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1、热传导现象的宏观规律与微观机理摘要:热传导是个非常重要的物理过程,在生活和生产中有着普遍的应用。 本文从宏观和微观上分析了热传导的宏观规律和微观机理，介绍傅里叶定律，最 后指出了其在生活生活中的应用。关键词：热传导；热量；热传导现象；导热系数The phenomenon of heat conduction of macro-mechanism and micro-mechanism of the lawAbstract： Thermal con due tivity is a very importa nt physical processes in the production of li
2、fe and have widespread application. In this paper, macro-and micro-a nalysis of the heat con duc tion of macro-a nd micro-mecha nism of the law to in troduce the Fouriers law, con cluded that its applica tion to live life.Key words: Thermal conductivity; heat; heat conduction phenomenon; thermalcon
3、duc tivity前言热传导是由于分子热运动强弱程度（即温度）不同所产生的能量传递。当气 体中存在温度梯度时，做杂乱无章运动的气体分子，在空间交换分子对的同时交 换了具有不同热运动平均能量的分子，因而发生能量的迁移。固体和液体中分子 热运动的形式为振动。温度高处分子热运动能量较大，因而振动的振幅大；温度 低处分子振动的振幅小。因为整个固体或液体都是由化学键把所有分子联结而成 的连续介质，一个分子的振动也将导致物体中所有分子的振动，同样局部分子较 大幅度的振动也将使其他分子的平均振幅增加。分子热运动的能量就是这样借助 于相互联接的分子的频繁的振动逐层的传递下去的。1热传导的宏观规律热从物体温度
4、较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做 热传导。热传导是热传递三种基本方式之一。它是固体中热传递的主要方式， 在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与对流同时发生。 热传导实质是由大量物质的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温 部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大。 在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相联系，所以在晶体内 部就发生微粒的振动，动能由动能大的部分向动能小的部分传递。在固体 中热的传导，就是能量的迁移。在金属物质中，因存在大量的自由电子， 在不停地作无规则的
5、热运动。自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作 用。在液体中热传导表现为：液体分子在温度高的区域热运动比较强，由 于液体分子之间存在着相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递， 引起了热传导现象。由于热传导系数小，传导的较慢，它与固体相似，因 而不同于气体；气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞，在气体 内部发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的 现象叫热传导。有关热传导的基本概念1.1.1温度场【2和等温面温度场：某一时刻，物体（或空间）各点的温度分布，有公式（1）（1）t = f (xQ2等温面式中t某点的温度，c；x,y,
6、z 某点的坐标；不稳定温度场：各点的温度随时间而改变的温度 场，有公时间。式（2）t 二 / （x, y, z,9 ）（2）有公式（3）稳定温度场：任一点的温度均不随时间而改变的温度场,图1等温面（3）等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组t- t成的面。不同温度的等温面不相交。（如图1）1.1.2温度梯度【3温度梯度：两等温面的温度差t与其间的垂直 距离n之比，在n趋于零时的极限（即表示温度图2温度梯度与热流方向场内某一点等温面法线方向的温度变化率），有公式（4）。（如图2）. Atdt/、grad t = lim =（4）An T 0 A ndn傅里叶定律1.2.1傅立叶定律傅立叶
7、定律：某一微元的热传导速率（单位时间内传导的热量）与该微元等 温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比，有公式（5）,即d Q 二九.d A 丄（5）d n式中 dQ 热传导速率，W或J/s；dA 导热面积，m2；t/ n 温度梯度，C/m或K/m；导热系数，表征材料导热性能的物性参数，越大，导热性能 越好，W/（mC）或W/（mK）。负号表示热量传递的方向同温度升高的方向相 反。用热通量来表示：q = 峻 二-九学（6）d A8 n一维稳态热传导：d Q =-九d A（7）dx如图3所示，一维导热问题，两个表面均维持均匀温度的平板导热。.根据傅立叶定律，对于x方向上任意一个厚度为dx的微元
8、层，单位时间内通过该层的导热量与当地的温度变化率及平 面积成正比。1.2.2热流量单位时间内通过某一给定面积的热 量称为热流量，记为，单位w。1.2.3热流密度（面积热流量）图3 一维传热示意图位面积的热量称为q，单位 w/ m2o单位时间内通过单热流密度，记为当物体的温度仅在x 方向放生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为：q = - = -X dL(8)Adx说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式( 8)是一维稳态导热时傅立叶定律 的数学表达式。通过分析可知：dt(1 )当温度t沿x方向增加时， 0而q VO,说明此时热量沿x减 小的方向传递；dt(2 )反之，当忑0，说明热量沿x增加的
9、方向传递。(3 )导热系数入表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位： w/mk 。不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。 金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。2.热传导的微观机理5不同材料的导热机构不同。气体传递热能方式是依靠质点间的直接碰撞来传 递热量。固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。金 属有大量自由电子且质量轻，能迅速实现热量传递，因而主要靠自由电子传热， 晶格振动是次要的，入金属较大，在Wm-1K-1 (入 Wm-1K-1的材料，称隔 热材料)；非金属晶体，如一般离子晶体晶格中，自由电子是很少的，因
10、此，晶 格振动是它们的主要导热机构。从微观角度分析气体、液体、导电固体与非金属固体的导热机理。(1) 气体中：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相互碰撞，使热能从高温传到低温处。(2) 导电固体：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。 自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。(3) 非导电固体：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、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。(4) 液体的导热机理：存在两种不同的观点：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撞的影响比气体大；第
11、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、分子在其平衡位 置附近的振动产生的)的作用。3导热系数【1】，6导热系数定义由傅立叶定律给出:(9)物理意义:温度梯度为1时，单位时间内通过单位传热面积的热通量；导热系数在数值 上等于单位温度梯度下的热通量，九越大，导热性能越好。从强化传热来看，选 用 大的材料；相反要削弱传热，选用 小的材料。与相似，是分子微观运动的宏观表现，与分子运动和分子间相互作用力 有关，数值大小取决于物质的结构及组成、温度和压力等因素。各种物质的导热系数可用实验测定。常见物质可查手册。(1)固体纯金属T增大，九减小，纯金属比合金的九大。非金属T增大，九增大
12、，同样温度下，越大，九越大。在一定温度范围内(温度变化不太大)，大多数均质固体九与t呈线形关系,可用下式表示：尢 o(1 + at)(10)式中 九 tC时的导热系数，W/(mC)或W/(mK)；九0 0C时的导热系数，W/(mC)或W/(mK)；a温度系数，对大多数金属材料为负值（a 0）。（ 2 ）液体液体分为金属液体和非金属液体两类，金属液体导热系数较高，后者较低。 而在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油等少量液体物质外，绝大多数液体T增大，九减小（略微）。一 般来说，纯液体的九大于溶液九。（ 3 ）气体气体T增大，九增大。在通常压力范围内，p对九的影响一般不考虑。气体不利用导热
13、，但可用来保温或隔热。固体绝缘材料的导热系数之所以小， 是因为其结构呈纤维状或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空气的缘故。 一般来说，九（金属固体） 九（非金属固体） 九侬体） 九（气体）。九的大概范围： 九（金属固体101102 W/（m K）、九（建筑材料10-11Oo W/（mK）、九（绝缘材 料 10-210-1 W/（mK）、九（液体 10-1 W/（mK）、九（气体 10-210-1 W/（mK）。4.热传导在化工生产中的应用由热力学第二定律可知，凡是有温差的地方就有热量传递。传热不仅是自然 界普遍存在的现象，而且在科学技术、工业生产以及日常生活中都有很重要的地 位，与化学工业的
14、关系尤为密切。工业上有许多以热传导为主的传热过程，如橡 胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。在窑炉、传热设备和热绝缘的设计计算 及催化剂颗粒的温度分布分析中，热传导规律都占有重要地位。在高温高压设备 （如氨合成塔及大型乙烯装置中的废热锅炉等）的设计中，也需用热传导规律来 计算设备各传热间壁内的温度分布，以便进行热应力分析。化工生产中的化学反 应通常是在一定的温度下进行的，为此需向反应物加热到适当的温度；而反应后 的产物常需冷却以移去热量。在其他单元操作中，如蒸馏、吸收、干燥等，物料 都有一定的温度要求，需要加入或输出热量。此外，高温或低温下操作的设备和 管道都要求保温，以便减少它们和外界的传热
15、。近十多年来，随能源价格的不断 上升和对环保要求增加，热量的合理利用和废热的回收越来越得到人们的重视。 化工对传热过程有两方面的要求：（ 1）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行 热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费 用。（ 2）削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保温，以减少热损失。一般来说，传热设备在化工厂设备投资中可占到 40%左右，传热是化工中重要的单元操作之一，了解和掌握传热的基本规律，在化学工程中具有很重要的意义。结论随着科学技术的进步和交叉学科研究的进展，在不远的将来热传导可望取得 较大进展并获得工程应用。依靠物质的分子、原子或电子的运动（包括移动和振 动），使热量从物体的高温部位向低温部位传递的过程，是热量传递的三种基本 方式之一。一切物体，不论其内部有无质点间的相对运动，只要存在温度差，就 有热传导。参考文献：1 顾建中第二次修订，热学教程M.北京：人民教育出版社，1978, 83,9
