武科大冶金传输原理课件09热量传输概论

传输原理热量的传输

2026/6/72第九章热量传输概论主要内容：

热量传输的三种基本方式，传热微分方程式关键词：温度场；稳态、非稳态传热；温度梯度；等温线；等温面；热流量、热通量；导热；对流传热，辐射传热导热系数；对流传热系数，斯蒂芬—波尔斯曼常数，单质性条件，热量传输系数，热阻基本定律：付立叶定律牛顿冷却公式，四次方定律

热量传输微分方程。2026/6/73复习与思考1气体和液体的导热在机理上有何差别，为什么温度升高时气体导热系数升高，而大多数液体的导热系数却降低？2何谓绝热保温材料？为什么多孔材料的隔热性能较好，若其被水浸湿后其导热性能有何变化？3何谓等温线（面）？有何特性？温度场的划分？4理解热阻的概念5掌握导热系数的确定方法。6了解传热微分方程的推导过程及方程中各项的物理意义，简化及边界条件的划分。2026/6/74第二篇热量的传输第九章热量传输概论§1—1研究的对象和目的一研究的对象：热量的传输是研究由于“温度差异”所引起的能量的传递过程为对象的。所谓差异就是矛盾，当物体内部或物体之间的温度出现了差异，或两温度不同的物体相互接触时，就有了相对“热”和“冷”的矛盾双方，这时总会发生热量从温度高的区域向温度低的区域转移的过程。通常，将这一过程叫传热过程。虽然在此过程中所传递的热量我们无法看到，但其产生的效应则是可被观察或被测量得到的。一般而言，体积不变的物体得到或失去2026/6/75热量，都将引起其内能的变化，具体的表现为温度的升高或降底，或者发生相的变化。对于自发的传热，将永远使矛盾的双方向自己的反面转化，原温度较高的物体因传走热量而被冷却；原温度较低的物体因得到热量而被加热，随着温差的降低，最终将建立起温度一致的平衡态。若想保持某一部分的温度高于另一部分，就必须从外界向高温区不断的补充被传走的热量，并从低温区不断取走所得到的热量。2026/6/76二研究热量传输的目的：

在于研究热量的传递规律，并确定热量传递速率，这也是它与热力学的不同之处。热力学研究平衡体系，应用热力学，我们可以预计体系由一个平衡态到另一个平衡态需要多少热量，但无法指出这一变化有多快，因为在变化中体系是不平衡的。为了说明这个问题，考滤水中热钢棒的冷却问题，热力学可以预计钢棒—

水这一体系的最终平衡温度，但不能告诉我们需要经过多长时间才能达到这一平衡态，或者到达平衡态的某一时刻，钢棒或水的温度是多少？而应用热量传输就可预计出钢棒和水的温度随时间的变化规律。而后者是以经验定律基础的，故我们说传热学以经验定律（能够确定传热学速率的）补充了热力学第二定律。所谓传热速率即单位时间内传递的热量。即热流量。2026/6/771.2热量传输的基本方式

在传热文献中，通常认为热量的传输有三种基本方式，即导热，对流传热和辐射传热。1.2.1导热（热传导）导热是指温度不同的物质由于直接接触，没有相对宏观运动时发生的热量传输现象，导热是物质的本能，或者是物质的固有性质，若追究到底，则根据分子运动论，温度是物质的微观运动和激烈程度的衡量，只要物体内部的温度分布不均匀，不同地点的微观粒子的动能就不同，对气体而言就会通过分子或原子间的彼此碰撞，对液体则通过弹性波的作用，固体依靠晶格的振动，金属中还有自由电子的扩散而引起的热量的传递。考虑如图所示的大平壁，对于平壁的两侧维持2026/6/78均匀不变的温度和的导热问题，毕欧（Boit）在对图所示的大平壁，平壁的两侧维持均匀不变的温度和的导热问题研究中得出如下结论：即：

式中：

为比例系数叫导热系数，单位为 w/(m·℃)，F为平壁的面积㎡，Q

为热流量，单位为w。单位时间，通过单位面积的热量叫热通量（热流密度），用q表示，单位为w/㎡，与热流量的关系为：Q=qF，则：xttw1tw2QQ图1－1通过无限大平板的导热2026/6/791822年，傅里叶（JosephFourier）将毕欧得到的热传导关系归纳为

式中，

t/x称为温度梯度，负号表示热通量的方向与温度梯度的方向相反。上式称为傅立叶定律，将在第二章中将对其进行详细的论述。2026/6/710

1.2.2对流传热（对流换热，对流放热）

1热对流与对流传热：热对流是指流体中各部分间发生相对位移而引起的热传递现象，即不同温度的各部分发生相互对流，掺混。如果单位时间内通过单位面积的质量为m的流体从温度为t1处流到t2处，其对流传递的热量为：

而工程中我们感兴趣的是，流体与其所接触的固体壁面间的传热，这种传热过程叫对流传热。tf

，vftw

Q图9－2对流换热过程示意图2026/6/7112自然对流传热和强制对流传热：根据流体是否存在相变，常把对流传热区分为有相变和无相变传热两类。而它们又可细分为若干类，例如根据流动的起因，无相变的对流传热可分为强制对流传热和自然对流传热。强制对流传热时，流体的流动系外力引起，如用水泵泵水使之流动。自然对流传热则是由于温差造成密度差产生浮力而使流体流动。如用水壶烧水，在未达到沸点前壶内的水已经开始上下流动。此时的对流传热即为自然对流传热，它们的传递规律是不同的。2026/6/7123牛顿冷却公式：（牛顿冷却定律）无论是哪种型式的对流换热，都用下式计算传热量：

F：流体所接触的壁面面积㎡。

h是比例系数，称为对流换热系数或表面传热系数，单位为，它是一个反映对流换热过程强弱的物理量。从形式上看，对流传热计算非常简单，但是实2026/6/713并非如此，这是因为的影响因素很多只是将众多的影响因素归结到h中去了，对流换热是一个复杂的热量交换过程，影响因素很多。如引起流动的原因（自然或强迫流动）；流体流动的状态（层流或湍流）；流体的物理性质（密度、比热、热导率及粘性系数等）；流体的相变（沸腾或冷凝）；换热边界的几何因素（形状、大小及相对位置等）。因此研究对流换热的目的，就是确定h的大小。此定律亦是一经验定律。2026/6/7141.2.3辐射传热前两种传热方式都需要物体的直接接触，才能实现热量的传递，而辐射传热则无须物体的接触。它是靠电磁波来进行能量的传递的，物体由于热的原因而产生的辐射叫热辐射，只要物体的温度在0k以上都在不断地向外辐射能量，温度越高辐射的能力就越强，物体辐射的能量用辐射力E来表示。黑体的辐射力：（下标b表示黑体的参数）式中：Eb

：黑体(理想的辐射和吸收能量的物体)的辐射力。w/m²；

0

：斯蒂芬—波尔茨曼常数（辐射常数）其值为：2026/6/715T：黑体的绝对温度K。一切物体实际的辐射力都小于黑体的辐射力。辐射力的大小除了与物体的温度有关外，还与物体的种类有关。其中以理想辐射体（黑体）的辐射力最强。斯蒂芬—

波尔茨曼定律是一半经验定律，

∵Eb∝T4∴亦称四次方定律。实际物体发射的辐射能可以用辐射四次方定律的经验修正来计算：（9－8）式中，修正系数

为该物体的黑度（又称发射率），其数值小于1。一个实际物体的发射率与物体的温度、种类及表面状况有关。物体的

值越大，则表明它越接近理想的黑体。2026/6/716物体在辐射换热系统中净得到的热量为：

J：有效辐射

：物体的黑度（发射率）两物体间交换的热量为：2026/6/717

式中:

12

：两表面间的角系数。

F：表面积㎡

在使用中为了方便起见，将辐射换热量表示为牛顿冷却定律的形式：

式中：辐射对流换热系数。对于三种方式同时存在的综合传热，总传热量为：

Q=kΔtF(w)

k:

综合传热系数。F

tf1，h∑1tf2，h∑22026/6/718§1—3热阻、单位制

由上述三种传热量的计算式来看，其形式均与欧姆定律的形式相同