传热学-第二章1.ppt

§2-1 导热基本定律 等温面与等温线 沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限，gradt 直角坐标系(Cartesian coordinates) ： 热流密度：单位时间、通过单位面积的热流量； 直角坐标系中： 1822年，法国数学家傅里叶（Fourier）在实验研究基础上，发现导热基本规律 —— 傅里叶定律 各向异性材料中： 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 —— 各向异性材料 3. 热导率(Thermal conductivity) 不同物质热导率不同的原因：构造差别，导热机理不同 (1) 气体的热导率 根据气体分子运动理论，常温常压下气体热导率可表示为： (2) 液体的热导率 (3) 固体的热导率 在导热体中取一微元体 热力学第一定律： 导热微分方程式的不适应范围：非傅里叶导热过程 ★ 极短时间(如10-8~10-10s)产生极大的热流密度的热量传递现象，如激光加工过程。 ★ 极低温度(接近于0 K)时的导热问题。 (1) 几何条件—说明导热体的几何形状和大小 ４、边界条件 如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等 (2) 物理条件—说明导热体的物理特征 如：物性参数 ?、c 和 ? 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 (3) 时间条件—说明在时间上导热过程进行的特点 对稳态导热过程，不需要时间条件 — 与时间无关 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 时间条件又称为初始条件(Initial conditions) * * 1. 温度场（Temperature field） 定义：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，即： 稳态温度场(Steady-state conduction) 非稳态温度场(Transient conduction) 第二章 导热基本定律及稳态导热 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 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 (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），或者就终止与物体的边界上 (3) 等温面上没有温差，不会有热量传递；不同的等温面之间，有温差，有热量传递 等温面与等温线的特点： 物体的温度场通常用等温面或等温线表示 傅里叶定律的一般表达式 温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向 温度梯度(Temperature gradient ） 热流密度(Heat flux)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方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度； 不同方向上的热流密度的大小不同 q q? ? 2. 导热基本定律(Fourier’s law） 导热基本定律：垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反 ? 热导率(导热系数) (Thermal conductivity) 傅里叶定律的上述表达式只适用于各向同性材料 各向同性材料：热导率在各个方向是相同的 热导率的数值：等于物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量 — 物质的重要热物性参数 影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、 压力、密度等 热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定 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 P424页 气体的温度升高时：气体分子运动速度和定容比热随温度升高而增大。气体的热导率随温度升高而增大 气体的压力升高时：气体的密度增大、平均自由行程减小，两者的乘积保持不变。在2.67×10-3MPa ~ 2.0×103MPa范围内，气体的热导率基本不随压力变化 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 : 气体分子运动的均方根速度 : 气体分子在两次碰撞间平均自由行程 : 气体的密度； : 气体的定容比热 分子质量小的气体（H2、He）热导率较大 — 分子运动速度高 气体的导热系数 1—水蒸气；2—二氧化碳；3—空气 4—氢；5—氧；6—氦 氢和氦的导热系数 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阵，即所谓晶格 大多数液体（分子量M不变）： 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 液体的热导率随压力p的升高而增大 液体的导热系数 1—凡士林油；2—苯；3—丙酮 4—蓖麻油；5—乙醇；6—甲醇 7—甘油；8—水 纯金属