§1-1 导热基本概念与傅里叶定律.ppt

1、Heat Transfer传热学,Building Energy Efficiency is the Wave of the Future !,1 导热理论基础,建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !,Chapter1 Heat conduction theory,Heat Transfer,1-1 导热基本概念与傅里叶定律,一、基 本 概 念,1、温度场 （Temperature field） （1 ）概念 温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。 物体的温度分布是坐标和时间的函数：,其中 为空间坐标， 为时间坐标。,Heat Transfer,（2）温度场分类 1）稳态温度场（定常温

2、度场） （Steady-state conduction） 是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式：,一、基 本 概 念,Heat Transfer,2）非稳态温度场（非定常温度场） （Transient conduction） 是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式： 若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,稳态温度场 稳态导热,（Steady-state conduction）,非稳态温度场 非稳态导热,（Transient c

3、onduction）,三维稳态温度场：,一维稳态温度场:,一、基 本 概 念,Heat Transfer,2、等温面与等温线,等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇,等温面：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,一、基 本 概 念,Heat Transfer,等温面与等温线的特点：,(1) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交,(2) 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），或者就终止于物体的边界上,物体的温度场通常用等温面或等温线表示,一、基 本 概 念,Heat Transfer,等温线图的物理意义： 若每条

4、等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。如图所示是用等温线图表示温度场的实例。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,3、温度梯度（Temperature gradient）,等温面上没有温差，不会有热传递。,不同的等温面之间，有温差，有导热,温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度梯度，记为gradt。,注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向,一、基 本 概 念,Heat Transfer,4、热流密度

5、矢量（Heat flux）,热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量；,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方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度,一、基 本 概 念,Heat Transfer,温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的法线方向。由于热流是从高温处流向低温处，因而温度梯度和热流密度的方向正好相反。,一、基 本 概 念,Heat Transfer,在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反，即：,数学表达式：,二、傅里叶定律（Fourier Law）,1、傅里叶定律,Hea

6、t Transfer,（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）,傅里叶定律用热流密度表示：,其中： 热流密度(单位时间内通过单位面积的热流量) 物体温度沿 x 轴方向的变化率,二、傅里叶定律（Fourier Law）,Heat Transfer,当物体的温度是三个坐标的函数时，其形式为:,是空间某点的温度梯度；,是通过该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；,是该处的热流密度矢量。,二、傅里叶定律（Fourier Law）,Heat Transfer,负号是因为热流密度与温度梯度的方向不一致而加上,傅里叶定律可表述为:系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度成正比而方向相反,注：傅里叶

7、定律只适用于各向同性材料各向同性材料：导热系数在各个方向是相同的,二、傅里叶定律（Fourier Law）,Heat Transfer,三、导热系数（热导率、比例系数） thermal conductivity,1、定义 傅利叶定律给出了导热系数的定义 :,w/m,导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位时间内单位面积的热量。 导热系数是物性参数，它与物质结构和状态密切相关，例如物质的种类、材料成分、温度、 湿度、压力、密度等，与物质几何形状无关。 它反映了物质微观粒子传递热量的特性。,Heat Transfer,不同物质的导热性能不同：,0C时：,三、导热系数（热导率、比例系数） ther

8、mal conductivity,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,Heat Transfer,2 、保温材料（隔热、绝热材料） 把导热系数小的材料称保温材料。 我国规定：350 时， 0.12w/mk 保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保温材料的生产及节能的水平。越小，生产及节能的水平越高。 我国50年代 0.23W/mk 80年代 GB42

9、72-84 0.14w/mk 90年代 GB427-92 0.12w/mk,三、导热系数（热导率、比例系数） thermal conductivity,Heat Transfer,保温材料热量转移机理 ( 高效保温材料 ) 高温时： （ 1 ）蜂窝固体结构的导热 （ 2 ）穿过微小气孔的导热 更高温度时： （ 1 ）蜂窝固体结构的导热 （ 2 ）穿过微小气孔的导热和辐射,三、导热系数（热导率、比例系数） thermal conductivity,Heat Transfer,超级保温材料 采取的方法： （1）夹层中抽真空（减少通过导热而造成热损失） （2）采用多层间隔结构（ 1cm 达十几层） 特点：间隔材料的反射率很高，减少辐射换热，垂直于隔热板上的导热系数可达： 10 - 4w/mk,三、导热系数（热导率、比例系数） thermal conductivity,Heat Transfer,同一种物质的导热系数也会因其状态参数的不同而改变，因而导热系数是物质温度和压力的函数。,一般把导热系数仅仅视为温度的函数，而且在一定温度范围还可以用一种线性关系来描述,三、导热系数（热导率、比例系数） thermal conductivity,Heat Transfer,3、各向异性材料 指有些材料（木材，石墨）各向结构不同，各方向上的 也有较大差别，这些材料称各向异性材料。此类材料 必须