8-热量传递方式和能量方程课件

CHE34200T：传递过程原理（8）2012年4月2Let’sgoforanothersightseeing—theheattransferjourney…Comeon!

35热量传递（I）:

一般控制方程和导热问题（参见5、6章）[目的]1掌握热量传递的三种形式及其物理方程2了解能量方程的物理意义和适用条件，可以针对具体问题对一般控制方程进行简化。3掌握简单导热问题（定态、一维）控制方程的简化、求解和计算方法。4热量传递的应用示例55.1热量传递常见的三种宏观机制

传导（conductionorheatdiffusion）：温差驱动力或温度梯度作用产生的热量传递。对流（convection）：流体运动所致质量迁移产生的热量传递。辐射（radiation）：温度差所致电磁波在空间的传递。本课不讨论。6传热方式：传导、对流、辐射7一、热传导热量不依靠宏观混合运动而从物体的高温区向低温区移动的过程；借助于物体分子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动产生的热量传递，简称导热；导热在气体、液体和固体中均能发生；导热的推动力：温度差。8

描述导热现象的物理定律为傅立叶定律（FourierLaw），其数学表达式为导热通量热通量与温度梯度方反热导率或导热系数温度梯度W/m2一、热传导9W/(m.oC）

热导率单位温度梯度下的热通量。

表征物质热传导能力的大小，是物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态、组成、密度、温度及压力有关。

来源：手册，附录。一、热传导10介质热导率，W/(m.oC)

气体

0.006～0.06液体0.1～0.7非导电固体0.2～3.0金属15～420绝热材料

0.003～0.06一、热传导11研究生面试问题：金属和木头的冷暖。12气体中：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。

热量传导（扩散）的微观机制13导电固体：其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的晶格运动在导电固体的导热中起主导作用。非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。热量传导（扩散）的微观机制14液体的导热机理：存在两种不同的观点：第一种观点类似于气体，但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；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。

热量传导（扩散）的微观机制15（1）气体的热导率气体无关（极高、极低压力除外）～～常压气体混合物组分i的摩尔分数组分i的摩尔质量一、热传导16（2）液体的热导率金属液体的热导率比一般的液体要高。纯液体的热导率比其溶液的要大。液体～～无关除水和甘油外一、热传导173.固体的热导率纯金属的导热系数与电导率的关系可用魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。热导率电导率洛伦兹(Lorvenz)数一、热传导18大多数均质固体，热导率与温度近似呈线性：大多数金属材料，<0大多数非金属材料，>00oC时的导热系数温度系数注意k一般为平均导热系数。若沿各方向的导热系数相等—多维导热同性。一、热传导19

对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动和混合而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在流体内部。

对流传热强制对流传热自然对流传热—外力作用引起；—流体的密度差引起。二、对流传热20本课程研究的对流传递包括：①运动流体与固体壁面之间的热量传递；②两个不互溶流体在界面的热量传递。二、对流传热tftsts＞tf流向液体↓tl↑气体tg21

对流传热速率可由牛顿冷却定律描述，即：对流传热通量对流传热系数或膜系数流体与壁面间温度差W/m2二、对流传热22

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射与热传导和对流传热的最大区别就在于它可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。

描述热辐射的基本定律是斯蒂芬(Stefan)-玻尔兹曼(Boltzmann)定律：三、辐射传热重点：三种传热方式、描述定律及其表达式热传导

傅立叶定律对流传热牛顿冷却定律辐射传热斯蒂芬-玻尔兹曼定律23245.1热量传递的控制方程：能量方程

5.1.1能量方程导出•依据的原理：热力学第一定律--能量守恒原理。动能+势能：机械能内能：热力学能255.2热量传递的控制方程：能量方程•导出（建模）方法：拉格朗日法：流体微元运动时与所经过位置的流体之间无相对速度，故无动能的变化，同时亦无位能的变化。对应的微分平衡关系

（微元内能增长速率）=（受加热速率）+（表面应力作功的功率）[速率，J/s=W]265.2.1能量方程导出

随体导数表达式

（一）加热速率（右第1项何来？事件）A）来自环境的导热速率B）发热速率（如放热反应）：C）辐射（此处不考虑）275.2.1能量方程导出

●导热（热扩散）速率

285.2.1能量方程导出

也即（代入傅立叶定律）

同理在y，z方向为

295.2.1能量方程导出

所以加热速率为导热和发热速率之和

（二）表面应力作功速率（右第2项何来）A）膨胀或压缩（压力所产生的功率）305.2.1能量方程导出B）粘性摩擦耗散热

（粘性力所产生的功率）

所以表面应力对流体的作功速率315.2.1能量方程导出

将以上关系代入微分平衡关系得能量方程---对流传热控制方程325.2.2能量方程简化或特定形式(一)不可压缩流体对流传热335.2.2能量方程简化（二）固体中的导热34有内热源的稳态热传导无内热源，稳态导热拉普拉斯方程泊松方程无内热源的非稳态热传导傅立叶第二定律固体导热微分方程的一般形式小结热量传递方式能量方程推导能量方程简化固体中的导热方程3536作业：136页：第1题。选做题：4提问与解答环节QuestionsAndAnswers谢谢聆听·学习