传热原理

热力学概论

下面是一些基本传热概念的简要概述。为了了解更多信息，我们鼓励读者查阅原始出版物和引用的网站。

热力学第一和第二定律

热力学第一定律涉及到能量守恒。它指出-在一个封闭的系统中没有其他能量物质可以进入或离开-能量既不能被创造也不能被摧毁。^1、2虽然能量不能被创造或消灭，但它可以作为其他形式的能量转移到工作中。

热能的传递服从热力学第二定律。^3.第二定律(同样适用于封闭系统)说，对于自发过程，熵会净增加⁴(即，存在于系统中的无序程度的度量⁵）.

描述第二定律的三个替代但等价的方法是:

热从热的物体自发地流向冷的物体。(例如:热微处理器或激光二极管是通过流入散热器或冷板的热量冷却的。)

把热完全转化为有用的功是不可能的。(例如:在内燃机中，一定的热量成分必须在不做功的情况下排出。)

每个孤立的系统在时间上都是无序的。例:在传导过程中，当热体和冷体第一次相互接触时，系统是某种有序的。热分子比冷分子运动得快。但是，一旦整个系统达到一个均匀的温度，这个顺序就失去了。)

用数学术语表示，上述任何一种表述都意味着其他两种。⁶

热力学第一和第二定律支配着传热的各种模式:传导、对流和辐射。

传热方式

传导

在传导过程中，热量从温度较高的区域流向温度较低的区域。这发生在固体、液体或气体介质中，或在相互直接物理接触的不同介质之间。⁷“运动能量在相邻分子之间的传递传导热量。在气体中，“更热”的分子有更大的能量和运动，并将能量传递给相邻的低能级分子。这种类型的转移在所有存在温度梯度的固体、气体或液体中都在某种程度上发生。在传导过程中，能量也可以通过“自由”电子传递，这在金属固体中是很重要的。⁸传导的例子是通过冷板表面或冰箱壁面的传热。

对流

在对流中，热传导、能量储存和混合运动的共同作用作用于能量的输送。对流作为固体表面与液体或气体之间的能量传递机制是最重要的。9"In forced-convection heat transfer, a pump, fan, or other mechanism forces a fluid to flow past a solid surface. In natural or free convection, warmer or cooler fluid next to the solid surface causes a circulation because of density differences resulting from the temperature differences in the fluid."¹⁰自由对流的一个例子是热量通过热交换器的翅片散失到周围空气中。如果使用风扇使空气在热交换器翅片上方循环，这就成为强制对流的一个例子。

辐射

在辐射中，热流从温度较高的物体流向温度较低的物体，当物体在空间中分离时，甚至穿过真空。¹¹“支配光的传输的定律，同样也支配热的传输。固体和液体倾向于吸收通过它们传输的辐射，因此辐射主要在通过空间或气体传输时很重要。”¹²

辐射的例子包括从太阳到地球的热量传递，以及从石英灯到需要加热的凉爽物体的热量传递。

传热的数学表示与计算

傅里叶方程

法国科学家J.B.J.傅里叶在1822年提出了热传导的基本关系，他说:

一种材料通过传导产生的热流速率qk等于下列三个量的乘积:

• k—材料的热导率
• 一个-垂直于热流方向测量的热流通过的截面面积
• dT / dx—截面上的温度梯度，即温度T相对于热流方向差x的变化率。

热传导方程的数学形式需要符号约定;即距离x增加的方向为热流正方向。根据热力学第二定律，热量会自动从温度较高的点流向温度较低的点。因此，当温度梯度为负时，热流为正。一维稳态电导的基本方程为:q_k= - ka (dT / dx)”¹³．

热导率

热导率是对给定材料传热速率的测量。¹⁴“物质的热导率是通过直径为1厘米、截面为1平方厘米的物体的热量(单位:秒)。当身体冷热侧的温差为1℃时，体温会升高1℃。¹⁵这种内在特性与材料的大小、形状或取向无关。

热阻

热阻是热导率的倒数，表明一种材料如何抑制热的传导。¹⁶导热系数高的材料热阻低，隔热性能差(如铜、铝)。反之，导热系数低的材料耐热性高，隔热性能好(如玻璃纤维绝缘、软木板)。¹⁷

引用:

¹https://www.chemistry.ohio-state.edu/伍德沃德/ ch121 / ch5_law.html。

² https://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node78.html。

^3.同前。

⁴http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html。

⁵微软电子词典世界英语词典，圣马丁出版社，1999，第596页。

⁶德索戈，米克萨，同上。

⁷de Sorgo, Miksa，“理解相变材料”，电子冷却杂志，2002年5月

⁸http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html。

⁹《热传导原理》，第二版，科罗拉多大学国际教材公司，第1章，第6页。

¹⁰运输过程和单元操作，第三版，Christie Geankopolis，明尼苏达大学。《学徒堂》，第四章，第215页。

¹¹《热传导原理》，第二版，科罗拉多大学国际教材公司，第8页。

¹²运输过程和单元操作，第三版，Christie Geankopolis，明尼苏达大学。Prentice Hall，第四章，第216页。

¹³《热传导原理》，第二版，科罗拉多大学国际教材公司，第7页。

¹⁴运输过程和单元操作，第三版，Christie Geankopolis，明尼苏达大学。Prentice Hall，第四章，第216页。

¹⁵《热传导原理》，第二版，科罗拉多大学国际教材公司，第9页。

¹⁶运输过程和单元操作，第三版，Christie Geankopolis，明尼苏达大学。Prentice Hall，第四章，第216页。

¹⁷ http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html。

¹⁸http://www.lib.umich.edu/dentlib/dental_tables/thermcond.html。

¹⁹http://www.xrefer.com/entry/619844。

^20. http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html。