传热学-第二章(1)

1、第二章第二章 稳态热传导稳态热传导2-1 导热导热基本定律基本定律一、温度场（一、温度场（Temperature field） 稳态温度场稳态温度场Steady-state conduction）非稳态温度场非稳态温度场（Transient conduction）t = f ( r, )t0( )( ,)tfrtfrW ddxtA某时刻空间所有各点温度分布的总称，温度场是时间和空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间的函数.等温面与等温线等温面与等温线(1) (1) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交 等温面：等温面：同一时刻、温度场

2、中所有温度相同的点连接起来同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来 所构成的面所构成的面 等温线：等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到 一个等温线簇一个等温线簇等温面与等温线的特点：等温面与等温线的特点：(2) (2) 在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或在连续的温度场中，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），或者就终止与物者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物 体的边界上体的边界上物体的温度场通常用等温面或等温线表示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，不会有热量传递等

3、温面上没有温差，不会有热量传递 温度梯度温度梯度 (Temperature gradient ）不同的等温面之间，有温差，有热不同的等温面之间，有温差，有热量传递量传递 ttns温度梯度温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量与法向沿等温面法线方向上的温度增量与法向 距离比值的极限，距离比值的极限，gradt直角坐标系直角坐标系：（Cartesian coordinates）注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向g ra d ttttijkxyzntnntngradtnlim0热流密度矢量热流密度矢量热流密度：热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热

4、量；单位时间、单位面积上所传递的热量；直角坐标系中：直角坐标系中：热流密度矢量：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方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热 流密度流密度不同方向上的热流密度的大小不同不同方向上的热流密度的大小不同qq（Heat flux） xyzqq iqjq k qc o sqq2 W mq二、导热、导热基本定律基本定律(Fouriers law）1822年，法国数学家傅里叶（年，法国数学家傅里叶（Fourier）在在实验研究基础上，实验研究基础上，发现导热基本规律发现导热基本规

5、律 傅里叶定律傅里叶定律导热基本定律：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度梯度，方向与温度梯度相反热导率（导热系数）热导率（导热系数）直角坐标系中：直角坐标系中：注：傅里叶定律只适用于各向同性材料注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：各向同性材料：热导率在各个方向是相同的热导率在各个方向是相同的（Thermal conductivity）2 -grad WmqtW (mC): xyztttqq iq jq kijkxyz ; ; xyztttqqqxyz 有些天然和人造材料，如：石英、木材、叠层塑料

6、板、叠层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各向异性材料中：各向异性材料中：xxxxyxzyyxyyyzzzxzyzztttqxyztttqxyztttqxyz三三、热导率、热导率（ Thermal conductivity ）热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过 单位面积的导热量单位面积的导热量 物质的重要热物性参数物质的重要热物性参数影响热导率的因素：影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、物质的种类、材料成分

7、、温度、湿度、 压力、密度等压力、密度等热导率的数值表征物质导热能力大小。热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定实验测定 -g r a d qt; 金属非金属固相液相气相W (mC)不同物质热导率的差异：构造差别、导热机理不同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、气体的热导率气体的导热气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递0.0060.6W (m C)气体0: 0.0244W (m C) ;C空气20: 0.026W (m C) C空气气体分子运动理论：常温常压下气体热导率可表示为：气体分子运动理论：常温常

8、压下气体热导率可表示为：除非压力很低或很高，在除非压力很低或很高，在2.67*10-3MPa 2.0*103MPa范围内，范围内，气体的热导率基本不气体的热导率基本不随压力变化。随压力变化。：气体分子运动的均方根速度气体分子运动的均方根速度气体的温度升高时：气体的温度升高时：气体分子运动速度和定容比热随气体分子运动速度和定容比热随T升高升高而增大。而增大。 气体的热导率随温度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分子在两次碰撞间平均自由行程：气体的密度；气体的密度；：气体的定容比热：气体的定容比热气体的压力升高时：气体的压力升高时：气体的密度增大、平均自由

9、行程气体的密度增大、平均自由行程减小、而两者的乘积保持不变。减小、而两者的乘积保持不变。混合气体热导率不能用部分求和的方法求；只能靠实验测定混合气体热导率不能用部分求和的方法求；只能靠实验测定13vulculvc分子质量小的气体（分子质量小的气体（H2、He）热导率较大）热导率较大 分子运动速度高分子运动速度高2、液体的热导率、液体的热导率液体的导热：主要依靠晶格的振动液体的导热：主要依靠晶格的振动晶格：理想的晶体中分子在无限大空间里排列成周期性点晶格：理想的晶体中分子在无限大空间里排列成周期性点 阵，即所谓晶格阵，即所谓晶格大多数液体（分子量大多数液体（分子量M不变）：不变）：水和甘油等强缔

10、合液体，分子量变化，并随温度而变水和甘油等强缔合液体，分子量变化，并随温度而变化。在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样化。在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样液体的热导率随压力液体的热导率随压力p的升高而增大的升高而增大0.070.7 W (m C)液体20: 0.6 W (m C)C水Tp 3、固体的热导率、固体的热导率纯金属的导热：纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动依靠自由电子的迁移和晶格的振动 主要依靠前者主要依靠前者金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：(1) 金属的热导率：金属的热导率： 晶格振动的加强干扰自由电

11、子运动晶格振动的加强干扰自由电子运动12418W (m C)金属银铜铝金TCuCu10K:12000W (m C)15K :7000W (m C)合金：合金：金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性，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金属的加工过程也会造成晶格的缺陷合金的导热：合金的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；依靠自由电子的迁移和晶格的振动； 主要依靠后者主要依靠后者温度升高、晶格振动加强、导热增强温度升高、晶格振动加强、导热增强合 金纯 金 属T如常温下：如常温下：0398w/m. c纯铜0109w/m. c黄铜

12、黄铜：黄铜：70%Cu, 30%Zn非金属的导热：非金属的导热：依靠晶格的振动传递热量；比较小依靠晶格的振动传递热量；比较小建筑隔热保温材料：建筑隔热保温材料：(2) 非金属的热导率：非金属的热导率：大多数建筑材料和绝热材料具有多孔或纤维结构大多数建筑材料和绝热材料具有多孔或纤维结构多孔材料的热导率与密度和湿度有关多孔材料的热导率与密度和湿度有关保温材料：保温材料：国家标准规定，温度低于国家标准规定，温度低于350度时热导率小于度时热导率小于 0.12W/(mK) 的材料（绝热材料）的材料（绝热材料）0.0253W (m C)T 、湿度2-2 导热微分方程式导热微分方程式（Heat Diffu

13、sion Equation）确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务傅里叶定律：傅里叶定律：确定热流密度的大小，应知道物体内的温度场确定热流密度的大小，应知道物体内的温度场:理论基础：傅里叶定律理论基础：傅里叶定律 + 热力学第一定律热力学第一定律假设：假设：(1) 所研究的物体是各向同性的连续介质所研究的物体是各向同性的连续介质 (2) 热导率、比热容和密度均为已知热导率、比热容和密度均为已知 (3) 物体内具有内热源；强度物体内具有内热源；强度 qv W/m3; 内热源均匀分布；内热源均匀分布；qv 表示单位体积的导热表示单位体积的导热 体在单位

14、时间内放出的热量体在单位时间内放出的热量化学反应化学反应发射药熔发射药熔化过程化过程一、导热微分方程式一、导热微分方程式2 - grad W m qt( , , , )tfxyz0E RTVqAQ e在导热体中取一微元体在导热体中取一微元体热力学第一定律：热力学第一定律： d 时间内微元体中：时间内微元体中：导入与导出净热量导入与导出净热量+ 内热源发热量内热源发热量= 热力学能的增加热力学能的增加1、导入与导出微元体的净热量、导入与导出微元体的净热量d 时间内、沿时间内、沿 x 轴方向、经轴方向、经 x 表面导入的热量：表面导入的热量： JxxdQqdydz dQUW 0, WQU d 时间

15、内、沿时间内、沿 x 轴方向、经轴方向、经 x+dx 表面导出的热量：表面导出的热量：d 时间内、沿时间内、沿 x 轴方向导入与导出微元体净热量：轴方向导入与导出微元体净热量： JxdxxdxdQqdydz dxxdxxqqqdxx JxxxdxqdQdQdxdydz dx d 时间内、沿时间内、沿 z 轴方向导入与导出微元体净热量：轴方向导入与导出微元体净热量：d 时间内、沿时间内、沿 y 轴方向导入与导出微元体净热量：轴方向导入与导出微元体净热量： Jyyy dyqdQdQdxdydz dy Jzzz dzqdQdQdxdydz dz导入与导出净热量导入与导出净热量:傅里叶定律：傅里叶定律

16、：1() Jyxzqqqdxdydzdxyz ; ; xyztttqqqxyz 1()()() Jtttdxdydzdxxyyzz1xxdxyydyzzdzdQdQdQdQdQdQ2、微元体中内热源的发热量、微元体中内热源的发热量d 时间内微元体中内热源的发热量：时间内微元体中内热源的发热量：3、微元体热力学能的增量、微元体热力学能的增量d 时间内微元体中热力学能的增量：时间内微元体中热力学能的增量：由由 1+ 2= 3：导热微分方程式、导热过程的能量方程导热微分方程式、导热过程的能量方程2 Jvqdxdydz d3 Jtcdxdydz d()()()vttttcqxxyyzz(d )tmc

17、tdxdydzcd若物性参数若物性参数 、c 和和 均为常数：均为常数：热扩散率热扩散率 反映了导热过程中材料的导热能力（反映了导热过程中材料的导热能力（ ）与沿途物质储热能力（与沿途物质储热能力（ c ）之间的关系）之间的关系 值大，即值大，即 值大或值大或 c 值小，说明物体的某一部分值小，说明物体的某一部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力温度趋向于均匀一致的能力（Thermal diffusivity）2222222(); o

18、r vvqqtttttaatxyzcc 2 m sac 热扩散率（导温系数）2 拉 普 拉 斯 算 子aa在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，物体内部各处在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，物体内部各处的温度差别越小。的温度差别越小。a反应导热过程动态特性，研究不稳态导热重要物理量反应导热过程动态特性，研究不稳态导热重要物理量若物性参数为常数且无内热源：若物性参数为常数且无内热源：若物性参数为常数、无内热源稳态导热：若物性参数为常数、无内热源稳态导热：72521.5 10 m9.45 10 masas铝木材，1 600aa铝木材2222222(); or tttttaatxyz222222

19、20ttttxyz圆柱坐标系圆柱坐标系（r, , z）zzryrx ;sin ;cos1rztqrtqrtqz 1gradtttttrrz qijk211()()()vttttcrqrrrrzz 球坐标系球坐标系（r, ， ）11sinrtqrtqrtqr sincos ; sinsin ; cosxryrzr11gradsintttttrrr qijk22222111()( sin)()sinsinvttttcrqrrrrr 导热微分方程式导热微分方程式的不适应范围: 非傅里叶傅里叶导热过程v极短时间极短时间( (如如10)10)产生极大的热流密度的热量传递现象，产生极大的热流密度的热量传递

20、现象， 如如激光加工过程。激光加工过程。v极低温度极低温度( (接近于接近于0 K)0 K)时的导热问题。时的导热问题。导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律 + 热力学第一定律热力学第一定律它描写物体的温度随时间和空间变化的关系；它描写物体的温度随时间和空间变化的关系；它没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。它没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。对特定的导热过程：需要得到满足该过程的补充对特定的导热过程：需要得到满足该过程的补充 说明条件的唯一解说明条件的唯一解单值性条件：单值性条件：确定唯一解的附加补充说明

21、条件确定唯一解的附加补充说明条件单值性条件包括四项：单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界几何、物理、时间、边界完整数学描述：完整数学描述：导热微分方程导热微分方程 + 单值性条件单值性条件1、几何条件、几何条件如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等说明导热体的几何形状和大小说明导热体的几何形状和大小2、物理条件、物理条件如：物性参数如：物性参数 、c 和和 的数值，是否随温度变化；的数值，是否随温度变化；有无内热源、大小和分布；是否各向同性有无内热源、大小和分布；是否各向同性说明导热体的物理特征说明导热体的物理特征3、时间条件、时间条件稳态导热过程不需要时间条件稳态

22、导热过程不需要时间条件 与时间无关与时间无关说明在时间上导热过程进行的特点说明在时间上导热过程进行的特点对非稳态导热过程应给出过程开始时刻导热体内的对非稳态导热过程应给出过程开始时刻导热体内的温度分布温度分布时间条件又称为时间条件又称为初始条件初始条件（Initial conditions）0()tfr、边界条件、边界条件说明导热体边界上过程进行的特点说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件反映过程与周围环境相互作用的条件边界条件一般可分为三类：边界条件一般可分为三类：第一类、第二类、第三类边界条件第一类、第二类、第三类边界条件（）第一类边界条件（）第一类边界条件s 边界

23、面边界面; tw = f (x,y,z) 边界面上的温度边界面上的温度已知任一瞬间导热体边界上已知任一瞬间导热体边界上温度值：温度值：稳态导热：稳态导热： tw = const非稳态导热：非稳态导热： tw = f ( )oxtw1tw2例：例：（Boundary conditions）wstt120, , wwxttxtt（2）第二类边界条件）第二类边界条件根据傅里叶定律：根据傅里叶定律：已知物体边界上已知物体边界上热流密度热流密度的分布及变化规律：的分布及变化规律：第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界面法向的温度梯度值面法向的温度梯度值稳态导热：

24、稳态导热：qw非稳态导热：非稳态导热：特例：绝热边界面：特例：绝热边界面：( ,)wsqqfrwqconst()wqf0 0wwwttqnn()wntqn ()wnqtn（3）第三类边界条件）第三类边界条件傅里叶定律：傅里叶定律：当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面任一时刻边界面周围流体的温度周围流体的温度和和表面传热系数表面传热系数导热微分方程式的求解方法导热微分方程式的求解方法导热微分方程单值性条件求解方法导热微分方程单值性条件求解方法 温度场温度场积分法积分法、杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯变换法变换法 、分离变量法、分离变量法、积分变换法、数值计算法积分变换法、数值计算法tf, hqw牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：()wwfqh ttwwqtn ()wfwtnh tt2-3 通过平壁，圆筒壁，球壳和其它通过平壁，圆筒壁，球壳和其它 变截面物体的导热变截面物体的导热本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平本节将针对一维、稳