傳熱學(xué)點(diǎn)滴物理起源及速率方程熱傳導(dǎo)對(duì)流換熱輻射換熱能量守恒定律應(yīng)用物理起源和速率方程什么是傳熱學(xué)?研究由于溫度差異而引起的能量的轉(zhuǎn)移的科學(xué).由于粒子間相互作用而引起的能量從高能物質(zhì)粒子到較低能量物質(zhì)粒子的轉(zhuǎn)移。對(duì)于固體熱傳遞通過(guò)兩種方式：自由電子的遷移和晶格振動(dòng)波，用數(shù)學(xué)公式可表示如下：A物理起源對(duì)于氣體熱傳遞由于隨機(jī)的分子運(yùn)動(dòng)而引起。應(yīng)用氣體動(dòng)能理論可表示如下：Knc

K：傳熱系數(shù)

n：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的粒子數(shù)

c：平均分子速率：分子平均自由程對(duì)于液態(tài)物質(zhì)的分子情況，目前用來(lái)解釋熱傳導(dǎo)的物理機(jī)理沒有完全的定論。一般情況下，非金屬液體的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低，但水例外。速率方程熱傳導(dǎo)的Fourier定律

速率方程：用來(lái)定量描述在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量的關(guān)系式。對(duì)流換熱的牛頓冷卻定律

輻射換熱的Stefan-Boltzmann定律

以上前兩個(gè)定律都是半經(jīng)驗(yàn)定律，在日常的尺度中得到的結(jié)果是足夠精確的，但在極大熱通量、極低溫、微尺度、時(shí)間極短的瞬態(tài)過(guò)程都不適用。在納米技術(shù)中，F(xiàn)ourier定律已經(jīng)沒有意義，所有的傳熱定律需要重新定義。

熱傳導(dǎo)

定義：由于溫差而引起的能量傳遞，介質(zhì)和媒體中只要有溫差差異，就會(huì)有熱傳導(dǎo)發(fā)生。

速率方程為Fourier定律：其中：q”：熱通量

k：熱傳導(dǎo)率式中負(fù)號(hào)的含義為：熱量傳遞的方向與溫度增加的方向相反。例1：各向同性無(wú)內(nèi)熱源的金屬平壁溫度分布圖熱傳導(dǎo)率K與材料的物性之一，分為各向同性（Isotropic）和各向異性（Anisotropic），而且與溫度相關(guān)。以下是關(guān)于熱傳導(dǎo)率K對(duì)物體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)影響的例子。各向同性k=10w/m*k各向異性Kx=10w/m*k，Ky=50w/m*k例2：二維相同對(duì)流邊界條件各向同性與各向異性材料的溫度分布比較續(xù)例2：溫度梯度的矢量圖比較。各向同性k=10w/m*k各向異性Kx=10w/m*k，Ky=50w/m*k熱擴(kuò)散方程：由能量守恒定律推導(dǎo)出的用來(lái)求解物體內(nèi)溫度場(chǎng)的方程。其形式如下：控制體積凈熱傳導(dǎo)速率控制體積體積生熱率控制體積內(nèi)熱存儲(chǔ)量變化率熱擴(kuò)散方程熱擴(kuò)散方程的三類邊界條件解熱擴(kuò)散方程需要邊界條件，因?yàn)闊釘U(kuò)散方程是二階的所以對(duì)于描述系統(tǒng)的每一個(gè)坐標(biāo)要有兩個(gè)邊界條件；因?yàn)榉匠淘跁r(shí)間上是一階的，因此只要給定一個(gè)初始條件即可。第一類邊界條件（DirichletCondition），恒定的表面溫度，在一維系統(tǒng)中x=0表面，可表示如下：第二類邊界條件（NeumannCondition），恒定的表面熱通量，在一維系統(tǒng)中x=0表面，可表示如下：第三類邊界條件（RobinCondition），恒定的表面熱通量，在一維系統(tǒng)中x=0表面，可表示如下：通過(guò)求解相應(yīng)邊界條件的熱擴(kuò)散方程，可以得到求解區(qū)域內(nèi)的溫度分布，得知溫度分布后可以得到相應(yīng)的溫度梯度、熱通量等物理量。以下是幾個(gè)普通的例子。例3：有內(nèi)熱源，左右兩側(cè)對(duì)流邊界（第三類）條件平板內(nèi)溫度分布。例4：無(wú)內(nèi)熱源，管和罐相交處溫度分布圖續(xù)例4：管罐交接處邊界條件圖續(xù)例4：管罐熱通量矢量圖對(duì)流換熱對(duì)流換熱的兩個(gè)機(jī)理:1由于分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而引起的能量傳遞(擴(kuò)散作用).2流體的宏移(MacroscopicMotion).A大量分子集體或總體移動(dòng);B有溫度梯度的存在.總的效果是兩個(gè)機(jī)理能量傳遞的疊加.以下將以最常用的是流體流過(guò)固定壁面的例子詳細(xì)說(shuō)明對(duì)流換熱中涉及到的速度邊界層現(xiàn)象.例5:速度邊界層,湍流Re=3783續(xù)例5:第一步放大圖隨著邊界層的增長(zhǎng),液體宏移所占的比重加大,此機(jī)理與流體內(nèi)部的速度場(chǎng)關(guān)系極大,因此用來(lái)求解速度場(chǎng)的流體力學(xué)對(duì)分析對(duì)流換熱現(xiàn)象至關(guān)重要.續(xù)例5:速度邊界層局部放大圖靠近壁面附近擴(kuò)散作用占主導(dǎo)地位,即分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的熱量傳遞占主要地位.續(xù)例5:x坐標(biāo)中點(diǎn)截面處速度分布曲線.以上是對(duì)速度邊界層這一概念的簡(jiǎn)要描述.

忽略對(duì)流換熱模式的差別,其近似速率方程如下:

其中:q”:對(duì)流熱同量(HeatFlux);Ts:壁面溫度;T:流體溫度;h:對(duì)流換熱系數(shù)(ConvectiveHeatTransferCoef.)

一切對(duì)流換熱問(wèn)題最終可轉(zhuǎn)化到求h的問(wèn)題.影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素:1)幾何尺寸和形狀;2)流動(dòng)屬性(層流、湍流，雷諾數(shù)）；

3）流體的熱力學(xué)性質(zhì)（比熱）和傳遞屬性（粘度）。按照對(duì)流產(chǎn)生的原因可分為：1）強(qiáng)制對(duì)流（ForcedConvection）由于外力（風(fēng)扇、泵等）驅(qū)動(dòng)而引起的對(duì)流；2）自然對(duì)流（NaturalConvection）由于溫度變化引起的密度變化導(dǎo)致的浮升力引起。例6：密閉空間內(nèi)的自然對(duì)流溫度分布圖續(xù)例6：某兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡續(xù)例6：速度矢量圖例7：彎管強(qiáng)制對(duì)流，入口流速4m/s，背壓0Pa，雷諾數(shù)10088，湍流。壓力云圖速度矢量圖對(duì)流換熱系數(shù)的典型值：以上為對(duì)流換熱的直觀十分簡(jiǎn)要的介紹。輻射換熱熱輻射:有限溫度物質(zhì)發(fā)射出的能量.不僅固體表面會(huì)有輻射,液體表面和氣體也會(huì)有輻射,這是自然界最普遍的現(xiàn)象之一.此處將固體和液體輻射看作表面現(xiàn)象(SurfacePhenomena),因?yàn)楣腆w和液體內(nèi)部分子輻射會(huì)被周圍分子強(qiáng)烈吸收,大約只存在于1微米范圍內(nèi).右圖:Flir公司熱成像系統(tǒng)拍攝的圖像熱輻射機(jī)理:組成物質(zhì)的原子分子中的電子布局(configuration)發(fā)生變化,根據(jù)Maxell理論加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)發(fā)出電磁波(即光子).熱輻射的本質(zhì)是電磁波輻射.黑體(BlackBody):1吸收所有波長(zhǎng)和方向的入射輻射;2在一定溫度下,輻射出的能量最大;3黑體輻射無(wú)方向性,屬于散射輻射源.Plank分布:用來(lái)描述黑體輻射的光譜分布.1輻射能量隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化;2在任何波長(zhǎng),輻射能量隨著溫度升高而升高;3輻射能量集中的光譜區(qū)域于溫度相關(guān),且溫度升高,移向更短波長(zhǎng)的光譜區(qū)域.例如:太陽(yáng)可視為T=5800k的黑體,其輻射集中在可見光區(qū)域,而對(duì)于溫度在800k以下的物體,輻射主要集中在不可見的紅外區(qū)域.黑度（Emissivity）：在同一溫度下，某表面輻射出的能量與黑體輻射出的能量的比值。Stefan-Boltzmann定律應(yīng)用于大表面包圍小表面的情況:1)q”:熱通量2):表面黑度3):Stefan-Boltzmann常數(shù),5.67010e-8w/4)Ts:表面絕對(duì)溫度.5)Tsur:包圍環(huán)境絕對(duì)溫度.例8:兩個(gè)半管間的輻射換熱.黑度0.9將以上公式變形:由以上公式得出的結(jié)論是:輻射換熱十分依賴與溫度,溫度的變化對(duì)輻射換熱的影響要大于對(duì)傳導(dǎo)和對(duì)流換熱的影響.角系數(shù)(ViewFactor):角系數(shù)Fij定義為離開表面I的輻射能量被表面j截獲的部分.能量守恒傳熱學(xué)考慮的是能量傳播的速率.熱力學(xué)考慮的是物質(zhì)的平衡狀態(tài),即平衡狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化需