[科普中国]-热传导

简介

物体或系统内的温度差，是热传导的必要条件。或者说，只要介质内或者介质之间存在温度差，就一定会发生传热。热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。

热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象叫传热。热传导是三种传热模式（热传导、对流、辐射）之一。它是固体中传热的主要方式，在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与热对流同时发生。

热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。1在固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大。在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相作用，所以在晶体内部热能由动能大的部分向动能小的部分传导。固体中热的传导，就是能量的迁移。

在导体中，因存在大量的自由电子，在不停地作无规则的热运动。一般晶格震动的能量较小，自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。所以一般的电导体也是热的良导体。在液体中热传导表现为：液体分子在温度高的区域热运动比较强，由于液体分子之间存在着相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递，引起了热传导现象。由于热传导系数小，传导的较慢，它与固体相似；不同于液体，气体分子之间的间距比较大，气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞，在气体内部发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。

热量从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。

辞典中的定义热量传递的一种方式。热传导是由于大量分子、原子或电子的互相撞击，使能量从物体温度较高部分传至温度较低部分的过程。是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往与对流同时发生。传导和对流也是人体散热的方式之一。血液循环将体内的热量带到体表，皮肤将热传递给贴近皮肤的空气层(传导散热)，受热的空气层温度增高、密度变小、因而流动上升，周围的冷空气则流向皮肤表面以填补流走的空气(对流散热)。因此，人体传导散热与对流散热总是联系在一起的。2

又称导热，是热量传递的3种基本方式之一。借物体中分子、原子或电子的相互碰撞，使热量从物体中温度较高部位传递到温度较低部位或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程，是固体中热量传递的主要方式。在液体或气体中往往与对流传热同时进行。一切物体不管其内部有无质点间的相对运动，只要存在温差就有热传导。工业上有许多是以热传导为主的传热过程，如橡胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。在窑炉、传热设备和热绝缘的设计计算、高温高压设备(如氨合成塔中的废热锅炉等)的设计中都需用热传导规律。3

数学表达傅立叶定律当物体内的温度分布只依赖于一个空间坐标，而且温度分布不随时间而变时，热量只沿温度降低的一个方向传递，这称为一维定态热传导。此时的热传导可用下式描述：

式中 为是热流密度，即在与传输方向相垂直的单位面积上，在x方向上的传热速率;T为温度;x为热传递方向的坐标；k为热导率。此式表明q正比于温度梯度dT/dx，但热流方向与温度梯度方向相反。此规律由法国物理学家傅里叶于1822年首先提出，故称为傅里叶定律。

热扩散方程在最一般的热传导中，温度随时间和三个空间坐标而变化，且伴有热量产生或者消耗（例如，反应热）。这时的热传导称为三维非定态热传导，可用热扩散方程（Heat Equation）描述1：

式中τ为时间；x、y、z为坐标轴；ρ为密度； 为定压比热容；热扩散方程表明：在介质中任意一点处，由传导进入单位体积的净导热速率加上单位体积的热能产生速率必定等于单位体积内所贮存的能量变化速率1。

如果热导率k是一个常数，热扩散方程又可以表述如下：

α称为热扩散系数, ，表示非定态热传导过程中物体内部温度趋于均匀的能力，即导温系数越大，则温度趋于均匀越快；q.dot为单位体积内热量生成的速率。

算例一维定态热传导的计算 以连续操作的窑炉中热量通过炉壁的传递为例，热量从内壁面传到外壁面，按照傅立叶定律计算，得出热流量为：

式中T1和T2分别为壁的内外两侧面的温度；A为炉壁面面积;L为炉壁的厚度；T1-T2为传热的推动力；Q为传热速率。根据电流等于电势差比阻力的概念，L/kA是平壁面热传导的热阻。由于热传导的速率正比于热导率，所以换热器中采用热导率高的材料(如铜、钢、石墨等)作为传热间壁材料。在热绝缘设施中，采用热导率低的材料（比如石棉 空气)作为绝热材料。

对于壁面相等的多层平壁，根据串联热阻的概念，其热流量计算式为：

式中ΔT为最内层壁内侧面与最外层壁外侧面之间的温度差；n为层数。

非定态热传导计算 如果操作是间歇的或周期性的，如蓄热器（见换热器）的操作，这时热传导是非定态的。对于形状简单的物体（如平板、长方体、柱体和圆球），可由式 (2)结合一定的初始条件、边界条件求得解析解，但通常求得的解很复杂，往往以无穷级数形式表示。为便于应用，常将这些结果以图线表述。

对于二维、三维等更复杂的热传导，难以用解析法求解，一般可用数值法求解，或者采用Ansys，或者Comsol等数值模拟软件进行计算。4

工业应用工业上有许多以热传导为主的传热过程，如橡胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。在窑炉、传热设备和热绝缘的设计计算及催化剂颗粒的温度分布分析中，热传导规律都占有重要地位。在高温高压设备（如氨合成塔及大型乙烯装置中的废热锅炉等）的设计中，也需用热传导规律来计算设备各传热间壁内的温度分布，以便进行热应力分析。

其他传热模式热对流靠气体或液体的流动来传热的方式叫做热对流。液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。

对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体明显。

对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。

热辐射物体因自身的温度而具有向外以电磁波的形式发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射虽然也是热传递的一种方式，但它和热传导、对流不同。

它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500摄氏度以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式，如太阳的热量就是以热辐射的形式，经过宇宙空间再传给地球的。

热的导体各种物体都能够传热，但是不同物质的热传导性能不同。容易传热的物体叫做热的良导体，不容易传热的物体叫做热的不良导体，金属都是热的良导体。瓷、木头和竹子、皮革、水都是不良导体。金属中最善于传热的是银，其次是铜和铝。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花，石棉、软木和其他松软的物质。石棉常作为绝热材料。液体，除了水银外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热。5