热传递基本原理

热传递基本原理


热力学简介

下面简要概述了一些基本的热传递概念。要了解更多信息,建议读者查阅原始出版物和引用的网站。

热力学第一定律和第二定律

热力学第一定律涉及能量守恒定律。它指出,在一个封闭的系统中,没有任何其他能量物质可以传入或传出,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失。1、2尽管能量不能凭空产生或消失,但它会在传递后转化为其他能量形式。

热能传递服从热力学第二定律。3第二定律(同样适用于封闭系统)指出,在自然过程中,熵4 (即系统中混乱程度的度量5)会增加。

描述第二定律的三种替代但等效的方法是:

热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体。(示例:温度高的微处理器或激光二极管通过将热量传递到散热器或冷板进行冷却。)

不可能将热量完全转换为有用功。(示例:在内燃机中,一部分热分量必定在不做功的情况下排出。)

每个孤立的系统都会随时间变得无序。(示例:在传导过程中,当温度高的物体和温度低的物体首次相互接触时,系统在某种程度上是有序的。热分子的移动速度比冷分子快。但是,一旦整个系统达到均匀温度,这种有序状态就会消失。)

用数学术语表示,上述任何一项都暗含着另外两项陈述。6

热力学第一定律和第二定律支配着各种热传递方式:传导、对流和辐射。



热传递方式

传导

在传导过程中,热量从温度较高的区域传递至温度较低的区域。这发生在固体、液体或气体介质中,或者彼此直接物理接触的不同介质之间。7“相邻分子之间的运动能量传递会传导热量。在气体中,‘较热’的分子具有更大的能量和运动量,并将能量传递给能量水平较低的相邻分子。这种传递某种程度上发生在存在温度梯度的所有固体、气体或液体中。在传导过程中,能量也可以通过‘自由’电子传递,这在金属固体中十分重要。”8传导的例子包括通过冷板表面或通过冰箱壁发生的热传递。

对流

在对流过程中,热传导、能量存储和混合运动的共同作用实现了能量的传输。“作为固体表面与液体或气体之间的能量传递机制,对流是最重要的。”9“在强制对流热传递过程中,泵、风扇或其他机械迫使流体流过固体表面。在自然对流或自由对流过程中,紧靠固体表面的较热或较冷流体会由于流体温差导致的密度差异而发生循环。” 10自由对流的一个示例是,热量通过换热器翅片散发到周围空气中。如果使用风扇使空气在换热器翅片上方循环,即为强制对流的示例。

辐射

在辐射过程中,当物体在空间中分离时,即使处于真空状态,热量也会从温度较高的物体传递至温度较低的物体。11“支配光传递的相同定律也支配着热传递。固体和液体往往会吸收通过其传递的辐射,因此辐射在主要通过空间或气体进行的传递中十分重要。”12

辐射的示例包括热量从太阳到地球的传递以及从石英灯到需要变暖的低温物体的传递。




热传递的数学表达与计算

傅立叶公式

“法国科学家J.B.J. Fourier在1822年提出的通过传导进行热传递的基本关系指出:

材料中由传导引起的热流速率qk等于以下三个量的乘积:

  • k - 材料的导热系数
  • A - 垂直于热流方向测得的热量通过传导流过的截面的面积
  • dT/dx - 截面处的温度梯度,即温度T相对于热流x方向上差异的变化率。


以数学形式书写热传导方程需要符号约定;即,距离x增加的方向是正热流的方向。根据热力学第二定律,热量将自动从温度较高的点传递至温度较低的点。因此,当温度梯度为负时,热流为正。一维稳态热传导的基本方程式为:qk = -kA (dT/dx)"13

导热性

导热系数是特定材料传递热量的速率的量度。14“物质的导热系数是指,当物体冷热两侧的温差为1摄氏度时,通过厚度为1厘米、横截面积为1平方厘米的物体传递的热量(单位:cal/sec)。”15这种固有特性与材料的尺寸、形状或方向无关。

热阻

热阻是导热系数的倒数,它指示材料如何抑制热传导。16导热系数高的材料热阻较低,并且隔热性较差(例如,铜和铝)。相反,导热系数低的材料热阻较高,并且具有良好的隔热性(例如,玻璃纤维绝缘层和软木板)。 17

参考文献:

1https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch121/ch5_law.html.

2https://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node78.html.

3ibid.

4http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.

5Microsoft Encarta World English Dictionary, St. Martin's Press, 1999, Pp 596.

6de Sorgo, Miksa, ibid.

7de Sorgo, Miksa, "Understanding Phase Change Materials", ElectronicsCooling Magazine, May. 2002

8http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.

9Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Chapter 1, Pp 6.

10Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 215.

11Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Page 8.

12Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 216.

13Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Pp 7.

14Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 216.

15Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., Pp 9.

16Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, Chapter 4, Pp 216.

17http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html.

18http://www.lib.umich.edu/dentlib/dental_tables/thermcond.html.

19http://www.xrefer.com/entry/619844.

20http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html.


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