热传递的三种方式 四种热传导方式是什么


热传学是一探究热量传递过程的规律科学的深度学科。

温度的传递,是由于物体内部或物体之间的温差引起的自然现象。依据热力学的第二法则,无外部功的加入下,热量总会自发地从温度较高的区域流至温度较低的区域。这个过程,符合能量的恒定定律,即热力学第一定律。

热能的传播拥有三种基础模式:热传导、热对流和热辐射。以下将逐一介绍这三种方式。

热传导

当物体各部分之间存在温差,或者两种不同温度的物体直接接触时,依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动所进行的热量传递现象,被称作热传导。

热传导的基本公式由傅立叶定律描述:在单位时间内,通过热传导方式传递的热量与垂直于热流方向的截面积成比例关系,并与温度梯度呈正相关。这里的负号代表导热方向与温度梯度的方向相反。

其中,热导率是材料固有的物理特性,它反映了材料的导热能力。导热系数越大,说明材料的导热性能越强。

热传导的特点包括:

  • 必须存在温差
  • 物体必须直接接触
  • 依赖微观粒子如分子、原子的热运动
  • 不涉及宏观的相对位移(例如,摩擦生热并不属于热传导)

热对流

在流体(如液体或气体)中,由于各部分温度差异而发生的宏观运动所导致的热量传递现象,被称作热对流。

在工程实践中,常见的为对流换热,即流动的流体与温度不同的固面接触时的热量交换过程。这实际上是热传导与热对流同时存在的复杂热传递过程。

对流换热的计算公式基于牛顿冷却定律。

对流换热系数与传热过程中的多种因素相关,包括物体的物理性质、换热表面的形状、大小和相对位置,以及流体的流速等。在对流分析中,通常需要采用理论分析或实验方法来推算出物体表面的对流换热系数。

热对流的特点有:

  • 必须直接接触(流体与壁面)
  • 必须存在温差
  • 必须有宏观的相对位移

热辐射

物体通过电磁波进行热量传递的方式被定义为热辐射。

物体的辐射热流率可根据斯特藩-玻尔兹曼定律进行计算。

热辐射的特点如下:

  • 不需要任何的接触或介质
  • 辐射换热过程伴随着能量形式的转换,从热能转变为辐射能,再转变为热能。
  • 无论物体的温度高低,都会相互辐射能量。