8-熱量傳遞方式和能量方程課件

CHE34200T：傳遞過程原理（8）2012年4月2Let’sgoforanothersightseeing—theheattransferjourney…Comeon!

35熱量傳遞（I）:

一般控制方程和導(dǎo)熱問題（參見5、6章）[目的]1掌握熱量傳遞的三種形式及其物理方程2了解能量方程的物理意義和適用條件，可以針對具體問題對一般控制方程進(jìn)行簡化。3掌握簡單導(dǎo)熱問題（定態(tài)、一維）控制方程的簡化、求解和計算方法。4熱量傳遞的應(yīng)用示例55.1熱量傳遞常見的三種宏觀機(jī)制

傳導(dǎo)（conductionorheatdiffusion）：溫差驅(qū)動力或溫度梯度作用產(chǎn)生的熱量傳遞。對流（convection）：流體運(yùn)動所致質(zhì)量遷移產(chǎn)生的熱量傳遞。輻射（radiation）：溫度差所致電磁波在空間的傳遞。本課不討論。6傳熱方式：傳導(dǎo)、對流、輻射7一、熱傳導(dǎo)熱量不依靠宏觀混合運(yùn)動而從物體的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的過程；借助于物體分子、原子、離子、自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動產(chǎn)生的熱量傳遞，簡稱導(dǎo)熱；導(dǎo)熱在氣體、液體和固體中均能發(fā)生；導(dǎo)熱的推動力：溫度差。8

描述導(dǎo)熱現(xiàn)象的物理定律為傅立葉定律（FourierLaw），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為導(dǎo)熱通量熱通量與溫度梯度方反熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)溫度梯度W/m2一、熱傳導(dǎo)9W/(m.oC）

熱導(dǎo)率單位溫度梯度下的熱通量。

表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力的大小，是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度及壓力有關(guān)。

來源：手冊，附錄。一、熱傳導(dǎo)10介質(zhì)熱導(dǎo)率，W/(m.oC)

氣體

0.006～0.06液體0.1～0.7非導(dǎo)電固體0.2～3.0金屬15～420絕熱材料

0.003～0.06一、熱傳導(dǎo)11研究生面試問題：金屬和木頭的冷暖。12氣體中：導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動時相互碰撞的結(jié)果，溫度升高，動能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使熱能從高溫傳到低溫處。

熱量傳導(dǎo)（擴(kuò)散）的微觀機(jī)制13導(dǎo)電固體：其中有許多自由電子，它們在晶格之間像氣體分子那樣運(yùn)動。自由電子的晶格運(yùn)動在導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱中起主導(dǎo)作用。非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動所產(chǎn)生的彈性波來實現(xiàn)的，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的。熱量傳導(dǎo)（擴(kuò)散）的微觀機(jī)制14液體的導(dǎo)熱機(jī)理：存在兩種不同的觀點：第一種觀點類似于氣體，但因液體分子的間距較近，分子間的作用力對碰撞的影響比氣體大；第二種觀點類似于非導(dǎo)電固體，主要依靠彈性波（晶格的振動，原子、分子在其平衡位置附近的振動產(chǎn)生的）的作用。

熱量傳導(dǎo)（擴(kuò)散）的微觀機(jī)制15（1）氣體的熱導(dǎo)率氣體無關(guān)（極高、極低壓力除外）～～常壓氣體混合物組分i的摩爾分?jǐn)?shù)組分i的摩爾質(zhì)量一、熱傳導(dǎo)16（2）液體的熱導(dǎo)率金屬液體的熱導(dǎo)率比一般的液體要高。純液體的熱導(dǎo)率比其溶液的要大。液體～～無關(guān)除水和甘油外一、熱傳導(dǎo)173.固體的熱導(dǎo)率純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與電導(dǎo)率的關(guān)系可用魏德曼（Wiedeman）-弗蘭茲（Franz）方程描述良好的電導(dǎo)體必然是良好的導(dǎo)熱體，反之亦然。熱導(dǎo)率電導(dǎo)率洛倫茲(Lorvenz)數(shù)一、熱傳導(dǎo)18大多數(shù)均質(zhì)固體，熱導(dǎo)率與溫度近似呈線性：大多數(shù)金屬材料，<0大多數(shù)非金屬材料，>00oC時的導(dǎo)熱系數(shù)溫度系數(shù)注意k一般為平均導(dǎo)熱系數(shù)。若沿各方向的導(dǎo)熱系數(shù)相等—多維導(dǎo)熱同性。一、熱傳導(dǎo)19

對流傳熱是由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點發(fā)生宏觀運(yùn)動和混合而引起的熱量傳遞過程，因而對流傳熱只能發(fā)生在流體內(nèi)部。

對流傳熱強(qiáng)制對流傳熱自然對流傳熱—外力作用引起；—流體的密度差引起。二、對流傳熱20本課程研究的對流傳遞包括：①運(yùn)動流體與固體壁面之間的熱量傳遞；②兩個不互溶流體在界面的熱量傳遞。二、對流傳熱t(yī)ftsts＞tf流向液體↓tl↑氣體tg21

對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述，即：對流傳熱通量對流傳熱系數(shù)或膜系數(shù)流體與壁面間溫度差W/m2二、對流傳熱22

因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射與熱傳導(dǎo)和對流傳熱的最大區(qū)別就在于它可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)。

描述熱輻射的基本定律是斯蒂芬(Stefan)-玻爾茲曼(Boltzmann)定律：三、輻射傳熱重點：三種傳熱方式、描述定律及其表達(dá)式熱傳導(dǎo)

傅立葉定律對流傳熱牛頓冷卻定律輻射傳熱斯蒂芬-玻爾茲曼定律23245.1熱量傳遞的控制方程：能量方程

5.1.1能量方程導(dǎo)出?依據(jù)的原理：熱力學(xué)第一定律--能量守恒原理。動能+勢能：機(jī)械能內(nèi)能：熱力學(xué)能255.2熱量傳遞的控制方程：能量方程?導(dǎo)出（建模）方法：拉格朗日法：流體微元運(yùn)動時與所經(jīng)過位置的流體之間無相對速度，故無動能的變化，同時亦無位能的變化。對應(yīng)的微分平衡關(guān)系

（微元內(nèi)能增長速率）=（受加熱速率）+（表面應(yīng)力作功的功率）[速率，J/s=W]265.2.1能量方程導(dǎo)出

隨體導(dǎo)數(shù)表達(dá)式

（一）加熱速率（右第1項何來？事件）A）來自環(huán)境的導(dǎo)熱速率B）發(fā)熱速率（如放熱反應(yīng)）：C）輻射（此處不考慮）275.2.1能量方程導(dǎo)出

●導(dǎo)熱（熱擴(kuò)散）速率

285.2.1能量方程導(dǎo)出

也即（代入傅立葉定律）

同理在y，z方向為

295.2.1能量方程導(dǎo)出

所以加熱速率為導(dǎo)熱和發(fā)熱速率之和

（二）表面應(yīng)力作功速率（右第2項何來）A）膨脹或壓縮（壓力所產(chǎn)生的功率）305.2.1能量方程導(dǎo)出B）粘性摩擦耗散熱

（粘性力所產(chǎn)生的功率）

所以表面應(yīng)力對流體的作功速率315.2.1能量方程導(dǎo)出

將以上關(guān)系代入微分平衡關(guān)系得能量方程---對流傳熱控制方程325.2.2能量方程簡化或特定形式(一)不可壓縮流體對流傳熱335.2.2能量方程簡化（二）固體中的導(dǎo)熱34有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)無內(nèi)熱源，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱拉普拉斯方程泊松方程無內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)傅立葉第二定律固體導(dǎo)熱微分方程的一般形式小結(jié)熱量傳遞方式能量方程推導(dǎo)能量方程簡化固體中的導(dǎo)熱方程3536作業(yè)：136頁：第1題。選做題：4提問與解答環(huán)節(jié)QuestionsAndAnswers謝謝聆聽·學(xué)習(xí)