熱量傳遞

熱量傳遞簡稱傳熱。物體內部或者物體之間，只要有溫差的存在，就有熱量自發地由高溫處向低溫處傳遞。自然界日常生活和工業生產領域中到處存在著溫差，因此熱量傳遞就成為一種極普遍的物理現象。研究熱量傳遞的規律即根據不同的熱量傳遞過程得出單位時間內所傳遞的熱量與相應的溫度差之間的關係。不同的熱量傳遞方式具有不同的傳遞規律，相應的研究分析方法也各不相同。

傳熱學在科學技術各個領域中都有十分廣泛的應用。儘管各個領域中遇到的傳熱問題形式多樣，但研究傳熱的目的大致上可以歸納為三個方面。

(1)強化傳熱，在一定的條件下(如一定的溫差、體積、重量或泵功等)增加所傳遞的熱量。

(2)削弱傳熱或稱熱絕緣，即在一定的溫差下使熱量的傳遞減到最小。

(3)溫度或傳熱控制，為使一一些設備能安全、經濟地運行，或者為得到優質產品、工藝，需要對熱量傳遞過程中物體關鍵部位的溫度或傳熱速率進行控制。

在傳熱研究中，為了分析問題和數學處理的方便，與研究流體流動時一樣，採用了連續介質模型，即通常假定所研究的物體中溫度、密度、速度等傳熱相關物理參數都是空問的連續函數。對於氣體只要被研究物體的幾何尺度遠大於分子問的平均自由程，這種連續體的假定總是成立的。

研究熱量傳遞的傳熱學與工程熱力學都是研究與熱現象有關的科學。然而，這兩門學科的研究內容和方法是有區別的。首先，工程熱力學研究的是處於平衡狀態的體系，其中不存在溫差或者壓力差，而傳熱學則是研究有溫差存在時處於不平衡狀態的體系的熱能傳遞規律。例如，經過高溫製備出的材料的冷卻，熱力學主要研究單位質量的材料在這一冷卻過程中散失的熱量；而傳熱學則主要研究該冷卻過程受哪些因素影響，冷卻過程中溫度如何變化，冷卻需要多長時間等諸多問題。其次，熱力學中所說的熱量通常是指能量，其單位通常用焦耳(J)和卡(kcal)來表示，而傳熱學中所說的傳熱量通常是指單位時間內傳遞的熱量，因此其單位通常用瓦(W)等功率單位。儘管如此，傳熱學與工程熱力學有著密切的關係：分析任何的熱量傳遞過程都要用到熱力學第一定律，即能量守恆定律。熱量傳遞過程的動力是溫度差，熱能總是由高溫處向低溫處傳遞。兩種介質或者同一物體的兩部分之間如果沒有溫差就不可能有熱量的傳遞，而這正是熱力學第二定律所規定的基本內容。因此，工程熱力學的第一、第二定律是進行傳熱學研究的基礎。

熱量傳遞主要有三種基本方式：導熱、熱對流和熱輻射。傳熱可以以其中一種方式進行，也可以同時以兩種或三種方式進行。根據傳熱介質的特徵，熱量傳遞的過程又可以分為熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱。

導熱是指依靠物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞而產生熱量傳遞的方式。例如，固體內部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，就是以導熱的方式進行的。

熱傳導在氣態、液態和固態物質中都可以發生，但熱量傳遞的機理不同。氣體的熱量傳遞是氣體分子作不規則熱運動時相互碰撞的結果。氣體分子的動能與其溫度有關，高溫區的分子具有較大的動能，即速度較大，當它們運動到低溫區時，便與低溫區的分子發生碰撞，其結果是熱量從高溫區轉移到低溫區。

固體以兩種方式傳遞熱量：晶格振動和自由電子的遷移。在非導電的固體中，主要通過分子、原子在晶體結構平衡位置附近的振動傳遞能量；對於良好的導電體如金屬，類似氣體分子的運動，自由電子在晶格之間運動，將熱量由高溫區傳向低溫區。由於自由電子的數目多，所傳遞的熱量多於晶格振動所傳遞的熱量，因此良好的導電體一般都是良好的導熱體。

液體的結構介於氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既依靠分子的振動，又依靠分子間的相互碰撞。

在物體各部分之間不發生相對位移的情況下，如固體、靜止的液體和氣體中以導熱方式發生的熱量傳遞過程，稱為熱傳導。

熱對流指由於流體的宏觀運動，冷熱流體相互摻混而發生熱量傳遞的方式。這種熱量傳遞方式僅發生在液體和氣體中。由於流體中的分子同時進行著不規則的熱運動，因此對流必然伴隨著導熱。

當流體流過某一固體壁面時，所發生的熱量傳遞過程稱為對流傳熱，這一過程在工程中廣泛存在。在對流傳熱過程中，根據流體的流態，熱量可能以導熱方式傳遞，也可能以對流方式傳遞。

根據引起流體質點位移(流體流動)的原因，可將對流傳熱分為自然對流傳熱和強制對流傳熱。自然對流傳熱是指由於流體內部溫度的不均勻分佈形成密度差，在浮力的作用下流體發生對流而發生的傳熱過程，例如暖氣片表面附近空氣受熱向上流動的過程。強制對流傳熱是指由於水泵、風機或其他外力引起流體流動而發生的傳熱過程。流體進行強制對流傳熱的同時，往往伴隨著自然對流傳熱。

根據流體與壁面傳熱過程中流體物態是否發生變化，可將對流傳熱分為無相變的對流傳熱和有相變的對流傳熱。無相變的對流傳熱指流體在傳熱過程中不發生相的變化；而有相變的對流傳熱指流體在傳熱過程中發生相的變化，如氣體在傳熱過程中冷凝成液體，或液體在傳熱過程中沸騰而轉變為氣體。

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。輻射有多種類型，其中因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射。

自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。發出熱輻射與吸收熱輻射過程的綜合結果就造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞——輻射換熱。當物體與物體或周圍環境處於熱平衡時，輻射換熱量等於零，但這是動態平衡，研究表明物體向外發出的熱輻射和吸收的熱輻射相等，但是該物體與其他物體或環境之間的輻射與吸收過程仍在不停地進行。高溫物體通過輻射換熱將熱量傳給低溫物體實際上是由於高溫物體給低溫物體的輻射能大於低溫物體給高溫物體的輻射能的綜合結果。

與導熱和對流換熱相比，熱輻射具有如下特點：

①輻射能可以通過真空自由地傳播而無需任何中間介質；

②一切物體溫度高於0K的物體均能夠持續地發射出輻射能，同時也能持續地吸收來自其他物體的輻射能；

③熱輻射不僅具有能量的傳遞，而且具有能量形式的轉換。發射時從熱能轉換為輻射能，而被吸收時又從輻射能轉換為熱能。