[科普中国]-热量传递

简述

热量传递简称传热。物体内部或者物体之间，只要有温差的存在，就有热量自发地由高温处向低温处传递。自然界日常生活和工业生产领域中到处存在着温差，因此热量传递就成为一种极普遍的物理现象。研究热量传递的规律即根据不同的热量传递过程得出单位时间内所传递的热量与相应的温度差之间的关系。不同的热量传递方式具有不同的传递规律，相应的研究分析方法也各不相同。

传热学在科学技术各个领域中都有十分广泛的应用。尽管各个领域中遇到的传热问题形式多样，但研究传热的目的大致上可以归纳为三个方面。

(1)强化传热，在一定的条件下(如一定的温差、体积、重量或泵功等)增加所传递的热量。

(2)削弱传热或称热绝缘，即在一定的温差下使热量的传递减到最小。

(3)温度或传热控制，为使一一些设备能安全、经济地运行，或者为得到优质产品、工艺，需要对热量传递过程中物体关键部位的温度或传热速率进行控制。2

研究方法在传热研究中，为了分析问题和数学处理的方便，与研究流体流动时一样，采用了连续介质模型，即通常假定所研究的物体中温度、密度、速度等传热相关物理参数都是空问的连续函数。对于气体只要被研究物体的几何尺度远大于分子问的平均自由程，这种连续体的假定总是成立的。

研究热量传递的传热学与工程热力学都是研究与热现象有关的科学。然而，这两门学科的研究内容和方法是有区别的。首先，工程热力学研究的是处于平衡状态的体系，其中不存在温差或者压力差，而传热学则是研究有温差存在时处于不平衡状态的体系的热能传递规律。例如，经过高温制备出的材料的冷却，热力学主要研究单位质量的材料在这一冷却过程中散失的热量；而传热学则主要研究该冷却过程受哪些因素影响，冷却过程中温度如何变化，冷却需要多长时间等诸多问题。其次，热力学中所说的热量通常是指能量，其单位通常用焦耳(J)和卡(kcal)来表示，而传热学中所说的传热量通常是指单位时间内传递的热量，因此其单位通常用瓦(W)等功率单位。尽管如此，传热学与工程热力学有着密切的关系：分析任何的热量传递过程都要用到热力学第一定律，即能量守恒定律。热量传递过程的动力是温度差，热能总是由高温处向低温处传递。两种介质或者同一物体的两部分之间如果没有温差就不可能有热量的传递，而这正是热力学第二定律所规定的基本内容。因此，工程热力学的第一、第二定律是进行传热学研究的基础。2

基本方式热量传递主要有三种基本方式：导热、热对流和热辐射。传热可以以其中一种方式进行，也可以同时以两种或三种方式进行。根据传热介质的特征，热量传递的过程又可以分为热传导、对流传热和辐射传热。

导热导热是指依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞而产生热量传递的方式。例如，固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，就是以导热的方式进行的。

热传导在气态、液态和固态物质中都可以发生，但热量传递的机理不同。气体的热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子具有较大的动能，即速度较大，当它们运动到低温区时，便与低温区的分子发生碰撞，其结果是热量从高温区转移到低温区。

固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移。在非导电的固体中，主要通过分子、原子在晶体结构平衡位置附近的振动传递能量；对于良好的导电体如金属，类似气体分子的运动，自由电子在晶格之间运动，将热量由高温区传向低温区。由于自由电子的数目多，所传递的热量多于晶格振动所传递的热量，因此良好的导电体一般都是良好的导热体。

液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既依靠分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。

在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，如固体、静止的液体和气体中以导热方式发生的热量传递过程，称为热传导。3

热对流热对流指由于流体的宏观运动，冷热流体相互掺混而发生热量传递的方式。这种热量传递方式仅发生在液体和气体中。由于流体中的分子同时进行着不规则的热运动，因此对流必然伴随着导热。

当流体流过某一固体壁面时，所发生的热量传递过程称为对流传热，这一过程在工程中广泛存在。在对流传热过程中，根据流体的流态，热量可能以导热方式传递，也可能以对流方式传递。

根据引起流体质点位移(流体流动)的原因，可将对流传热分为自然对流传热和强制对流传热。自然对流传热是指由于流体内部温度的不均匀分布形成密度差，在浮力的作用下流体发生对流而发生的传热过程，例如暖气片表面附近空气受热向上流动的过程。强制对流传热是指由于水泵、风机或其他外力引起流体流动而发生的传热过程。流体进行强制对流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。

根据流体与壁面传热过程中流体物态是否发生变化，可将对流传热分为无相变的对流传热和有相变的对流传热。无相变的对流传热指流体在传热过程中不发生相的变化；而有相变的对流传热指流体在传热过程中发生相的变化，如气体在传热过程中冷凝成液体，或液体在传热过程中沸腾而转变为气体。3

热辐射物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。辐射有多种类型，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。发出热辐射与吸收热辐射过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射换热。当物体与物体或周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡，研究表明物体向外发出的热辐射和吸收的热辐射相等，但是该物体与其他物体或环境之间的辐射与吸收过程仍在不停地进行。高温物体通过辐射换热将热量传给低温物体实际上是由于高温物体给低温物体的辐射能大于低温物体给高温物体的辐射能的综合结果。

与导热和对流换热相比，热辐射具有如下特点：

①辐射能可以通过真空自由地传播而无需任何中间介质；

②一切物体温度高于0K的物体均能够持续地发射出辐射能，同时也能持续地吸收来自其他物体的辐射能；

③热辐射不仅具有能量的传递，而且具有能量形式的转换。发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。2