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1、第第2章章 导热基本定律及稳态导热导热基本定律及稳态导热气体气体：导热是气体：导热是气体分子不规则热运动分子不规则热运动时相互碰撞的结果，时相互碰撞的结果，温度升高，动能增温度升高，动能增大，不同能量水平大，不同能量水平的分子相互碰撞，的分子相互碰撞，使热能从高温传到使热能从高温传到低温处低温处2.1 2.1 导热基本定律傅里叶定律导热基本定律傅里叶定律2.1.1 2.1.1 导热机理导热机理导电固体导电固体：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
2、主导作用。 非导电固体非导电固体：导热是通过晶格结构的振导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、动所产生的弹性波来实现的，即原子、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。液体的导热机理液体的导热机理：存在两种不同的观点存在两种不同的观点v第一种观点类似于气体，只是复杂些，因第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；撞的影响比气体大；v第二种观点类似于非导电固体，主要依靠第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡弹性波（晶格的振动
3、，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。位置附近的振动产生的）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。 1 1 、概念、概念 温度场是指在各个时刻物体内各点温度温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。分布的总称。 一般地讲，一般地讲，物体的温度分布是坐标和时物体的温度分布是坐标和时间的函数间的函数： 其中其中 为空间坐标，为空间坐标， 为时间坐标。为时间坐标。 2.1.22.1.2、温度场、温度场 （Temperature fieldTemperature field）2 2、温度场分类、温度场分类 1 1）按照时间坐标分类）按照时间坐标分类稳
4、态温度场（定常温度场）稳态温度场（定常温度场） （Steady-state conductionSteady-state conduction） 是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随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温度场，时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式：其表达式：非稳态温度场（非定常温度场）非稳态温度场（非定常温度场） （Transient conductionTransient conduction） 是指在变动工作条件下，物体中各点的温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分布随时间而变化的温度场称非
5、稳态温度场，其表达式：度场，其表达式：2 2）按照空间坐标分类）按照空间坐标分类 一维温度场一维温度场若物体温度仅一个方向有变化，这种情况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。下的温度场称一维温度场。 二维温度场二维温度场 三维温度场三维温度场根据温度场表达式，可分析出导热过程根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非稳态的现象，温度场是几维、稳态或非稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非稳态的。是几维的、稳态的或非稳态的。二维，稳态二维，稳态一维，非稳态一维，非稳态稳态温度场稳态温度场 稳态导热稳态导热(Steady-state conduction）非稳态温度
6、场非稳态温度场 非稳态导热非稳态导热（Transient conduction）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: : 3 3、等温面与等温线、等温面与等温线等温线等温线（isothermsisotherms） 用一个平面与各等温面相交，在这个平面上用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇得到一个等温线簇等温面等温面（isothermal surfaceisothermal surface） 同一时刻、温度场中所有温度相同的点连同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面接起来所构成的面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
7、温面或等温线表示等温面与等温线的特点等温面与等温线的特点：温度不同的等温面或等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在连续的温度场中，等温面或等温线不会中在连续的温度场中，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（曲断，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线），或者就终止与物体的边界上沿等温面（线）无热量传递沿等温面（线）无热量传递 等温线图的物理意义：等温线图的物理意义： 若每条等温线间的温度间隔相等时，等温若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。大小。t t
8、t-tt-tt+tt+t2.1.3 2.1.3 导热基本定律导热基本定律在导热现象中，单位时间内通过给定截面所在导热现象中，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传递的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率，而热量传递的方的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反，即向与温度升高的方向相反，即 数学表达式：数学表达式： （负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反） 用热流密度表示：用热流密度表示： 其中其中 热流密度热流密度( (单位时间内通过单位单位时间内通过单位面积的热流量面积的热流量) ) 物体温度沿物体温度沿
9、 x x 轴方向轴方向的变化率的变化率 当物体的温度是三个坐标的函数时，当物体的温度是三个坐标的函数时，其形其形式为式为: :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是通过该点等温线上的法向单位矢量，指向温法向单位矢量，指向温度升高的方向；度升高的方向； 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 t1 t2 0 x n dt dn t t+dt负号是因为热流密度负号是因为热流密度与温度梯度的方向不与温度梯度的方向不一致而加上一致而加上 傅里叶定律可表述为傅里叶定律可表述为: :系统中任一点的热系统中任一点的热流密度
10、与该点的温度流密度与该点的温度梯度成正比而方向相梯度成正比而方向相反反 注：傅里叶定律只适用于各向同性材料注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：热导率在各个方向是相同的各向同性材料：热导率在各个方向是相同的傅立叶定律的一般形傅立叶定律的一般形式的数学表达式式的数学表达式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 1 1 ）热流线）热流线 定义：热流线是一组与等温线处处定义：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垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。该点的热流密度矢量相切。 2 2 ）热流密度矢量与热流线的关系：）热流密度矢
11、量与热流线的关系： 在整个物体中，热流密度矢量的走向可用热在整个物体中，热流密度矢量的走向可用热流线表示。如图流线表示。如图 2-2 2-2 （ b b ）所示，其特点是相）所示，其特点是相邻两个热流线之间所传递的热流密度矢量处处相邻两个热流线之间所传递的热流密度矢量处处相等，构成一热流通道。等，构成一热流通道。 3 3）热流密度矢量与温度梯度的关系：）热流密度矢量与温度梯度的关系： 温度梯度和热流密度的方向都是在等温面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处，因而温度梯度和热流密度
12、的方向正好相反。反。 t+ttt-t2.1.42.1.4、导热系数、导热系数1 1、定义、定义傅利叶定律给出了导热系数的定义傅利叶定律给出了导热系数的定义 : :w/m 导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位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。时间内单位面积的热量。导热系数是物性参数，它与物质结构和状态密切导热系数是物性参数，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、相关，例如物质的种类、材料成分、温度、 湿度、湿度、压力、密度等，与物质几何形状无关。压力、密度等，与物质几何形状无关。它反映了物质微观粒子传递热量的特性。它反映了物质微观粒子传递
13、热量的特性。 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：同一种物质的导热系数也会同一种物质的导热系数也会因其状态参数的不同而改变，因其状态参数的不同而改变，因而导热系数是物质温度和因而导热系数是物质温度和压力的函数。压力的函数。 一般把导热系数仅仅视为温一般把导热系数仅仅视为温度的函数，而且在一定温度度的函数，而且在一定温度范围还可以用一种线性关系范围还可以用一种线性关系来描述来描述 273K273K时物质的导热系数时物质的导热系数导热系数的确定导热系数的确定工程计算采用的各种物质的导热系数的工程计算采用的各种物质的导热系数的数值都是用专门实验测定出来的。数值都是用专
14、门实验测定出来的。测量方法包括稳态测量方法和非稳态测测量方法包括稳态测量方法和非稳态测量方法。量方法。物质的导热系数值可以查阅相关文献。物质的导热系数值可以查阅相关文献。2 2 、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。把导热系数小的材料称保温材料。我国规定：我国规定：t350t350时，时， 0.12w/mk0.12w/mk 保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保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，生产及节能的温材料的生产及节能的水平。越小，生产及节能的水平越高水平越高。 我国我国5050年代年代 0
15、.23W/mk 0.23W/mk 80 80年代年代 GB4272-84 0.14w/mk GB4272-84 0.14w/mk 90 90年代年代 GB427-92 0.12w/mk GB427-92 0.12w/mk 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：（ 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 超级保温材料超级保温材料
16、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（减少通过导热而造成热损失）热损失） （ 2 2 ）采用多层间隔结构采用多层间隔结构（ 1cm 1cm 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： 1010-4-4w/mkw/mk 1 1、均匀、各向同性的导热材料、均匀、各向同性的导热材料2 2、均匀、各向异性材料、均匀、各向异性材料 指有些材料（木材，石墨）各向结指有些材料（木材，石墨）各向结构不同，各方向上的导热系数也有较大差构不同，各方向上的导热系数也有较大差别，这些材料称各向异性材料。此类材料别，这些材料称各向异性材料。此类材料 必须注明方向。相反，称各向同性材料。必须注明方向。相反，称各向同性材料。2.1.5 2.1.5 工程导热材料的一般分类工程导热材料的一般分类 3 3、不均匀、各向同性的导热材料、不均匀、各向同性的导热材料 如空心砖如空心砖4 4、不均匀、各向异性材料、不均匀、各向异性材料 木材压制成的多层板木材压制
