第6章__热量传递概论与能量方程

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1、第六章热量传递概论与能量方程热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的地方，就必然有热量传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热。热量传递可以其中一种方式进行，也可以两种或三种方式同时进行。在进行热量传递过程中，有时还会出现其他形式的能量。依据热力学第一定律，建立的微分能量衡算方程称为能量方程，是描述能量衡算普遍规律的方程。本章首先对三种基本传热方式作一扼要论述，然后推导出能量方程并讨论其在特定情况下的表达形式。第一节

2、热量传递的基本方式一、热传导(导热)热量依靠物体内部粒子的微观运动而不依靠宏观混合运动从物体中的高温区向低温区移动的过程称为热传导，简称导热。(一)Fourier定律描述导热现象的物理定律为傅立叶定律，即式中：q—导热速率；A—与导热方向垂直的传热面（等温面）面积；k—物质的热导率；—温度梯度。“-”表示热通量的方向与温度梯度的方向相反，亦即热量朝向温度降低的方向传递。热导率k是物性，为温度的函数，仅在很高或很低压力下气体的热导率才与压力有关。(二)热导率导热在固体、液体和气体中都可以发生，但它

3、们的导热机理各有所不同。气体导热是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果。温度代表着分子的动能，高温区的分子运动速度比低温区的大，能量高的分子与能量低的分子相互碰撞，热量就由高温处传到低温处。假定有一停滞的气体(u=0)，单位体积中气体的分子数为n，气体分子是质量为m、直径为d、刚性且相补相吸的小球，则当温度、压力和速度梯度很小时，有(1)分子平均随机速度(2)单位面积器壁的碰撞频率(3)平均自由程(4)分子碰撞之间的距离在y方向上的分量(5)单个分子平移动能假定式(6-2)～式(6-6)在非等

4、温情况下依然成立，且在若干个平均自由程的距离内温度分布是线性的，则通过任一y平面的热通量为将式(6-2)及式(6-8)代入式(6-7)，得式(6-9)与式(6-1)比较，可得将式(6-2)及式(6-4)代入式(6-10)，得式(6-11)只适用于单原子气体。该式表明，气体的热导率与压力无关，与绝对温度的1/2次方成正比。对于低密度的多原子气体，其热导率的半经验公式为式中cp为气体的定压热容，R为气体常数，M为气体的摩尔质量，μ为气体的动力黏度。液体导热的机理与气体类似，但由于液体分子间距较小，分

5、子力场对分子碰撞过程中的能量交换影响很大，固变得更加复杂。液体导热率主要借助于经验公式和实验测量。固体以两种方式传导热能：自由电子的迁移和晶格振动。对于电的良导体，较高浓度的自由电子的流动将热量由高温区快速移向低温区。当金属中含有杂质时，例如合金，由于电子浓度降低，其导热性能会大大降低。在非导电的固体中，热量是通过晶格结构的振动传递的。纯金属的热导率与电导率之间的关系为该式称为Wiedemann-Lorenz方程。式中ke为电导率，T为绝对温度，L为Lorenz数。二、对流传热对流传热是指由于流

6、体的宏观运动，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流传热只能发生在有流体流动的场合，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而对流传热必然伴随着导热现象。工程上，固体壁面与其邻近的运动流体之间的热交换过程，称为对流传热。对流传热可以由强制对流引起，亦可由自然对流引起。强制对流是将外力(泵或搅拌器)施加与流体上，从而促使流体微团发生运动。自然对流是由于流体内部存在温度差而形成流体的密度差，从而使流体微团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的循环运动。对流

7、传热速率可由牛顿冷却定律表述，即q—对流传热速率；A—与传热方向垂直的传热面面积；Δt—固体壁面与流体主体之间的温度差；h—对流传热系数，或称膜系数。式(6-13)亦为h的定义式。有相变的冷凝传热和沸腾传热的机理与强制对流、自然对流有所不同，但通常将其划入对流传热范围。当然，由于上述两个传热过程伴有相的变化，在气液两相界面处产生剧烈的扰动，故其对流传热系数要比无相变时高得多。三、辐射传热由于温度差而产生的电磁波在空间的传热过程称为辐射传热简称热辐射。导热和对流传热需在介质中进行，而热辐射无需任何

8、介质，只要物体的绝对温度高于绝对零度，它就可以电磁波的形式向空间发射能量(热辐射线)。热辐射线投射到较低温度的物体表面时，将部分地被吸收而转变为热能。描述热辐射的基本定律Stefan-Boltzmann定律:理想辐射体(黑体)向外发射能量的速率与物体热力学温度的4次方成正比。即q/A—黑体的发射能力；σ0—黑体的辐射常数(Stefan-Boltzmann常数)，5.67×10-8W/(m2·K4)T—黑体表面的绝对温度；A—黑体的表面积式(6-14)适用于绝对黑体的热辐射。两无限大黑体间的辐射传