，估计 ： 波长 D a/T
犹如光线照射微粒一样，从雷利公
式知: 散射的几率 1/4 T4,平
均自由程与T4成反比.
在高温时，声子的波长和点缺陷大 小相近似，点缺陷引起的热阻与温 q 度无关。平均自由程为一常数。
➢ 非稳定传热（物体内各处的温度随时间而变化 ） 一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的 推移温度梯度趋于零的过程，即存在热端温度不断降低和冷端 温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。该物体内单位面积 上温度随时间的变化率为：
（ρ为密度，CP为恒压热容）
.
木材的热稳定性和热传导
木材的热稳定性和热传导木材作为一种天然的生物质材料，广泛应用于建筑、家具、造纸等行业。
在木材的使用过程中，其热稳定性及热传导性能是评价其使用性能的重要指标。
本文将从这两个方面展开讨论。
一、木材的热稳定性木材的热稳定性是指木材在受热时，其物理、化学性质发生变化的能力。
木材在高温下容易发生变形、开裂、炭化等现象，这与其化学组成、结构及环境条件密切相关。
1.1 木材的化学组成木材主要由纤维素、半纤维素、木质素和树脂等有机物质组成。
在高温下，木材中的纤维素、半纤维素和木质素会发生分解，导致木材质量的减轻和强度的下降。
1.2 木材的结构木材的结构对其热稳定性有很大影响。
木材中的细胞结构复杂，含有大量的孔隙，这使得木材在受热时，热量容易通过木材内部传导，导致木材内部温度的升高。
同时，木材的结构不均匀性也使得木材在受热时容易出现局部炭化、开裂等现象。
1.3 环境条件环境条件对木材的热稳定性有很大影响。
例如，湿度较高的木材在受热时，水分会蒸发，导致木材体积的收缩和热稳定性的降低。
此外，氧气浓度、气氛等因素也会影响木材的热稳定性。
二、木材的热传导性能木材的热传导性能是指木材在受热时，热量在其内部的传递能力。
木材的热传导性能受木材的密度、结构、含水率等因素的影响。
2.1 木材的密度木材的密度对其热传导性能有直接影响。
一般来说，木材的密度越大，其热传导性能越好。
因为密度大的木材，其细胞结构更加紧密，热量在木材内部的传递更加容易。
2.2 木材的结构木材的结构对其热传导性能有很大影响。
木材中的细胞结构含有大量的孔隙，这使得热量在木材内部传导时，容易受到孔隙的影响。
同时，木材的结构不均匀性也使得热量在木材内部的传递存在障碍。
2.3 木材的含水率木材的含水率对其热传导性能有很大影响。
含水率高的木材，在受热时，水分会蒸发，带走部分热量，降低木材的热传导性能。
反之，含水率低的木材，其热传导性能较好。
本文主要从木材的化学组成、结构、环境条件等方面分析了木材的热稳定性，以及从木材的密度、结构、含水率等方面讨论了木材的热传导性能。
材料科学基础第5章
材料科学基础第5章第5章的主要内容是关于材料的热学性质和热处理的知识。
在这一章节中，主要讨论了热传导、热膨胀、热稳定性和热处理等方面的内容。
1.热传导：热传导是指热量在物质中传递的过程。
材料的热传导性质取决于其结构、原子之间的相互作用力以及温度等因素。
热传导可以通过导热系数来衡量，导热系数越高，材料的热传导性能越好。
2.热膨胀：热膨胀是指材料由于温度的变化而发生的体积变化。
材料的热膨胀系数是描述材料热膨胀性质的重要参数。
热膨胀系数越大，材料在温度变化下的体积变化越大。
3.热稳定性：热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性。
材料在高温下可能发生热分解、氧化、相变等热降解现象。
热稳定性好的材料能够在高温环境下保持其性能和结构的稳定性。
4.热处理：热处理是指通过控制材料的加热、保温和冷却过程，改变材料的组织和性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火、回火等。
通过热处理可以改善材料的硬度、强度、韧性等性能，并且可以调节材料的组织结构。
在学习这一章的过程中，我们需要掌握以下几个方面的知识和技能：1.理解并应用热传导和热膨胀的基本原理。
了解不同材料的热传导性质和热膨胀系数，能够计算和分析热传导和热膨胀问题。
2.了解不同材料在高温下的热稳定性，能够评估材料在高温环境下的稳定性和耐热性。
3.掌握热处理的基本原理和方法，能够选择适当的热处理方法来改善材料的性能和结构。
4.熟悉常见的热处理工艺流程和设备，能够进行简单的热处理实验和操作。
总之，热学性质和热处理是材料科学中非常重要的基础知识。
掌握这些知识将有助于我们理解材料的性能和行为，进一步应用于材料设计、制备和应用领域中。
热传导方程的热传输的稳定性问题
热传导方程的热传输的稳定性问题在日常生活中，热传输是一个非常普遍的现象，无论是冬天取暖还是夏天散热，都需要使用热传输技术。
而热传导方程是研究热传输的重要数学模型之一。
然而，在热传输过程中，我们往往关注的是传输的速率和效率，很少有人关注热传输的稳定性问题。
实际上，热传输的稳定性问题对于一些特殊场合来说非常重要。
下面将从物理过程和数学模型两个方面来探讨热传导方程的热传输的稳定性问题。
一、物理过程首先，我们需要了解热传输的物理过程。
在热传输过程中，热量从高温区域转移到低温区域。
这个过程中，热量的传输速率与温度梯度相关。
温度梯度越大，热传输速率越快，反之则越慢。
而热传输过程中还存在一个很重要的概念，即热传导率。
热传导率是指单位时间内，单位梯度的温度差下单位面积的热量传导量。
其数学表示式为：$$q=-\kappa \frac{\partial T}{\partial x}$$其中，$q$表示热量传导速率，$\kappa$表示热传导率，$T$表示温度，$x$表示空间坐标。
这个方程就是热传导方程，它描述了热传输过程中温度的变化规律。
在热传输过程中，我们需要关注的一个重要问题就是热传输的稳定性问题。
具体来说，热传输稳定性问题指的是在一个固定的时间段内，热传输过程中的温度变化是否稳定。
如果温度变化过于剧烈，就会影响整个热传输系统的工作效率和稳定性，甚至会导致热传输系统的故障。
二、数学模型为了研究热传输的稳定性问题，我们需要建立合理的数学模型。
在热传输方程中，最基本的偏微分方程是：$$\frac{\partial T}{\partial t}=\alpha \nabla^2 T$$其中，$t$表示时间，$\alpha$表示热扩散系数。
这个方程描述了温度分布随时间的变化规律。
在实际应用中，我们通常需要结合边界条件和初始条件来求解方程。
边界条件和初始条件包括物体边界的温度、输送介质的特性等因素。
在这些因素的影响下，热传输的过程变得更加复杂。
第五讲材料的热稳定性
37
本章小结
材料的热容
经典理论 量子理论 影响因素
材料的膨胀
物理本质 影响因素
材料的热传导
基本概念 物理机制 影响因素
材料的热稳定性
热应力 提高抗冲击断裂性能的措施
38
表示热学性能的参数比较
热容（比热容）热膨胀系数
定义
C Q T
TБайду номын сангаас
1 lT
dl dT
物理本质 经典理论 作用力曲线
龟裂前一次温度
普通耐火材料： 加热到一定温度保温 急冷 重复操作直到试件失重20 %。
操作次数 7
第四节 材料的热稳定性
热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料
8
2. 热应力及第一热应力断裂抵抗因子
热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。
➢ 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
➢ 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
➢ 具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度 （b）有梯度
28
航天方面
90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采 用热防护梯度材料解决热应力问题。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
3
什么是热稳定性？
热稳定性（抗热震性）： 材料承受温度变化而不致破坏的能力。
《热传导》 讲义
《热传导》讲义一、热传导的基本概念热传导，简单来说，就是由于温度差引起的热能传递现象。
当物体的不同部分存在温度差异时，热能就会从高温部分向低温部分转移。
这是自然界中一种常见且重要的热传递方式。
想象一下，在寒冷的冬天，我们握住一杯热咖啡。
手会逐渐感到温暖，这就是热传导在起作用。
热咖啡的热能通过杯子传递到我们的手上，使得手的温度升高。
二、热传导的基本原理热传导的发生基于热力学的基本原理。
热总是从高温区域向低温区域流动，以达到热力学平衡状态。
在微观层面上，热传导是通过分子或原子的热运动和相互碰撞来实现的。
当物体的一部分分子具有较高的能量（即温度较高）时，它们会与邻近温度较低的分子发生碰撞和能量交换。
这样，热能就逐渐从高温区域传递到低温区域。
热传导的速率取决于多个因素，其中最重要的是物体的导热系数、温度差以及物体的几何形状和尺寸。
导热系数是衡量物质导热能力的一个重要参数。
不同的物质具有不同的导热系数。
例如，金属通常具有较高的导热系数，所以它们能够迅速传导热量；而空气、塑料等物质的导热系数较低，热传导的速度相对较慢。
三、热传导的数学表达式为了定量描述热传导现象，科学家们推导出了热传导的数学表达式——傅里叶定律。
傅里叶定律指出：在单位时间内通过垂直于热流方向的单位面积的热量，与温度梯度成正比，其比例系数就是导热系数。
数学表达式为：Q ＝ kA(dT/dx)其中，Q 表示热流量（单位时间内传递的热量），k 是导热系数，A 是传热面积，dT/dx 是温度梯度（温度在空间上的变化率）。
这个定律为我们计算热传导过程中的热量传递提供了重要的理论依据。
四、常见材料的热传导性能在实际生活和工程应用中，了解不同材料的热传导性能是非常重要的。
金属材料，如铜、铝、银等，具有良好的导热性能。
这使得它们在需要高效传热的场合，如散热器、热交换器等中得到广泛应用。
非金属材料的导热性能则差异较大。
例如，陶瓷材料一般具有较低的导热系数，而一些特殊的合成材料，如石墨，却具有较好的导热性。
材料物理性能(第三章-材料的热学性能).答案
1．温度（temperature）
a. 在温度不太高的范围内，主要是声子传导 。 b. 热容C在低温下与T3成正比，所以λ也近似与T3成正 比。
c. 声子平均自由程 l 随温度升
高而降低。实验表明，低温下l 值
的上限为晶粒的线度，高温下l 值
的下限为晶格间距。
d. 例如Al2O3在低温40k处，λ值
式中第一项为常数，第二项为零，则
式中， 则，
；
；如果只考虑上式的前两项，
即点阵能曲线是抛物线。原子间的引力为：
式中β是微观弹性系数，为线性简谐振动，平衡位置仍在
r0处，上式只适用于热容CV的分析。
但对于热膨胀问题，如果还只考虑前两项，就会
得出所有固体物质均无热膨胀。因此必须再考虑第三
项。此时点阵能曲线为三次抛物线，即固体的热振动 是非线性振动。用波尔兹曼统计法，可算出平均位移 （average displacement）。
如图3.1，其中声频支最大频率：
第一节 材料的热容
热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。
（J/K）
显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。比
热容单位— 另外，平均热容 , 摩尔热容单位— ， 。
范围愈大，精
度愈差。 恒压热容
恒容热容
式中：Q＝热量，E＝内能，H＝热焓。由于恒压加 热物体除温度升高外，还要对外界做功，所以 根据热力学第二定律可以导出：
后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就 是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是 热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关并有着 相似的规律。见图3.8。
第三节 材料的热传导
一、固体材料热传导的宏观规律
当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热 端自动地传向冷端，这个现象称为热传导。
传热之热传导PPT课件
方向：垂直于等温面，沿 温度增加的方向， 与热量传递的方向 相反
第4页/共18页
热传导
热传导的基本概念和定律
傅立叶定律 热传导的基本定律，表示单位时间内传导的热量与温
度梯度及垂直热流方向的截面积成正比
传热方向和温度梯度相反
导热速率 W
dQ dA t
x
导热面积
温度梯度
物质热导率
m2
W/m•K ➢ 物质的物理性质之一，λ越大,导热越快，导热性能越好
热传导
通过平壁的定态热传导
例 某炉膛由三种材料的平砖构成，内层为耐火砖，厚度为150 mm；中间层为绝热层砖，厚度
为130 mm；外层为普通砖，厚度为230 mm。已知炉内外壁表面温度分别为900 ℃和40 ℃，
求耐火砖与绝热砖之间的温度。（热导率w/(m•℃),：耐火砖1.15，绝热砖0.15，普通砖0.8）
解 示意图如图所示
Q1 Q
900 ℃
t1 t2
t1 t4
b1
b1 b2 b3
40 ℃
1A 1A 2 A 3 A
b1=150 mm
b3=230 mm
b2=130 mm
等号两侧消去A， 代入数据得
t2 812.70C
第10页/共18页
热传导
通过圆筒壁的定态热传导
L
dQ dA t
x
模型条件：1. 定态传热，即传热速率为常数，但热通量变化； 2. 圆筒壁长L，内外径为r1、r2； 3. 内外壁温度恒定，分别为t1、t2.
本章章节
第一节 概述（重点） 第二节 热传导（重点） 第三节 对流传热（重点） 第四节 传热过程计算（重点） 第五节 对流传热系数经验关联式 第六节 辐射传热 第七节 换热器
知识点：传热及稳定传热的概念PPT.
知识点：传热及稳定传热的概念
1.传热的概念 热流体通过固体壁面把热量传递给冷流体的热量传递过 程称传热。传热过程一般由三种基本热量传递过程复合构成 如房屋外墙的传热过程，热 室内空气 室外空气 量由室内侧传给室外侧的整 对流换热 对流换热 导热 个传热过程共分三个阶段， 如图1所示。 1 2 3 首先室内空气和其他热 辐射换热 辐射换热 表面以对流换热和辐射换热 室内其他 室外其他 热 表 面 冷 表 面 的形式把热量传递传墙的内 表面；再由墙的内表面以固 图1 房屋外墙的传热过程 体导热方式传递到墙的外表
墙内表面 墙外表面
知识点：传热及稳定传热的概念
面；最后墙的外表面以对流换热和辐射换热的形式把热量传 递给室外空气及传热量不随时间变化称稳定传 热。如上述房屋外墙的传热过程，若室内空气和其他热表面 温度、墙内表面温度、墙外表面温度、室外空气和室外其他 冷表面温度不随时间变化，则三个阶段传递的热量相等，并 且不随时间变化，即为稳定传热过程。
热传导与导热性质
热传导与导热性质热传导是指热量在物体内部由高温区向低温区传递的过程。
它是固体、液体和气体中热传递的主要方式之一。
热传导的实质是热量通过分子、原子或电子的振动、碰撞和迁移来传递。
一、热传导的基本定律1.傅里叶定律：热传导速率与物体材料的导热系数、温度梯度和物体截面积的乘积成正比，与物体厚度成反比。
公式为：Q = k * A * ΔT / L，其中Q表示热流量，k表示导热系数，A表示物体截面积，ΔT表示温度梯度，L表示物体厚度。
2.热传导的边界条件：物体与外界环境之间的热交换关系。
常见的边界条件有：第一类边界条件（Dirichlet条件），物体与外界环境温度相等；第二类边界条件（Neumann条件），物体与外界环境之间的热流密度相等；第三类边界条件（Robin条件），物体与外界环境之间的热流密度与温度差有关。
二、导热性质1.导热系数（热导率）：表征材料导热性能的物理量。
导热系数越大，材料的导热性能越好。
不同材料的导热系数不同，如金属导热性能好，木材和空气导热性能差。
2.热阻：阻碍热量传递的物理量。
热阻与导热系数成反比，与物体厚度和截面积的乘积成正比。
热阻越大，热量传递越慢。
3.热扩散系数：表征材料内部热量传播速度的物理量。
热扩散系数越大，热量在材料内部传播越快。
4.热容：表征物体吸收或释放热量的能力。
热容越大，物体在吸收或释放热量时温度变化越小。
5.比热容：表征单位质量物体吸收或释放热量的能力。
比热容越大，单位质量物体在吸收或释放热量时温度变化越小。
三、热传导的 applications1.热交换器：利用热传导原理制成的设备，用于在两种不同温度、不同比热或不同导热性能的流体之间进行热量交换。
2.散热器：用于计算机、灯具等设备中，将产生的热量通过热传导传递到散热片上，再通过空气对流将热量散发掉，以保持设备温度稳定。
3.保温材料：具有较低导热系数的材料，用于建筑、航空航天等领域的保温、隔热。
4.热敏电阻：利用材料导热性能随温度变化的特性，制成的一种传感器，用于测量温度或控制温度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基本概念： 基本概念： 热传导 热导率（λ） 热导率（ 热扩散率（α） 热扩散率（α） 基本规律： 基本规律： dQ dT = λS 傅立叶（Fourier）定律： dt 傅立叶（ ）定律： dx 魏德曼 弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律 弗兰兹定律：
λ = LT σ
1 . 一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于 一定规格的试样，加热到一定温度， 室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷， 室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷， 直至观察到试样发生龟裂， 直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加 热温度℃表示。（日用瓷） 。（日用瓷 热温度℃表示。（日用瓷） 2 . 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间， 后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间， 后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重 复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次 为止， 复这样的操作，直至试样失重 为止 表示。 数n表示。 表示
声子和声子导热
格波的传播看成是质点-声子的运动；
微观机理
格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞； 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞； 理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。 晶体中，热传导的实质就是碰撞。
光子和光子导热
微观机理
光子的导热： 光子的导热：光子在介质中的传播过程 光的散射、衍射、吸收、反射和折射） （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）
耐火材料 ： 1123K； ； 40min ； 283－293K； 3(5－!0)min － ； －
3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗 试样加热到一定温度后，在水中急冷， 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（ 。（高温结构 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构 材料）。 材料）。
热应力的产生
热应力： 热应力：由于温度变化而引起的应力 在复合体中， 在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或 结晶学方向有大的差别，形成应力， 结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力 过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 在材料中存在微裂纹， 在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞 后现象------ 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 后现象 例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。 组成物中， 例如：在一些 组成物中 有此现象。
热辐射： 热辐射：热射线的传递过程 可见光与部分近红外光的区域） （可见光与部分近红外光的区域）
影响热导率的因素
1. 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
温度的影响
温度较低时，主要是 声子传导 自由程则有随温度的升高而 迅速降低的特点 高 温 时 ,λ 则 迅 速 降 低 ， 在40K附近，出现极大值。 当达到1600K时，由于辐射 传热，λ又有所升高 热导率随温度的变化
热冲击损坏的类型： 热冲击损坏的类型：
抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂； 抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂； 抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下， 抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表 面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。 面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。
热稳定性的表示方法
dQ dT = λ S dt dx
材料的热传导
（1）不稳定， 对于一个外界无热交换，本身又存在温度 梯度的物体， 梯度的物体，单位面积上的温度随时间的 T λ 2T 变化率为: 变化率为: = × 2 导热能力： 导热能力：λ t ρc p x λ 储热能力： 储热能力：Cv 热扩散率： 热扩散率： α = ρc 热扩散率： 热扩散率：α 魏德曼-弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律：许多金属的热导率与 电导率之比与温度成正比： 电导率之比与温度成正比： λ / σ = LT
抗热冲击断裂性能
热应力引起的断裂破坏， 热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热 问题， 问题，因为这一个问题可缓解材料中的热 应力，一般有如下规律: 应力，一般有如下规律:
热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 传热途径(通道) 传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀; 易使材料中的温度均匀; 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 热应力就高， 就越不利于热稳定性。 热应力就高， 就越不利于热稳定性
热传导的物理机制
声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。 声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 热传导系数χ 热传导系数χ： λ = 1 cvl 3
其中， 声子比热容； 声子传播速度； 声子平均自由程。 其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。
材料的热传导
（1）稳定传热过程: ）稳定传热过程:
定义
热传导: 热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。 热导率λ(Thermal Conductivity）： 热导率λ(Thermal Conductivity）： 单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直 面积的热量。 λ导热能力。 傅立叶（Fourier）定律： 傅立叶（Fourier）定律：
显微结构的影响
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
显微结构的影响
晶体和非晶体材料的导热系数曲线
化学组成的影响
MgO-NiO的固溶体的热导率 的固溶体的热导率
材料的热稳定性
热稳定性（抗热振性）： 热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧
变化（热冲击）而不致破坏的能力。 变化（热冲击）而不致破坏的能力。
表面热传递系数h 材料表面温度比周围环境 表面热传递系数h—材料表面温度比周围环境 温度高1K 1K时在单位面积单位时间带走的热量 温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量。
提高抗热冲击断裂性能的措施
1. 2. 3. 4. 5. 提高应力强度σ 减小弹性模量E 提高应力强度σ，减小弹性模量E 提高材料的热导率 减小材料的膨胀系数 减少材料表面热传递系数 减小产品的有效厚度
固体材料热传导的微观机理
固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。 固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。 热传导过程： 热传导过程：材料内部的能量传输过程 能量的载体：电子（德布罗意波） 能量的载体：电子（德布罗意波） 声子（格波）： ）：声频波的量子 声子（格波）：声频波的量子 光子（电磁波） 光子（电磁波） 金属：主要是电子导热为主， 金属：主要是电子导热为主， 合金/半导体：电子/声子导热， 合金/半导体：电子/声子导热， 绝缘体： 绝缘体：声子导热
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 400 800 1200 温度（0C） 温度（ 由于存在显微 裂纹而引起的 多晶的热膨胀 滞后现象
1. 热应力的产生 （1）热膨胀或收缩引起的热应力 当物体固定在支座之间， 当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的 材料上，膨胀受到约束时， 材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力-----（显微应力）。 显微应力）。