传热方式：传导、对流和辐射

传热

传热定义为热能从一个区域传递到另一个区域，这是由于温度梯度造成的。在实际应用中，热量总是从高温区域传递到低温区域。

传热方式

热能从一个区域传递到另一个区域，可以通过以下三种方式进行：

  • 传导

  • 对流

  • 辐射

在大多数实际情况下，传热是这三种传热方式组合的结果。

传导

当热量在物质内部从一部分传递到另一部分，而物质分子本身没有发生移动时，称为传导传热方式。

在这种方式中，传热速率，即热量沿物质传导的速率，取决于温度梯度。

在数学上，对于一个平行面为立方体的物体，

$$\mathrm{\mathrm{厚度\:=}\:\mathit{t}\:\mathrm{米}}$$

$$\mathrm{\mathrm{横截面积}\:=\:\mathit{A}\:\mathrm{平方米}}$$

$$\mathrm{\mathrm{两个表面的温度}\:=\:\mathit{T_{\mathrm{1}}}_{}^{\circ }\textrm{C}\:\mathrm{和}\:\mathit{T_{\mathrm{2}}}_{}^{\circ }\textrm{C}}$$

$$\mathrm{\mathrm{传热时间}\:=\:\mathit{T}\:\mathrm{小时}}$$

那么，通过该立方体传递的热量为：

$$\mathrm{\mathit{H}\:=\:\frac{\mathit{kA}}{\mathit{t}}\mathrm{\left( \mathit{T_{\mathrm{1}}-\mathit{T_{\mathrm{2}}}} \right )}\mathit{T}}$$

其中，H 以兆焦耳 (MJ) 为单位，k 为物质的热导率系数，其单位为 $\mathrm{MJ/立方米/_{}^{\circ }\textrm{C}/小时}$。

传导传热的例子包括耐火材料加热、绝缘材料加热等。

对流

当热量由于物质或流体分子本身的实际运动而从物质或流体的一部分传递到另一部分时，称为对流传热方式。在这种方法中，传热速率主要取决于不同温度下流体密度的差异。

从浸入式电热水器到水的热能传递是对流传热方式的一个例子。水从加热器吸收的热量部分取决于加热元件的温度，部分取决于加热器的位置。

在数学上，对流传热中的散热量由以下表达式给出：

$$\mathrm{\mathit{H}\:=\:\mathit{a}\times \mathrm{\left ( \mathit{T_{\mathrm{1}}}-\mathit{T_{\mathrm{2}}} \right )^{\mathit{b}}}\:\mathrm{瓦特/平方米}}$$

其中，

  • 'a' 和 'b' 是常数，其值取决于加热表面。

  • $\mathit{T_{\mathrm{1}}}$ 和 $\mathit{T_{\mathrm{2}}}$ 分别是加热元件和流体/物质的温度，单位为 °C。

辐射

当热量从热源传递到待加热的物质，而它们之间没有直接接触时，称为辐射传热方式。辐射传热取决于表面。太阳能热水器中的热量传递是辐射传热方式的一个例子。

在数学上，辐射散热速率由 **斯蒂芬-玻尔兹曼定律** 给出，即

$$\mathrm{\mathit{H}\:=\:\mathrm{\left ( 5.72\:\times \:10^{\mathrm{4}} \right )}\:\times \:\mathit{ke}\mathrm{\left [ \mathrm{\left (\frac{\mathit{T_{\mathrm{1}}}}{1000}\right )^{\mathrm{4}}} -\mathrm{\left ( \frac{\mathit{T_{\mathrm{2}}}}{1000} \right )^{\mathrm{4}}}\right ]}\:\mathrm{瓦特/平方米}}$$

其中，

  • σ = (5.72× 104) 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数

  • 'e' 是发射率（对于理想辐射体，其值为 1）

  • $\mathit{T_{\mathrm{1}}}$ 是热源的温度，单位为开尔文

  • $\mathit{T_{\mathrm{2}}}$ 是待加热物质的温度，单位为开尔文

  • 'k' 是辐射系数（对于单一元素，其值为 1；对于黑体，其值为 0.5-0.8；对于电阻加热元件，其值为 0.9）。

此外，从辐射加热的表达式可以看出，辐射热量与温度的四次方之差成正比。因此，辐射加热在高温下非常有效。

更新于： 2022年2月23日

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