冶金传输原理-传热

相邻各层逐次吸热升温，热量沿板厚方向传递
不稳定温度场
温度分布不变，稳定温度场已经建立
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
➢ 导热方程：实践证明，各种传热过程的传热量都和温度
差T、传热面积A、传热时间 成正比。
Q T A J
T A J/s (W)
q T
W/m2
热流量φ：单位时间传递的热量。
➢ 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程：不仅高温物 体向低温物体辐射热能，且低温物体也向高温物体辐射热能。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
傅里叶导热定律-稳定温度场的建立
T0 y
T0
T0
δ
t
0 Tx
Tx
Tx
一无限宽大，厚为 的平板初温为T0
0 平板下表面温度跃升到Tx并保持不变
8.3 热导率与热扩散率
1.导热系数（热导率 ）
导热系数数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所产生
的热流密度矢量的模。 qr T nr
单位
W/(m℃)
n
物理意义 表征物体导热能力的物性参数，即温度梯度为1时，
单位时间通过单位面积的导热量。
影响因素 物体种类
温度
0 1 bT
气体<液体<固体<金属
热通量（热流密度）q：单位时间通过单位面积传递的热量。 导热系数：单位时间、单位面积、温度差为1℃时传递的
热量，即单位传热量。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
Q T A J
T A J/s (W)
T 1
T R
A
q T
W/m2
q
T 1
T r
R 1 ℃/W 总传热面积上的热阻。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
热传导的特点
➢ 必须有温度差； ➢ 导热可以发生在固体、液体、气体中以及边界处； ➢ 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而
传递的能量形式是热能，称热流量； ➢ 在引力场下的单纯导热只发生在密实固体中。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
（2）对流
➢ 定义：有流体存在，并
8.3 热导率与热扩散率
2．热扩散率（导温系数）
q T cpT cpT
y cp y
y
热量传输系数
cp （导温系数、热扩散率）
单位体积物体的热量
J
梯度 m
m3
物体的导热通量与单位体积物体的热量梯度成正比
8.3 热导率与热扩散率
2．热扩散率（导温系数）
单位
m2/s
物理意义
表征物体热量传递能力的重要参数
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
传热方式
传导传热 （导热）
对流传热 （对流）
辐射传热 （辐射）
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
（1）导热
➢ 定义：在一连续介质内若有温度差存在，或者两温度不同
的物体直接接触时，在物体内没有可见的宏观物体运动时 所发生的传热现象。
➢ 条件：温度差。取决于物体本身的物性。
有流体宏观运动情况下 所发生的传热。
➢ 条件：温度差、流体的
宏观运动。取决于流体 本身的物性、流动状态。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
对流换热的分类
➢ 根据对流换热时是否发生相变分：有相变的对流换 热和无相变的对流换热。
➢ 根据引起流动的原因分：自然对流和强制对流。
1）自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的 流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。
热问题的电模拟法。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
傅里叶导热定律
实践证明：各种传热过程的传热量都和温度 差、传热面积、传热时间成正比。
稳定温度场 T A 1 T A 1 T A W
q T
W/m2
固体薄层 任意方向
T A
y
W
q T
y
q T
n
W/m2
W/m2
热量传递方向与温
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
导热机理
➢ 气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。 ➢ 导电固体：自由电子的运动。 ➢ 非导电固体：晶格结构（原子、分子）的振动所产
生的弹性波。 ➢ 液体：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液
体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响 比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依 靠弹性波的作用。
热力学第二定
➢传热驱动力： 温度差或温度梯度。
律：热量可以
自发地由高温
➢研究目的： 一定条件下热量传递的速率。热源传给低温
热源。
提高传热速率：提高生产率
降低传热速率：提高热效率、减少热损失、节能
材料加工过程中的加热、冷却、熔化及凝固均与热 量传递有关。
第8章 热量传输的基本概念
8.1 热量传递方式及傅里叶导热定律 8.2 温度场、等温面和温度梯度 8.3 热导率与热扩散率
2）强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用 所造成的。
3）沸腾换热及凝结换热：液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表 面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流 沸腾）。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
（3）辐射
➢ 定义：物体因受热发出热辐射，高
温物体向低温物体热辐射，同时低 温物体向高温物体热辐射，最终结 果是高温物体失去热量而低温物体 得到热量。辐射传热不需要物体作 传热媒介，而是依靠物体发射电磁 波来传递热量。
温度梯度 ℃/m
度梯度方向相反
物体的导热通量与温度梯度成正比
8.2 温度场、等温面和温度梯度
➢温度场： 温度随空间及时间的变化规律。
数学表达式：T f (x, y,z,t )
温
稳态温度场：T f (x, y,z ) ， T t 0
度 按时间
场
非稳态温度场：T f (x, y,z, )，T t 0
冶金传输原理-传热
住新房和旧房的冷热感觉一样么？为什么？
冬天棉被经 过晒后拍打, 为什么感觉 特别暖和?
同样是25°C的 房子，为什么夏 天可以穿衬衫， 而冬天却要穿毛 衣？
冬天隔着玻 璃晒太阳感 觉更暖和， 为什么？
热量传输
➢研究对象：研究不同物体间或同一物体不同部位间存
在 温度差时，其间的热量传递规律。
➢ 条件：温度差。取决于两物体空间
位置（辐射角系数）和物体表面辐 射特性（黑度）。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
三种传热方式的区别
➢ 导热、对流只在有物质存在的条件下才能实现，而热辐射不 需中间介质，可以在真空中传递，且在真空中辐射能的传递 最有效（又称为非接触性传热）。
➢ 辐射换热不仅有能量的转移，而且伴随有能量形式的转化， 是一种能量互变过程。辐射时：辐射体内热能→辐射能；吸 收时：辐射能→受射体内热能。
8.2 温度场、等温面和温度梯度
➢温Байду номын сангаас梯度
定义：等温面法线方向
单位距离上的温度变化 量（最大温度变率）。
表达式： gradT
T n
向量：低温→高温方向为正。
8.2 温度场、等温面和温度梯度
➢ 热流线
热流线：热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，通过平 面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。
A
r
1
m2·℃/W 单位传热面积上的热阻。
热阻：阻碍热量传递的阻力。
8.1 热量传递方式与傅里叶导热定律
➢ 导热系数 和 热阻R 是传热中两个极为重要的概念。
提高传热速率n R 降低传热速率n R
T 1
T R
A
q
T 1
T r
➢ 上两式类似于电学中的欧姆定律，为了求解热流可类似 电路中电阻的串、并联法求热阻。基于这一点，有研究传
物体的导热量
物体吸收或释放的热量
物体传递热量的能力强或物体传递热量的速度快
物体传递热量的能力弱或物体传递热量的速度慢
影响因素 物体的种类和温度
小结
一、本课的基本要求
1．掌握热量传输的三种基本方式、传热系数和热扩散系数的概 念。
2．理解热阻、温度场、等温面和温度梯度等概念。 3．掌握导热系数、热扩散系数的单位、物理意义和影响因素。 4．掌握傅里叶导热方程的物理意义。
二、本课的重点、难点
重点：导热系数 、热扩散系数的单位、物理意义和影响因素 难点：傅里叶导热定律的推导
三、作业
P102：2、4
8.2 温度场、等温面和温度梯度
一维温度场
温
空间
二维温度场
度
三维温度场
场
物理量性质 数量场
一维稳态温度场：T f (x )
一维非稳态温度场：T f (x,t )
8.2 温度场、等温面和温度梯度
➢ 等温面：温度场中，同一时
刻温度相同的点所构成的面。
➢ 等温线：一平面与等温面的
交线。二维截面上的等温面
等温线
8.2 温度场、等温面和温度梯度
➢ 等温线的特点：物体中的任何一条等温线要么形成一个封闭的 曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交。
➢ 等温线图的物理意义：若每条等温线间的温度间隔相等时，等 温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。若相等， 且等温线越疏，则该区域热流密度越小；反之，越大。