[工学]传热传质学第2章-40学时

第二章导 热HEAT CONDUCTIONt1t2t=f(x)引言第二章 导热 工程应用背景导热问题的分类 稳态导热问题 非稳态导热问题 一维、二维及三维导热问题定义 某一瞬间物体内各点温度的总称。2.1.1 温度场 (Temperature Filed)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)等温线的特点等温面 (线 ) 温度场中同一时刻同一温度所有点相连组成的曲面或平面 (曲线 )。1 等温线能不能相交 不能 2 能不能在物体内中断 不能3 沿等温面有没有 热流传递 4 物体中的温度只在与等温线 的方向上变化 没有交叉2.1.2 温度梯度 (Temperature Gradient) 2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)一个等温线的例子 (2002年旋转盘表面液晶测温）温度梯度 1、向量； 2、方向沿等温面的法向 指向温度 增大 的一边； 3、大小等于温度在该方向上的方向导数。 2.1.2 温度梯度 (Temperature Gradient) 2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)2.1.2 温度梯度 (Temperature Gradient) 温度梯度在直角坐标系中 x, y, z轴的投影： 温度梯度在直角坐标系中表示： 2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)单位时间、单位面积上的传热量 (热流密度 )与温度梯度成正比。傅立叶定律 Fouriers Law(1822年 )2.1.3 傅立叶定律 导热的基本定律 The heat transferred per unit area and per unit time (heat flux) is proportional to the temperature gradient.J. B. BiotJ.B.J.Fourierl 导热系数 ,W/(m )2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)2.1.3 傅立叶定律 导热的基本定律 在直角坐标系中的分量 2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)2.1.3 傅立叶定律 导热的基本定律 通过某一微元面积 dA的 热流 ： 2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)2.1.3 傅立叶定律 导热的基本定律 例：判断各边界面的热流方向2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)xt 无限长微观粒子热运动的结果气体 分子的无规则热运动导热机理导热机理 ：2.1.4 导热机理 (The mechanism of heat conduction)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)固体 自由电子（导电固体）弹性波（非导电固体） 微观粒子热运动的结果导热机理导热机理 ：2.1.4 导热机理 (The mechanism of heat conduction)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)液体 无定论 微观粒子热运动的结果导热机理导热机理 ：2.1.4 导热机理 (The mechanism of heat conduction)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)v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； v第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。 说明：只研究导热现象的宏观规律。 2.1.5 导热系数 (Thermal Conductivity)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定 :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l金属 l非金属 l固相 l液相 l气相 ;气体： 0.006-0.6 W/(m ) 与分子量密切相关，分子量越小， l 越 大 ；温度增加， l 增大 ；与压力的关系 不大 ；20 空气 l=2.1.5 导热系数 (Thermal Conductivity)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)0.0259 W/(m ) ；混合气体的热导率不能用部分求和的方法来求，只能用实验的方法。液体： 0.01-0.7 W/(m ) 除水和甘油外，液体的 l随温升高而 减小 。 分子量越大， l 越小 。 20 水 l =0.559 W/(m ) 2.1.5 导热系数 (Thermal Conductivity)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)电影 泰坦尼克号 里，为什么 Jack冻死了，而 Rose没有？2.1.5 导热系数 (Thermal Conductivity)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)固体（金属） 纯金属的导热系数 l ； 多数金属的导热系数随温度升高而缓慢 ； 合金及微量杂质使导热系数大大 ；合金的导热系数随温度升高而 。 较大减小减小增大晶格振动的加强干扰自由电子的运动，铜在 10K的导热系数为 12000W/m.k，在 15K时的导热系数为 7000w/m.k。 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，导致导热系数下降。温度增加、晶格振动加强、导热增加。 2.1.5 导热系数 (Thermal Conductivity)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)固体 保温材料的导热系数随温度升高而 ； 材料的密度越小，导热系数 ； 潮湿材料的导热系数比干燥材料的导热系数 。增大越小大保温材料： 0.12 W/(m ) ，温度低于 3502.1.5 导热系数 (Thermal Conductivity)2.1 导热基本定律 (The Basic Law of Heat Conduction)各种材料的导热系数都是温度的函数，在一定范围内可以近似地表示成温度的线性函数： t1, t2间的平均导热系数 假设 ： 1、连续介质； 2、各向同性；所依据的定律： 傅立叶定律、能量守恒定律3、均匀内热源，强度 为 (W/m3);4、密度、比热为常数。2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）导热系数为常数时：2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）一、直角坐标系中的导热微分方程如果无内热源：如果稳态导热：2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）一、直角坐标系中的导热微分方程分为轴向 z、 径向 r和周向 f的导热，以物性参数为常数为例：径向导热2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）二、圆柱坐标系中的导热微分方程周向导热2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）分为轴向 z、 径向 r和周向 f的导热，以物性参数为常数为例：二、圆柱坐标系中的导热微分方程轴向导热2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）分为轴向 z、 径向 r和周向 f的导热，以物性参数为常数为例：二、圆柱坐标系中的导热微分方程内热源生成热：2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）分为轴向 z、 径向 r和周向 f的导热，以物性参数为常数为例：二、圆柱坐标系中的导热微分方程对于一维稳态无内热源的径向导热有：或2.2 导热微分方程及定解条件（ Conduction Differential Equation and Definition Conditions）分为轴向 z、 径向 r和周向 f的导热，以物性参数为常数为例：二、圆柱坐标系中的导热微分方程三、关于热扩散系数（导温系数）的讨论热扩散系数 ：是物性参数，表征