熱傳遞基本規(guī)律課件

第三章熱傳遞的基本規(guī)律第一節(jié)熱傳導(dǎo)第二節(jié)對(duì)流第三節(jié)熱輻射第三章熱傳遞的基本規(guī)律11、認(rèn)識(shí)熱傳遞的三種方式，了解其基本特點(diǎn)；2、掌握描述熱傳遞的基本規(guī)律；3、了解熱傳遞在工程實(shí)際中的應(yīng)用?；疽螅?、認(rèn)識(shí)熱傳遞的三種方式，了解其基本特點(diǎn)；2、掌握描述熱傳遞的基本規(guī)律；3、了解熱傳遞在工程實(shí)際中的應(yīng)用?；疽螅夯疽螅夯疽螅?介紹在日常生活和工程技術(shù)中，我們都有熱傳遞的體驗(yàn)，與熱傳遞有關(guān)的技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。如鍋爐、汽輪機(jī)、高低壓加熱器的運(yùn)行、冷凝器、機(jī)加工工件的冷卻、建筑物的采暖通風(fēng)、航天器重返大氣層時(shí)壁面的熱防護(hù)，甚至服裝材料的選用，都會(huì)遇到傳熱問題。介紹在日常生活和工程技術(shù)中，我們都有熱傳遞的體驗(yàn)，與3兩個(gè)溫度不同的物體或者同一物體中溫度不同的各部分發(fā)生熱傳遞時(shí)，熱量總是由高溫物體向低溫物體傳遞，結(jié)果使得高溫物體的溫度下降，內(nèi)能減少；低溫物體的溫度上升，內(nèi)能增加。如果傳熱過程中不伴隨做功，由熱力學(xué)第一定律可知，傳遞的熱量等于內(nèi)能的變化，這時(shí)熱量是內(nèi)能變化的量度。但是在習(xí)慣上把內(nèi)能的傳遞說成熱量的傳遞。介紹兩個(gè)溫度不同的物體或者同一物體中溫度不同的各部分發(fā)生熱傳遞時(shí)4熱傳遞有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。本部分討論這三種傳熱方式的基本規(guī)律及其應(yīng)用。熱傳遞有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。本部分討論這三種傳熱方5第一講熱傳導(dǎo)及其規(guī)律一、熱傳導(dǎo)定義：物體中溫度不同的部分或者溫度不同的兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，熱量從高溫物體向低溫物體傳遞的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。特點(diǎn)：（1）產(chǎn)生于直接接觸的物體之間；（2）氣體、液體和固體中都可以進(jìn)行熱傳遞；（3）不同材料的導(dǎo)熱性能差異很大；第一講熱傳導(dǎo)及其規(guī)律一、熱傳導(dǎo)6傳導(dǎo)的機(jī)理：是由于物體內(nèi)部分子、原子、電子等相互作用而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的。如：氣體的熱傳導(dǎo)是由分子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的分子的混合和分子之間的碰撞所引起的。從微觀角度看，高溫區(qū)的分子平均平動(dòng)動(dòng)能較大，通過分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)入低溫區(qū)，與低溫其分子碰撞交換動(dòng)能，結(jié)果使得低溫區(qū)分子的平均平動(dòng)動(dòng)能增大；在宏觀上表現(xiàn)為熱量（內(nèi)能）從高溫區(qū)傳輸?shù)降蜏貐^(qū)。傳導(dǎo)的機(jī)理：是由于物體內(nèi)部分子、原子、電子等相互作用而實(shí)現(xiàn)熱7又如：固體的熱傳導(dǎo)是由于原子在晶格平衡位置附近振動(dòng)引起的波來傳遞內(nèi)能的。在金屬中除了這種波以外，自由電子起了重要作用，自由電子的運(yùn)動(dòng)，使金屬的熱傳導(dǎo)易于進(jìn)行，所以金屬不僅是良好的導(dǎo)電體，而且也是良好的導(dǎo)熱體。又如：固體的熱傳導(dǎo)是由于原子在晶格平衡位置附近振動(dòng)引起的波來8第二節(jié)熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律—傅里葉定律固體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：將一根金屬棒兩端分別置于溫度為T1、和T2的恒溫?zé)嵩粗校ㄔO(shè)T1）T2）。棒的側(cè)面用絕熱層包裹，使熱量僅能沿著棒長方向進(jìn)行傳遞，沿棒長方向等距離設(shè)置一些測溫點(diǎn)，記錄不同時(shí)刻各點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過足夠長的時(shí)間（通常很短），各點(diǎn)的溫度不再隨時(shí)間變化，這時(shí)經(jīng)過各處傳遞的熱量相等。第二節(jié)熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律—傅里葉定律固體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：9上述情況稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的溫度分布只取決于棒兩端的溫度。實(shí)際過程中到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間是非常短暫的。傳熱問題主要研究穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的情況。上述情況稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的溫度分布只取決于棒兩端的溫10傅立葉導(dǎo)熱定律

如圖所示，有一塊平板狀物體，厚度為，垂直于OX軸的面積為S。設(shè)左側(cè)面處的溫度為，右側(cè)面處溫度為，并且圖中，x和dx處是兩個(gè)無限的面，溫度分別為T和dT，溫度T對(duì)x的導(dǎo)數(shù)稱為x附的溫度梯度。傅立葉導(dǎo)熱定律如圖所示，有一塊平板狀物體，厚度為，垂直于O111822年法國數(shù)學(xué)家傅立葉總結(jié)固體導(dǎo)熱的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到：在穩(wěn)定情況下的單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于熱量傳遞方向面積傳遞的熱量與溫度梯度及面積的乘積成正比；數(shù)學(xué)表述：傅立葉導(dǎo)熱定律

式中，q是單位時(shí)間內(nèi)傳過面積的熱流量；負(fù)號(hào)表示熱量沿溫度降低的方向傳遞；比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率。1822年法國數(shù)學(xué)家傅立葉總結(jié)固體導(dǎo)熱的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到：在穩(wěn)定12q是單位時(shí)間內(nèi)傳過面積的熱量，簡稱該面積的熱流量；負(fù)號(hào)表示熱量沿溫度降低的方向傳遞；比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率是表征材料導(dǎo)熱性能的物理量，單位瓦每米開。一般良導(dǎo)電體也是良導(dǎo)熱體。而同種材料的熱導(dǎo)率往往與材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、密度、成分、溫度和濕度等因素有關(guān)。q是單位時(shí)間內(nèi)傳過面積的熱量，簡稱該面積的熱流量；負(fù)號(hào)表示熱134.熱流和熱阻對(duì)于導(dǎo)熱性能均勻的材料，當(dāng)和保持恒定時(shí)，溫度梯度可用平均溫度梯度來代替，即:

則傅立葉導(dǎo)熱定律可表示為:令：4.熱流和熱阻對(duì)于導(dǎo)熱性能均勻的材料，當(dāng)和保持恒14熱阻R稱為熱阻，通過與熱量傳遞方向垂直的單位面積上的熱流量稱為熱流密度。記作：說明方便之處：若有幾種物質(zhì)疊放在一起時(shí)，可以把它們的熱阻相加而得到總熱阻，即：熱阻R稱為熱阻，通過與熱量傳遞方向垂直的單位面積上的熱流量稱15例題：一氣缸壁，寬為0.50m，高為1m，厚為10cm。已知缸內(nèi)溫度為227℃，外壁溫度為37℃，缸壁材料的熱導(dǎo)率為試計(jì)算通過氣缸壁的熱流量及熱流密度。解：

例題：一氣缸壁，寬為0.50m，高為1m，厚為10cm。已知16第二講對(duì)流1.熱對(duì)流是溫度不同的各部分流體之間發(fā)生宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程。2.對(duì)流是通過流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而從固體表面帶走的熱量。由于微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)總是存在的，所以熱對(duì)流的同時(shí)必定伴隨著熱傳導(dǎo)。3.一般分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。第二講對(duì)流1.熱對(duì)流是溫度不同的各部分流體之間發(fā)生宏觀相173.牛頓冷卻定律如圖所示，一板狀物體，其上表面積為S，溫度為。由于自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流，有流體流過該表面，流體溫度為且。3.牛頓冷卻定律如圖所示，一板狀物體，其上表面積為S，溫度為183.牛頓冷卻定律牛頓從實(shí)驗(yàn)總結(jié)出如下規(guī)律：單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)對(duì)流方式從表面?zhèn)鞒龅臒崃颗c溫度差和表面積的乘積成正比。數(shù)學(xué)表述：3.牛頓冷卻定律牛頓從實(shí)驗(yàn)總結(jié)出如下規(guī)律：單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)對(duì)流方19比例系數(shù)稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，單位瓦每平方米開，其與流體的性質(zhì)、速度及傳熱表面的形狀等因素有關(guān)。令，則：，式中稱為對(duì)流傳熱熱阻。比例系數(shù)稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，單位瓦每平方米開，其與流體20例題：窗玻璃既可透光，還可保溫。當(dāng)沒有空氣流動(dòng)時(shí)，玻璃內(nèi)、外表面都有一層薄薄的空氣。此空氣層厚度約為3.0mm，設(shè)玻璃厚度為0.50cm，面積為0.5㎡。已知空氣的熱導(dǎo)率為，玻璃的熱導(dǎo)率為，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為。當(dāng)窗內(nèi)、外空氣不流動(dòng)時(shí)，窗的熱阻有多大？當(dāng)窗外有風(fēng)，形成空氣對(duì)流時(shí)，窗的熱阻又是多大？解：空氣不流動(dòng)時(shí)，例題：窗玻璃既可透光，還可保溫。當(dāng)沒有空氣流動(dòng)時(shí)，玻璃內(nèi)、外21空氣流動(dòng)時(shí)空氣流動(dòng)時(shí)22第三講、熱輻射輻射是由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)，而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。任何一個(gè)物體，在任何溫度下都要發(fā)射各種波長的電磁波。熱輻射與溫度有關(guān)，同一物質(zhì)在一定溫度下所輻射的能量在不同光譜區(qū)域的分布是不均勻的，并且隨溫度的升高，輻射中短波長的能量也越多。

第三講、熱輻射輻射是由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)，而發(fā)射233.不同物體在某一頻率范圍內(nèi)發(fā)射和吸收電磁波的能力是不同的。但對(duì)某一物體來說，若在某頻率范圍內(nèi)發(fā)射電磁波的能力越大，它吸收該頻率范圍內(nèi)電磁波的能力也越大，反之亦然。黑體：在任何溫度下，能夠全部吸收投射在它上面所有輻射能量的物體

3.不同物體在某一頻率范圍內(nèi)發(fā)射和吸收電磁波的能力是不同的。24黑體輻射規(guī)律：單色輻射強(qiáng)度隨頻率的分布是黑體溫度的函數(shù)，而與構(gòu)成黑體的材料無關(guān)。在單位時(shí)間內(nèi)，從黑體單位面積上向各個(gè)方向所發(fā)射出去的輻射能量稱為單色輻射強(qiáng)度。也稱為輻出度。黑體輻射規(guī)律：單色輻射強(qiáng)度隨頻率的分布是黑體溫度的函數(shù)，而與25溫度為T的黑體的輻出度與溫度的四次方成正比。數(shù)學(xué)表述：斯特藩-玻爾茲曼定律其中稱為斯特藩-玻爾茲曼常量。溫度為T的黑體的輻出度與溫度的四次方成正比。斯特藩-玻爾茲曼26第三章熱傳遞的基本規(guī)律第一節(jié)熱傳導(dǎo)第二節(jié)對(duì)流第三節(jié)熱輻射第三章熱傳遞的基本規(guī)律271、認(rèn)識(shí)熱傳遞的三種方式，了解其基本特點(diǎn)；2、掌握描述熱傳遞的基本規(guī)律；3、了解熱傳遞在工程實(shí)際中的應(yīng)用。基本要求：1、認(rèn)識(shí)熱傳遞的三種方式，了解其基本特點(diǎn)；2、掌握描述熱傳遞的基本規(guī)律；3、了解熱傳遞在工程實(shí)際中的應(yīng)用?；疽螅夯疽螅夯疽螅?8介紹在日常生活和工程技術(shù)中，我們都有熱傳遞的體驗(yàn)，與熱傳遞有關(guān)的技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。如鍋爐、汽輪機(jī)、高低壓加熱器的運(yùn)行、冷凝器、機(jī)加工工件的冷卻、建筑物的采暖通風(fēng)、航天器重返大氣層時(shí)壁面的熱防護(hù)，甚至服裝材料的選用，都會(huì)遇到傳熱問題。介紹在日常生活和工程技術(shù)中，我們都有熱傳遞的體驗(yàn)，與29兩個(gè)溫度不同的物體或者同一物體中溫度不同的各部分發(fā)生熱傳遞時(shí)，熱量總是由高溫物體向低溫物體傳遞，結(jié)果使得高溫物體的溫度下降，內(nèi)能減少；低溫物體的溫度上升，內(nèi)能增加。如果傳熱過程中不伴隨做功，由熱力學(xué)第一定律可知，傳遞的熱量等于內(nèi)能的變化，這時(shí)熱量是內(nèi)能變化的量度。但是在習(xí)慣上把內(nèi)能的傳遞說成熱量的傳遞。介紹兩個(gè)溫度不同的物體或者同一物體中溫度不同的各部分發(fā)生熱傳遞時(shí)30熱傳遞有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。本部分討論這三種傳熱方式的基本規(guī)律及其應(yīng)用。熱傳遞有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。本部分討論這三種傳熱方31第一講熱傳導(dǎo)及其規(guī)律一、熱傳導(dǎo)定義：物體中溫度不同的部分或者溫度不同的兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，熱量從高溫物體向低溫物體傳遞的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。特點(diǎn)：（1）產(chǎn)生于直接接觸的物體之間；（2）氣體、液體和固體中都可以進(jìn)行熱傳遞；（3）不同材料的導(dǎo)熱性能差異很大；第一講熱傳導(dǎo)及其規(guī)律一、熱傳導(dǎo)32傳導(dǎo)的機(jī)理：是由于物體內(nèi)部分子、原子、電子等相互作用而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的。如：氣體的熱傳導(dǎo)是由分子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的分子的混合和分子之間的碰撞所引起的。從微觀角度看，高溫區(qū)的分子平均平動(dòng)動(dòng)能較大，通過分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)入低溫區(qū)，與低溫其分子碰撞交換動(dòng)能，結(jié)果使得低溫區(qū)分子的平均平動(dòng)動(dòng)能增大；在宏觀上表現(xiàn)為熱量（內(nèi)能）從高溫區(qū)傳輸?shù)降蜏貐^(qū)。傳導(dǎo)的機(jī)理：是由于物體內(nèi)部分子、原子、電子等相互作用而實(shí)現(xiàn)熱33又如：固體的熱傳導(dǎo)是由于原子在晶格平衡位置附近振動(dòng)引起的波來傳遞內(nèi)能的。在金屬中除了這種波以外，自由電子起了重要作用，自由電子的運(yùn)動(dòng)，使金屬的熱傳導(dǎo)易于進(jìn)行，所以金屬不僅是良好的導(dǎo)電體，而且也是良好的導(dǎo)熱體。又如：固體的熱傳導(dǎo)是由于原子在晶格平衡位置附近振動(dòng)引起的波來34第二節(jié)熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律—傅里葉定律固體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：將一根金屬棒兩端分別置于溫度為T1、和T2的恒溫?zé)嵩粗校ㄔO(shè)T1）T2）。棒的側(cè)面用絕熱層包裹，使熱量僅能沿著棒長方向進(jìn)行傳遞，沿棒長方向等距離設(shè)置一些測溫點(diǎn)，記錄不同時(shí)刻各點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過足夠長的時(shí)間（通常很短），各點(diǎn)的溫度不再隨時(shí)間變化，這時(shí)經(jīng)過各處傳遞的熱量相等。第二節(jié)熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律—傅里葉定律固體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：35上述情況稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的溫度分布只取決于棒兩端的溫度。實(shí)際過程中到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間是非常短暫的。傳熱問題主要研究穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的情況。上述情況稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的溫度分布只取決于棒兩端的溫36傅立葉導(dǎo)熱定律

如圖所示，有一塊平板狀物體，厚度為，垂直于OX軸的面積為S。設(shè)左側(cè)面處的溫度為，右側(cè)面處溫度為，并且圖中，x和dx處是兩個(gè)無限的面，溫度分別為T和dT，溫度T對(duì)x的導(dǎo)數(shù)稱為x附的溫度梯度。傅立葉導(dǎo)熱定律如圖所示，有一塊平板狀物體，厚度為，垂直于O371822年法國數(shù)學(xué)家傅立葉總結(jié)固體導(dǎo)熱的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到：在穩(wěn)定情況下的單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于熱量傳遞方向面積傳遞的熱量與溫度梯度及面積的乘積成正比；數(shù)學(xué)表述：傅立葉導(dǎo)熱定律

式中，q是單位時(shí)間內(nèi)傳過面積的熱流量；負(fù)號(hào)表示熱量沿溫度降低的方向傳遞；比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率。1822年法國數(shù)學(xué)家傅立葉總結(jié)固體導(dǎo)熱的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到：在穩(wěn)定38q是單位時(shí)間內(nèi)傳過面積的熱量，簡稱該面積的熱流量；負(fù)號(hào)表示熱量沿溫度降低的方向傳遞；比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率是表征材料導(dǎo)熱性能的物理量，單位瓦每米開。一般良導(dǎo)電體也是良導(dǎo)熱體。而同種材料的熱導(dǎo)率往往與材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、密度、成分、溫度和濕度等因素有關(guān)。q是單位時(shí)間內(nèi)傳過面積的熱量，簡稱該面積的熱流量；負(fù)號(hào)表示熱394.熱流和熱阻對(duì)于導(dǎo)熱性能均勻的材料，當(dāng)和保持恒定時(shí)，溫度梯度可用平均溫度梯度來代替，即:

則傅立葉導(dǎo)熱定律可表示為:令：4.熱流和熱阻對(duì)于導(dǎo)熱性能均勻的材料，當(dāng)和保持恒40熱阻R稱為熱阻，通過與熱量傳遞方向垂直的單位面積上的熱流量稱為熱流密度。記作：說明方便之處：若有幾種物質(zhì)疊放在一起時(shí)，可以把它們的熱阻相加而得到總熱阻，即：熱阻R稱為熱阻，通過與熱量傳遞方向垂直的單位面積上的熱流量稱41例題：一氣缸壁，寬為0.50m，高為1m，厚為10cm。已知缸內(nèi)溫度為227℃，外壁溫度為37℃，缸壁材料的熱導(dǎo)率為試計(jì)算通過氣缸壁的熱流量及熱流密度。解：

例題：一氣缸壁，寬為0.50m，高為1m，厚為10cm。已知42第二講對(duì)流1.熱對(duì)流是溫度不同的各部分流體之間發(fā)生宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程。2.對(duì)流是通過流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而從固體表面帶走的熱量。由于微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)總是存在的，所以熱對(duì)流的同時(shí)必定伴隨著熱傳導(dǎo)。3.一般分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。第二講對(duì)流1.熱對(duì)流是溫度不同的各部分流體之間發(fā)生宏觀相433.牛頓冷卻定律如圖所示，一板狀物體，其上表面積為S，溫度為。由于自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流，有流體流過該表面，流體溫度為且。3.牛頓冷卻定律如圖所示，一板狀物體，其上表面積為S，溫度為443.牛頓冷卻定律牛頓從實(shí)驗(yàn)總結(jié)出如下規(guī)律：單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)對(duì)流方式從表面?zhèn)鞒龅臒崃颗c溫度差和表面積的乘積成正比。數(shù)學(xué)表述：3.牛頓冷卻定律牛頓從實(shí)驗(yàn)總結(jié)出如下規(guī)律：單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)對(duì)流方45比例系數(shù)稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，單位瓦每平方米開，其與流體的性質(zhì)、速度及傳熱表面的形狀等因素有關(guān)。令，則：，式中稱為對(duì)流傳熱熱阻。比例系數(shù)稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，單位瓦每平方米開，其與流體46例題：窗玻璃既可透光，還可保溫。當(dāng)沒有空氣流動(dòng)時(shí)，玻璃內(nèi)、外表面都有一層薄薄的空氣。此空氣層厚度約為3.0mm，設(shè)玻璃厚度為0.50cm，面積為0.5㎡。已知空氣的熱導(dǎo)率為，玻璃的熱導(dǎo)率為