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1、导热的理论基础演示文稿导热的理论基础演示文稿1页，共76页，星期一。优选导热的理论基础优选导热的理论基础2页，共76页，星期一。2-1 2-1 基本概念和导热基本定律基本概念和导热基本定律一、温度场和温度梯度一、温度场和温度梯度1、温度场概念、温度场概念 指在某一瞬间物体内各点温度分布的指在某一瞬间物体内各点温度分布的总称。由傅立叶定律知，总称。由傅立叶定律知，物体的温度分布物体的温度分布是坐标和时间的函数是坐标和时间的函数： 其中其中 为空间坐标，为空间坐标， 为时间坐标。为时间坐标。 3页，共76页，星期一。2 2、温度场分类、温度场分类 1 1）稳态温度场）稳态温度场( (Steady-
2、state conduction) ) 是指在稳态条件下物体各点的温度分布是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式：温度场，其表达式：4页，共76页，星期一。2 2）非稳态温度场）非稳态温度场（Transient conduction）是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式：其表达式：若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。温度场称一
3、维温度场。 5页，共76页，星期一。稳态温度场稳态温度场 稳态导热稳态导热非稳态温度场非稳态温度场 非稳态导热非稳态导热三维稳态温度场：三维稳态温度场：一维稳态温度场一维稳态温度场: : 6页，共76页，星期一。3、等温面与等温线、等温面与等温线v等温线：等温线：用一个平面与各用一个平面与各等温面相交，在这个平面等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇上得到一个等温线簇v等温面：等温面：同一时刻、温度场同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起中所有温度相同的点连接起来所构成的面来所构成的面7页，共76页，星期一。等温面与等温线的特点：等温面与等温线的特点：v(1) (1) 温度不同的等温面或等
4、温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交v(2) (2) 在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上终止与物体的边界上v物体的温度场通常用等温面或等温线表示物体的温度场通常用等温面或等温线表示v(3) (3) 沿等温线无热流变化沿等温线无热流变化8页，共76页，星期一。v等温线图的物理意义：等温线图的物理意义：v若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密疏密可可反映出不同区域反映出不同区域导
5、热热流密度的大小导热热流密度的大小。如图所示是用。如图所示是用等温线图表示温度场的实例。等温线图表示温度场的实例。t tt-tt-tt+tt+t9页，共76页，星期一。10页，共76页，星期一。4、温度梯度、温度梯度（TemperatureGradient）等温面上没有温差，不会有热传递。等温面上没有温差，不会有热传递。不同的等温面之间，有温差，有不同的等温面之间，有温差，有导热导热温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量。温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量。11页，共76页，星期一。 系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度梯
6、度，记为gradt。 两相邻等温面之间以法线方向热量交换最显著两相邻等温面之间以法线方向热量交换最显著温度梯度是向量温度梯度是向量(矢量矢量)；正向朝着温度增加的方向；正向朝着温度增加的方向12页，共76页，星期一。5、热流密度矢量、热流密度矢量（Heatflux）热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量 温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的法线方向。由于热流是从高温处流向低温处，因而温度梯度和热流密度的方向正好相反。 t+ttt-t13页，共76页，星期一。二、导热基本定律二、导热基本定律傅里叶定律傅里叶定律 18221822年，傅里叶年，傅里叶
7、(J.Fourier)(J.Fourier)在固体导热实验的基在固体导热实验的基础上，发现了导热热流密度矢量与温度梯度间的变化础上，发现了导热热流密度矢量与温度梯度间的变化规律：规律：在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率（温度梯度），而热量传递的方向与温度升高的方向相反。 傅里叶定律的文字表达式傅里叶定律的文字表达式14页，共76页，星期一。15页，共76页，星期一。数学表达数学表达形式为形式为: :是空间某点的温度梯度；是空间某点的温度梯度； 是通过该点等温线上的法向单是通过该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；位矢量，指向温度升
8、高的方向； 是该处的热流密度矢量。是该处的热流密度矢量。 t1 t2 0 x n dt dn t t+dt负号是因为热流密度与温度负号是因为热流密度与温度梯度的方向不一致而加上梯度的方向不一致而加上 16页，共76页，星期一。适用条件：适用条件：v各向同性、均质材料；v固液气三相；v不适用于深冷或高热流密度情况。矢量：热流密度垂直于等温面，且向着温度降低的方向。导热系数可定义为在数值上等于单位温度梯度下的热流密度。 17页，共76页，星期一。温度梯度与热流密度矢量的关系温度梯度与热流密度矢量的关系表表示示了了微微元元面面积积dA附附近近的的温温度度分分布布及及垂垂直直于于该该微微元元面面积积的
9、的热流密度矢量的关系。热流密度矢量的关系。1 1）热流线）热流线 定义：热流线是一组与等温线处处垂定义：热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。的热流密度矢量相切。表示热流方向表示热流方向 18页，共76页，星期一。2 2）热流密度矢量与热流线的关系：）热流密度矢量与热流线的关系： 在整个物体中，热流在整个物体中，热流密度矢量的走向可用热流密度矢量的走向可用热流线表示。如图示，其特点线表示。如图示，其特点是相邻两个热流线之间所是相邻两个热流线之间所传递的热流密度矢量处处传递的热流密度矢量处处相等，构成一热流通
10、道。相等，构成一热流通道。 19页，共76页，星期一。1 1、定义、定义：由傅里叶定律的定义给出：由傅里叶定律的定义给出W/m导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位时导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位时间内单位面积的热量。间内单位面积的热量。导热系数是导热系数是物性参数物性参数，它与物质结构和状态密切相关，它与物质结构和状态密切相关，例如物质的种类、材料成分、温度、例如物质的种类、材料成分、温度、 湿度、压力、湿度、压力、密度等，与物质几何形状无关。密度等，与物质几何形状无关。它反映了它反映了物质物质( (体体) )导热能力的大小导热能力的大小，是，是材料固有的热物材料固有的热物理
11、性质理性质。 2-2 2-2 物质的导热特性物质的导热特性 20页，共76页，星期一。v状态、成分和结构状态、成分和结构三种相态导热机理不同三种相态导热机理不同v固体：金属固体：金属自由电子；非金属自由电子；非金属晶格结构振动晶格结构振动v气体：分子不规则运动气体：分子不规则运动v液体：介于二者之间液体：介于二者之间2 2、影响导热系数大小因素、影响导热系数大小因素21页，共76页，星期一。物体的导热机理气体气体：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能
12、从高温传到低温处。相互碰撞，使热能从高温传到低温处。 22页，共76页，星期一。v导电固体导电固体：其中有许多自由电子，它们在其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。的运动在导电固体的导热中起主导作用。 23页，共76页，星期一。v非非导导电电固固体体：导导热热是是通通过过晶晶格格结结构构的的振振动动所所产产生生的的弹弹性性波波来来实实现现的的，即即原原子子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。分子在其平衡位置附近的振动来实现的。24页，共76页，星期一。液体的导热机理液体的导热机理：存在两种不同的观
13、点存在两种不同的观点v第第一一种种观观点点类类似似于于气气体体，只只是是复复杂杂些些，因因液液体体分分子子的的间间距距较较近近，分分子子间间的的作作用用力力对对碰碰撞撞的的影响比气体大；影响比气体大；v第第二二种种观观点点类类似似于于非非导导电电固固体体，主主要要依依靠靠弹弹性性波波（晶晶格格的的振振动动，原原子子、分分子子在在其其平平衡衡位位置置附近的振动产生的）的作用。附近的振动产生的）的作用。 说明：只研究导热现象的宏观规律。说明：只研究导热现象的宏观规律。 25页，共76页，星期一。不同物质的导热性能不同：不同物质的导热性能不同：0 0C C时：时：氢气 0.175W/(m.K) 空气
14、0.024W/(m.K)26页，共76页，星期一。v密度密度多孔、纤维状材料、岩棉、矿渣棉、玻璃棉、多孔、纤维状材料、岩棉、矿渣棉、玻璃棉、微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩等微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩等表观热导率：视热导率表观热导率：视热导率隔热材料（保温、绝热材料）多孔性介质，含隔热材料（保温、绝热材料）多孔性介质，含有热导率较小的空气：如真空、氮气隔热油管有热导率较小的空气：如真空、氮气隔热油管2 2、影响导热系数大小因素、影响导热系数大小因素27页，共76页，星期一。保温材料（隔热、绝热材料）保温材料（隔热、绝热材料）把导热系数小的材料称保温材料。现行国家标准把导热系数小的材料称保温材料。现行国家标准
15、（GB/T4272-2008）规定：）规定：在平均温度为在平均温度为298K时，时，0.08W/(mK)保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保温材料的生产保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保温材料的生产及节能的水平。越小，生产及节能的水平越高。及节能的水平。越小，生产及节能的水平越高。我国我国50年代年代0.23W/(mK)80年代年代GB4272-840.14W/(mK)90年代年代GB427-920.12W/(mK)目前目前GB/T4272-20080.08W/(mK)28页，共76页，星期一。保温材料热量转移机理保温材料热量转移机理(高效保温材料高效保温材料)高温时：高温时
16、： （1 1）蜂窝固体结构的导热）蜂窝固体结构的导热 （2 2）穿过微小气孔的导热）穿过微小气孔的导热 更高温度时：更高温度时： （1 1）蜂窝固体结构的导热）蜂窝固体结构的导热 （2 2）穿过微小气孔的导热和辐射）穿过微小气孔的导热和辐射 29页，共76页，星期一。超级保温材料超级保温材料采取的方法：采取的方法：（1 1）夹层中抽真空夹层中抽真空（减少通过导热而造成热（减少通过导热而造成热损失）损失） （2 2）采用多层间隔结构采用多层间隔结构（1cm1cm达十几层）达十几层） 特点：特点：间隔材料的反射率很高，减少辐间隔材料的反射率很高，减少辐射换热，垂直于隔热板上的导热系数可达：射换热，垂直于隔热板上的导热系数可达： 10-4W/(m.K)30页，共76页，星期一。同同一一种种物物质质的的导导热热系系数数也也会会因因其其状状态态参参数数的的不不同同而而改改变变，因因而而导导热热系系数数是是物物质质温温度度和和压压力力的函数。的函数。一一般般把把导导热热系系数数仅仅仅仅视视为为温温度度的的函函数数，而而且且在在一一定定温温度度范范围围还还可可以以用用一一种种线线性性关关系系来描述来
