热传递机制及其应用解析

热传递是由物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度高的部分传递到温度低的部分。根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射等3种。

1.热传导

当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在温度差异时，物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导，如图8-1所示。

热传导遵循傅立叶定律

式中 q″——热流密度（W/m²）；

k——材料的热导率（W/m·K），dT/dk表示温度梯度，负号表示热量流向温度降低的方向。

热导率是物质的一种物理性质，表示物质的导热能力的大小，其值越大，物质的导热性能越好。热导率只能实际测定。一般而言，金属的热导率最大，非金属的固体次之，液体的较小，而气体的最小，如图8-2所示。

图8-1 热传导

图8-2 不同材料的热导率

2.对流

固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量交换称为对流，如图8-3所示。

根据引起对流的原因可分为自然对流和强制对流。

（1）自然对流 在自然对流下，固体表面附近的流体流动是由浮力引起的，浮力是因为流体密度发生变化引起的，而密度的变化又是由于固体与流体之间的温差导致的。将热板放在空气中冷却时，板表面附近的空气微粒变得较热，密度降低，因此会向上移动，如图8-4所示。

图8-3 对流

（2）强制对流 利用外部方式（如风扇或泵）用来加速流体在固体表面的流动。流体微粒在固体表面的快速运动使温度梯度最大化，并增加了热交换速率，在热盘上强迫扩散空气，如图8-5所示。

图8-4 自然对流

图8-5 强制对流

对流换热遵循牛顿冷却公式(www.xing528.com)

q″=h（T_s−T_f）

式中 q″——热流密度（W/m²）；

h——对流换热系数（或称为膜传热系数、给热系数、膜系数）（W/（m²·℃））；

Ts——固体表面温度（℃）；

T_f——周围流体温度（℃）。

对流换热系数的大小与传热过程的许多因素有关，它不仅取决于物体的特性、换热表面的形状、大小、相对位置，而且与流体的流速有关。一般地，就介质而言，水的对流换热比空气强；就换热方式而言，有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。常见典型的对流换热系数见表8-1。

表8-1 典型的对流系数W/m²·℃

3.辐射

热辐射是物体由于其温度的原因而以电磁波的形式发出热能。温度在绝对零度以上的任何物体都会发出热能。由于电磁波在真空中传播，因此不需要任何介质就可以发生辐射。辐射是在真空中唯一的传热方式，如图8-6所示。

图8-7所示为相比较其他方式（X射线、γ射线、宇宙射线等）所发出的辐射来说热辐射的范围（波长）。

图8-6 热辐射示意图

图8-7 热辐射范围

热辐射能量遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律

式中 q″——热流密度（W/m²）；

ε——辐射率（Emissivity），材料的辐射率在0～1.0之间，黑体为1，理想的反射镜为0，它取决于物体表面的温度和表面粗糙度；

σ——Stefan-Boltzmann常数，约为5.67×10⁻⁸W/（m²·K⁴）；

A₁——辐射面1的面积；

F₁₂——由辐射面1到辐射面2的形状系数；

T₁、T₂——辐射面1和辐射面2的绝对温度（K）。