化工原理第四章(热传导)ppt课件.ppt

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1、第二节热传导一、傅立叶定律二、导热系数三、平面壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导第四章传热2021/9/19一、傅立叶定律【定义】用来描述传导传热过程的宏观规律。【说明】虽然热传导的微观机理非常复杂，并且物质的种类不同，其传热机理也不一样，但宏观规律都可用傅立叶定律来描述。【应用条件】由于只有固体中有纯导热，本节只讨论的对象仅为各向同性、质地均匀固体物质的热传导。2021/9/19（1）温度场和等温面【温度场】物质系统内各个点上温度的集合，表示物体（或空间）各点的温度分布状况。式中t──某点的温度，℃；x,y,z

2、──某点的坐标；──时间。t1t2t1>t2等温面Q发热体2021/9/19温度场示意图2021/9/19【不稳定温度场】各点的温度既随位置而变，又随时间而改变的温度场。【稳定温度场】任一点的温度只随位置而变，不随时间而改变的温度场。【等温面】在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。不同温度的等温面不相交。2021/9/19（2）温度梯度【定义】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（即表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率）。Qntt+tt-tgrad——表示梯度20

3、21/9/19温度梯度的物理意义温度梯度大温度梯度小【作用】表征温差变化大小的程度。2021/9/19【两点说明】（1）温度梯度是向量，其方向指向温度增加的方向；（2）对于一维稳态热传导：温度梯度与热流方向的关系QndAtt+tt-t2021/9/19（3）傅立叶定律【实验发现】在质地均匀的物体内，单位时间内传导的热量Q（传热速率）与温度梯度dt/dx及垂直于热流方向的导热面积A成正比，即：式中──比例系数，称为导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。——傅立叶定律2021/9/19法国数学家、物理学家。1

4、768年3月21日生于欧塞尔，1830年5月16日卒于巴黎。9岁父母双亡，被当地教堂收养。12岁由一主教送入地方军事学校读书。17岁（1785）回乡教数学，1794到巴黎，成为高等师范学校的首批学员，次年到巴黎综合工科学校执教。1798年随拿破仑远征埃及时任军中文书和埃及研究院秘书，1801年回国后任伊泽尔省地方长官。1817年当选为科学院院士，1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席。主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论。1807年向巴黎科学院呈交《热的传播》论文，推导

5、出著名的热传导方程，并在求解该方程时发现解函数可以由三角函数构成的级数形式表示，从而提出任一函数都可以展成三角函数的无穷级数。1822年在代表作《热的分析理论》中解决了热在非均匀加热的固体中分布传播问题，成为分析学在物理中应用的最早例证之一，对19世纪数学和理论物理学的发展产生深远影响。傅立叶级数（即三角级数）、傅立叶分析等理论均由此创始。其它贡献有：最早使用定积分符号，改进了代数方程符号法则的证法和实根个数的判别法等。傅立叶的简介2021/9/19二、导热系数1、导热系数定义【物理意义】温度梯度为1时，单位时间内

6、通过单位传热面积的热量（热流密度）。由傅立叶定律可知：2021/9/19（1）导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。是一个物性常数，用来表明一种物质传导传热能力大小的一个参数，λ越大，导热性能越好。（2）从强化传热角度来看，应选用大的材料；相反，如果要削弱传热，应选用小的材料。【两点讨论】2021/9/192、导热系数的影响因素及获取方法【影响因素】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。【导热系数的获取方法】（1）各种物质

7、的导热系数可用实验测定；（2）常见物质的导热系数可查手册。2021/9/19物质种类气体液体非导固体金属绝热材料λ0.006～0.60.07～0.70.2～3.015～420<0.25【一般规律】导热系数数值的变化范围很大。一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。3、导热系数的变化规律2021/9/19（1）固体的导热系数【纯金属】t↑，则λ↓，纯金属比合金的λ大。【非金属】t↑，则λ↑，同样温度下，越大，λ越大。【规律】在一定温度范围内（温度变化不太大），大多数均质固体与t呈线形关系，

8、可用下式表示：a──温度系数，对大多数金属材料为负值（a<0），对大多数非金属材料为正值（a>0）。2021/9/19常用固体材料的导热系数固体温度,℃导热系数W/(m2·℃)铝300230镉1894铜100377熟铁1861铸铁5348铅10033镍10057银100412钢(1%)1845船舶用金属30113青铜189不锈钢2016石墨0151石棉板50