热分析基础知识

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热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时,根据热力学第二定律,热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分,根据传热机理的不同,传热的基本方式有热传递、热对流和热辐射三种。


一、热传导


1)基本概念:当物体的内部或者两个直接接触的物体之间存在着温度差异时,物体各个部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导。热能就从物体的较高部分传给温度较低的部分或从一个温度较高的物体传给直接接触的温度较低的物体。

2)特点:物体各个部分不发生宏观的相对位移。导电固体中,导热起主要作用的是由自由电子的扩散运动;非导电固体和大部分的液体中,导热是通过振动能从一个分子传递到另一个分子;在空气中,导热则是由于分子的不规则运动而引起的。

3)热传导基本规律-傅里叶定律

傅里叶定律表示:在单位时间以热传导方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比,与温度梯度成正比。负号表示导热方向与温度梯度方向相反。

傅里叶定律中的导热系数是物质的一种物理性质,表示位置的导热能力的大小,导热系数值越大,物质的导热性能越好。导热系数只能实际测定。一般来说,金属的导热系数最大,非金属的固体次之,液体的较小,气体的最小。


二、热对流


1)基本概念:是指由于流体的宏观运动,从而使流体各个部分之间发生相对位移,冷热流体互相掺混所引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中,对流的同时必伴随有导热现象。

2)对流换热:流体流过一个物体表面时的热量传递过程。

3)对流换热的分类:

根据对流换热时是否发生相变,分为有相变的对流换热与无相变的对流换热;

根据引起流动的原因,分为自然对流和强制对流。

自然对流:自由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。

强制对流:流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用而引起的。

沸腾及凝结换热:液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热(相变换热)

4)热对流的基本规律-牛顿冷却公式

牛顿冷却公式中的对流换热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。不仅取决于物体的物性、换热表面的形状大小、相对位置,而且与流体的流速有关。一般地,就介质而言,水的对流换热比空气强烈;就换热方式而言,有相变的对流换热强于无相变的对流换热。


三、热辐射


1)辐射与热辐射:物体通过电磁波来传递能力的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

2)辐射传热:辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称为辐射换热。辐射换热时一个动态过程,当物体与周围环境温度处于热平衡时,辐射换热量为零,但辐射与吸收过程仍在不停的进行,只是辐射热与吸收热相等。

3)热辐射的基本规律-斯蒂芬—波尔茨曼定律

在工程中通常考虑两个或者两个以上物体之间的辐射,系统中的每个物体同时辐射并吸收热量。要增加辐射换热,可以提高热源表面的黑度和到冷表面的视角系数,增加表面积。