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热量的传递热质的运动速度.pdf
中困工程热物理学会 传热传质学
2006年学术会议论文 编号:063402
热量的传递 (热质的运动)速度
韩光泽1过增元2
(1华南理丁大学物理科学与技术学院,广州,5106402清华人学航天航空学院,北京,100084)
1
020—8712320
phgzhan@scut.edu.Cn
摘要:传热学主要研究热流量或热流密度,它表示单位时间通过某(单位面积)截面的能量。热量传
递作为一种运动形式,也必然具有一定的传递速度,热量的传递速度等于热流密度与热容密度的比值。
利用傅口叶定律导出了常舰下的热量传递速度,热量传递速度与热扩散系数和温度梯度的负值成正比,
与温度成反比。热量传递速度通常只有毫米每秒的量级,沿导热方向越来越快.根据相对论,热量可
以当量成一定的质量,热量的传递速度就足热质量的运动速度。利用质能关系导出了热质密度,利用
统计物理学方法导出了热质气体的压强。将热质作为一种流体,建立了热质运动的质量方程和运动方
程,可求解热质的运动速度。热质气体的理想流动速度公式表明,热质气体是一种高粘性流体。
关键词:热量传递速度,热质,运动方程
1引言 .
在传热学的应用和研究中,人们关心的是热流量或热流密度。热流量是单位时间内
通过某一给定面积的热量,单位是瓦。而热流密度是单位时间通过单位面积的热量,单
位是瓦每平米。因为热是能量传递的一种方式,所以从用能的角度来看这种研究重点是
非常自然的。传热学的理论基础是建立在傅立叶定律上的能量方程,可以由此研究各种
条件下的传热规律…。通常情况下,理论结果与实验相当吻合。然而近年米人们发现,
在极高热流密度、超快速导热、极低温度导热等问题中,傅立叶定律给出的结论与实验
不符。另一方面,建立在傅立叶定律基础上的传热学只有热强化的概念。这说明傅立叶
定律有一定的局限性。文献[2]通过定义热量传递势容,提出了导热优化的概念∞】。文献
[4]进一步提出,可以类似于牛顿力学的方法,在传热学中引入力、速度、和加速度等
概念,用动力学的方法来研究传热问题哺1。根据爱因斯坦的狭义相对论,物质的质量和
能量可以相互等当,热是一种能量,自然地也可以当量成·定的质量,称为热质。这就
为传热问题的动力学研究提供了理论依据。热量的传递速度或热质的运动速度是动力学
研究中必须的基本量,但现有的传热学中没有这个概念。本文首先利用傅立叶定律研究
热量的传递速度,再从热质运动论的角度建立热质运动方程,研究热质运动速度的特征。
2热量的传递速度
如图1,设在垂直予传热方向一个截面面积为彳处的
温度是r,热流密度是q,通过该截面的热流量是Aq。
如果热量传递的速度是,,则该热流量还应该等于K度为
V的柱体内的总热容量,彳g=Av9,其中Q矿=pc矿T表
示热容密度(单位体积中的热能),P和C圹分别表示导热 |+一卢V——■
介质的密度和定容比热容。写为欠餐关系式有: 图l热流谏度示意幽
,,
q=绋l,,或y=÷. (1)
式(1)就是用热流密度和热容密皮表示的热量的传递速度。傅立叶定律是传热学
中的一条基本定律,在通常的情况’F与实验结果符合的相当好。利用傅立叶定律
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q=一旯V丁,热量的传递速度可以写为:
彳Vr V丁
,.
I__丽2__丁‘ 心’
其中口=兄/腰,表示热扩散率。
式(2)表明,热量的传递速度上E比丁导热材料的热扩散率口,这与传热学中关丁
口的物理意义的解释足一致
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