第2章-导热的理论基础(简化版).ppt

第2章 导热的理论基础 学习目标： 掌握导热问题的基本理论 ——计算导热体内的温度分布 ——求出相应的热流量 内容与思路： ——基本概念 ——导热的特殊规律: 关于热流量 ——导热问题的数学描述：关于温度分布 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／1 温度场 1 温度场（Temperature Field ） 手握铁棒（不很长）放在炉火中烧 ——火中的一端温度很高，手握一端温度较低 ——手握一端也会慢慢变烫 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 1 温度场 场：将分布着某种物理量的空间或空间区域 如电场、密度场、电位场、流速场、力场、磁场 温度场：将某一瞬间(某时刻)物体内部各点的温度分布或温度的集合 温度场是标量场 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 1 温度场 按温度场是否随时间变化： 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 1 温度场 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 1 温度场 按温度场在空间上的变化： 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／2 等温面 2 等温面（isothermal surface） 等温面：温度场中同一瞬间温度相同的各点连成的面 在二维平面上等温面表现为等温线（iostherm） 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 2 等温面 内燃机活塞的温度场 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 2 等温面 埋深为1.5m的非保温输油管道周围地层的温度场 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 2 等温面 等温线（面）的特点： ——形象、直观 （1）同一时刻，温度不同的等温线不可能相交 （2）沿等温线，无热量的传递 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／ 2 等温面 等温线（面）的特点： （3）连续介质的等温线只能在物体的边界中断或封闭 （4）等温线疏密表示了温度变化的剧烈程度 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／3 温度梯度 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／3 温度梯度 法线方向上的温度变化率为最大，称为温度梯度 记作grad t（gradient ）: 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／温度梯度 温度梯度是矢量： ——指向温度升高的方向 ——具有最大的温度变化率 2－1 导热的基本概念和定律一 基本概念／温度梯度 直角坐标系中的温度梯度： 2－1 导热的基本概念和定律二 物质的导热机理 气体： ——各种气体是由相应的气体分子构成 ——气体分子做无规则的热运动具有较大的自由度 气体的导热机理：气体分子不规则热运动时相互碰撞而进行能量交换的结果 2－1 导热的基本概念和定律二 物质的导热机理 导电固体（金属等） ——原子＋自由电子构成 ——自由电子在金属晶格中能够象气体分子那样运动 机理：依靠自由电子的定向运动传递热量，与导电机理相似 2－1 导热的基本概念和定律二 物质的导热机理 非导电固体 ——没有自由电子，只有构成物质的原子 ——排列成一定晶格结构 ——原子是在其平衡位置附近不断地振动，这种振动称为弹性波 2－1 导热的基本概念和定律二 物质的导热机理 温度不同、振动剧烈程度不同 机理：依靠其原子在各自平衡位置附近的振动实现热量的传递 ——导热能力比较差 2－1 导热的基本概念和定律二 物质的导热机理 液体结构复杂，导热机理不明确 ——一种观点认为类似于气体 ——一种观点认为非导电固体 2－1 导热的基本概念和定律三 导热的基本定律 导热基本定律就是指傅里叶定律（Fourier’s law） 傅里叶在1822年出版的著作《热的解析理论》中提出的 傅里叶是导热理论的奠基人 2－1 导热的基本概念和定律三 导热的基本定律 Fourier定律的表述： 在任意时刻，各向同性连续介质内任意位置处的热流密度在数值上与该点的温度梯度成正比，但方向相反 2－1 导热的基本概念和定律三 导热的基本定律 式中，λ为比例系数，称为导热系数（或称热导率） 负号：热量传递的方向与温度梯度的方向相反 2－1 导热的基本概念和定律三 导热的基本定律 热流密度是矢量： ——与温度梯度位于等温线同一的法线上 ——方向相反，永远指向温度降低的方向 在直角坐标系下： 2－1 导热的基本概念和定律三 导热的基本定律 2－1 导热的基本概念和定律三 导热的基本定律 傅里叶定律，又称为导热的热流速率方程 实验定律 傅里叶定律是研究和分析各种导热问题的基础 傅里叶定律是导热这种特定传热方式的特殊规律 2－1 导热的基本概念和定律四 热导率（导热系数） 1 定义式 2－1 导热的基本概念和定律四 热导率（导热系数） 导热系数：物质固有的热物性参数 一般都是由实验测定 工程计算时