传热学——三大传热方式

传热学的绪论部分最主要的内容是介绍了三种传热方式以及两种传热分析方法。掌握这些对学习传热学相关知识至关重要。

传热学的研究内容

传热学是研究热量传递的一门学科，研究方式包括定性机理分析和定量工程计算两个方面

三种传热方式

热传导

• 物体各部分之间 不发生相对位移时，依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导（heat conduction），简称导热。

• 导热现象的规律总结为傅里叶（Fourier）定律 根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量 $\Phi$ 与当地的温度变化率 $\frac{dt} {dx}$ 以及平板面积 A 成正比, 即

$$ \Phi = -\lambda A \frac{dt} {dx} $$

式中，$\lambda$是比例系数，称为 热导率 ，又称导热系数(thermal conductivity); 负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反。

• 单位时间内通过某一给定面积的热量称之为 热流量 （heat transfer rate），记为$\Phi$,单位为 W。通过单位面积的热流量称之为 热流密度 （heat flux），记为 q，单位为 W/m² 。 温度仅在 x 方向发生变化时，按照傅里叶定律，热流密度表示式为： $$q= \frac{\Phi} {A} =-\lambda \frac{dt} {dx}$$

• 导热系数 $\lambda$ 是表征材料导热性能优劣的参数。

热对流

• 热对流（heat convection）是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。

• 热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行不规则热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象

• 对流传热可分为自然对流和强制对流两大类。自然对流由流体冷热部分密度不同引起。强制对流由压差引起。

• 对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式（Newton‘s law of colling）： $$q = h(t_w -t_f)$$ 式中，t_w 为壁面温度，t_f 为流体温度。比例系数 h 称为 表面传热系数 （convective heat transfer coefficient），单位是 W/(m² · K)。

热辐射

• 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射，其中因热的原因而发出辐射能的现象为热辐射。

• 黑体在单位时间内发出的热辐射量由斯忒潘 - 玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律揭示： $$ \Phi = A \sigma T^4 $$ 式中： T 为黑体的热力学温度 K； $\sigma$为斯忒潘-玻尔兹曼常量，即通常说的黑体辐射常数，其值为 5.67×10^-8W/(m² · K⁴) A 为辐射表面积，m²

• 一切物体的辐射能力都小于同温度下的黑体，故应采用斯忒潘 - 玻尔兹曼定律的经验修正形式，并且应考虑接受热量的物体的吸收能力。此时辐射换热量可按下式计算： $$ \Phi = \varepsilon_1 A_1 \sigma (T_1 ^4-T_2 ^4) $$ 式中： $\varepsilon_1$为吸热物体的 发射率 【习惯上又称黑度（emissivity）】，其值总小于 1 。 A₁为吸热物体表面积。 T₁为吸热物体表面温度，T₂为放热物体表面温度。

传热方式总结

三种热传递方式的公式分别为：