清华大学传热学课件-传热学-1.ppt

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1、§1-1导热的基本概念及傅立叶定律第一章导热的理论基础一、温度场（Temperaturefield）●某时刻空间所有各点温度分布的总称温度场是时间和空间的函数，即：（Steady-stateconduction）（Transientconduction）二、等温面与等温线(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交●等温面：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●等温线：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等温面与等温线的特点：(2)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

2、），或者就终止与物体的边界上物体的温度场通常用等温面或等温线表示等温面上没有温差，不会有热传递三、温度梯度（Temperaturegradient）不同的等温面之间，有温差，有导热温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限，gradt直角坐标系：（Cartesiancoordinates）注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向四、热流密度矢量热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量；直角坐标系中：热流密度矢量：等温面上某点，以通过该点处最大热流密度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度不同方向上的热流密度的大

3、小不同（Heatflux）五、傅里叶定律（Fourier’slaw）1822年，法国数学家傅里叶在实验研究基础上，通过理论分析和总结发现导热基本规律——傅里叶定律导热基本定律：垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反热导率（导热系数）直角坐标系中：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（Thermalconductivity）有些天然和人造材料，如：石英、木材、叠层塑料板、叠层金属板，其导热系数随方向而变化——各向异性材料各向异性材料中：傅里叶定律只适用于稳态及弱瞬态热过程傅立叶定

4、律的建立隐含了一个假设：在物体内热扰动的传播速率无限大，即：在任何瞬间，温度梯度和热流密度都是相互对应的傅里叶定律的适用条件对于大多数工程实践问题（稳态及弱瞬态热过程），这个假设已经可以得出足够精确的解。但是，对于快速的瞬态热过程，这个条件不能满足——非傅里叶效应或者说：与热的扰动相对应，热流矢量和温度梯度的建立是不需时间的§1-2热导率（Thermalconductivity）热导率的数值就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量—物质的重要热物性参数影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等热导率的数值

5、表征物质导热能力大小。实验测定不同物质热导率的差异：构造差别、导热机理不同1、气体的热导率气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递气体分子运动理论：常温常压下气体热导率可表示为：除非压力很低或很高，在2.67*10-3MPa~2.0*103MPa范围内，气体的热导率基本不随压力变化：气体分子运动的均方根速度气体的温度升高时：气体分子运动速度和定容比热随T升高而增大。气体的热导率随温度升高而增大：气体分子在两次碰撞间平均自由行程：气体的密度；：气体的定容比热气体的压力升高时：气体的密度增大、平均自由行程减小、而两者的乘积保持不变

6、。混合气体热导率不能用部分求和的方法计算；只能靠实验测定分子质量小的气体（H2、He）热导率较大—分子运动速度高2、固体的热导率纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要依靠前者(1)金属的热导率：晶体结构的“小球”模型虽然很直观，但仍然不便于表述晶体内部原子排列顺序规律的细节。金属材料通常都是晶体材料。金属的晶体结构指的是金属材料内部原子排列的规律。它决定着材料的显微组织和材料的宏观性能晶体里面的原子（或）离子都是在它的平衡位置上不停地振动着，但在讨论晶体结构时可以假设它们是一些静止不动的小球。各种晶体结构就可以看成是这些小球按一

7、些几何方式紧密排列堆积而成的。—晶格振动的加强干扰自由电子运动金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：声子：晶格振动的能量是量子化的。我们把晶格振动的能量子称为声子，它是一定频率的热弹性波形式的能量子。声子类似于电磁辐射理论中的光子晶格：用于描述原子在晶体中排列的三维空间周期性几何点阵，即所谓晶格。可以把原子看成是一个集合质点，把原子之间的相互作用假想为几何直线；晶体的结构就可以直接用几何学来讨论合金：金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性，干扰自由电子的运动金属的加工过程也会造成晶格的缺陷合金的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要

8、依靠后者温度升高、晶格振动加强、导热增强如：常温下：（黄铜：70%Cu，30%Zn）非金属的导热：依靠晶格的振动传递热量；比较小建筑和隔热保温材料：(2)非金属的热导率：大多数建