基传教学资料-第六章 导热.pdfVIP

6 导热 6.0 本章主要内容导读 本章讨论导热问题，包括导热基本概念、一维稳态导热、非稳态导热和导热的数值求解四大部分内容 ( 图6-1) 。 图6-1 第六章主要内容导读 教材中和本章有关的内容包括：第十章。 1 6.1 导热基本概念 6.1.1 导热微观机理 如前所述，导热依靠物质内部分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动进行热量传输。物质形态不 同，导热微观机理也有所不同：气体的导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果；导电固体的导热 是自由电子运动和晶格振动的结果。导电固体中有大量自由电子，它们在晶格之间像气体分子一样运动。 在纯金属的导热中自由电子的运动起主要作用；非导电固体的导热通过晶格结构的振动即原子、分子在平 衡位置附近的振动所产生的弹性波实现；液体的导热机理存在两种不同观点：一种观点认为液体导热机理 类似气体，只是液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；另一种观点则认为液体导 热机理类似于非导电固体，主要依靠弹性波的作用。近来逐渐趋向于第二种观点。 物质导热能力的大小主要取决于上述两方面因素：物质的微观结构和作用粒子。一般情况下，微观结构的有序性越好， 作用粒子的种类和数量越多，导热能力越强。因此，同一种物质处于晶态时的导热系数大于非晶态/无定形态时的导热系数。 例6-1A 导热微观机理和物质导热系数的关系 根据导热微观机理分析下述事实：(1)合金的导热系数低于相应纯金属的导热系数；(2)液体和纯金属的导热 系数一般随温度升高而减小，气体和合金的导热系数一般随温度升高而增大。 解： 导热系数表征了物质导热能力的大小，物质导热能力越大，对应的导热系数越大。 (1) 纯金属主要通过自由电子的运动实现导热。合金破坏了原有纯金属的晶格完整性，阻碍自由电子的运动， 因此合金的导热系数低于相应纯金属的导热系数。 (2) 随着温度升高，纯金属的晶格振动加剧，阻碍自由电子的运动，因此纯金属的导热系数一般随温度升高而 减小。 液体的导热系数和液体的密度、分子量有关。液体密度增大或者分子量减小都会使液体的导热系数增大。 大多数液体的分子量保持不变，当温度升高时，液体密度减小，导热系数也减小。 水和甘油等强缔合液体的分子量会发生变化，密度也会随温度而变化。因此不同温度下，水和甘油的导热系数随温度的 变化规律不同。 气体通过气体分子不规则热运动时发生的相互碰撞实现导热。随着温度升高，气体分子不规则热运动加剧， 因此气体的导热系数一般随温度升高而增大。 合金主要通过晶格振动实现导热。随着温度升高，晶格振动加强，因此合金的导热系数一般随温度升高而 增大。 6.1.2 导热过程的分类 按照导热物体内部温度分布和时间的关系，导热过程可以分为发生在稳态温度场中的稳态导热(steady state conduction)和发生在非稳态温度场中的非稳态导热(unsteady conduction/transient conduction)/不稳态导 热/瞬态导热(图6-2) 。 实际工程研究中遇到的绝大多数导热问题都是非稳态导热问题。 图6-2 非稳态导热和稳态导热 2 按照导热物体内部温度分布和空间坐标的关系，导热过程可以分为发生在一维温度场中的一维导热 (one dimensional conduction) 、发生在二维温度场中的二维导热(two dimensional conduction)和发生在三维温 度场中的三维导热(three dimensional conduction) 。图6-3 中的通过房间窗户玻璃的导热和通过长棒状材料的 导热分别属于一维导热和二维导热。 本章主要讨论一维导热问题。 和动量传输问题类似，绝大多数的实际导热问题都是三维导热问题。 当平壁的长度和宽度比厚度大10 倍以上、圆柱和圆筒壁的长度比外径大10 倍以上时，平壁、圆柱、圆筒壁中的导热问 题可以视为一维导热问题。此外，当球体或者球壳的温度分布沿球心中心对称时，在球坐标下该问题也可以视为一维导热问 题。如无特别说明，本章下面讨论中直接用“平壁”、“圆柱”、“圆筒壁”、“球体”、“球壳”表示对应的可以视为一维导热的 物体。 非稳态导热时导热物体内部的温度分布一般同时随空间坐标变