热传递的三种方式 三种方式 的解析

在热传递过程中，一般用热量来量度内能改变的多少。热传递又分为热对流、热传导、热辐射。实际上，这三种传热方式常常同时并存，因而，增加了过程的复杂性。以下就是对这三种传递过程的详解

1.热传导

热传导由组成系统的分子或原子的热运动及其相互作用引起的热量从高温向低温迁移的

热传递与热传导

宏观现象。物质的三种聚集态——气、液、固中都能发生热传导。热传导遵从的宏观规律是傅里叶定律。根据这个定律，由系统内温度分布不均匀引起的在dt时间内流过面积元dS的微热量为：

dQ=－λ(r)(2T/2n)dSdt

式中的r是确定面积元dS位置的径矢，(2T/2n)表示r处沿dS法线方向的温度梯度，负号说明热量总是沿着温度减小的方向进行，λ(r)表示r处系统的热导率，它的数值反映该种物质传递热量的本领。热导率是温度的函数，在一个温度分布不均匀的系统中，它随径矢而改变。但对很多物质，当温度变化不大时热导率可近似为常数。铜在室温下的热导率为3.98×102瓦/(米·开)，而相同条件下的空气热导率为2.57×10－2瓦/(米·开)。

热传导是由于大量分子、原子等相互碰撞，使物体的内能从温度较高部分传至较低部分的过程。热传导是固体热传递的主要方式，在气体和液体中，热传导往往与对流同时进行。各种物质热传导的性能不同，金属较好，玻璃、羽毛、毛皮等很差。

2.热辐射

借助电磁波传递能量的方式称为热辐射。它具有连续的辐射能谱，波长自远红外区延伸

CPU热传递

至紫外区，但主要靠波长较长的红外线。辐射源表面在单位时间内、单位面积上所发射（或吸收）的能量同该表面的性质及温度有关 ，表面越黑暗越粗糙，发射（吸收）能量的能力就越强。任何物体都以电磁波的形式向周围环境辐射能量。辐射电磁波在其传播路上遇到物体时，将激励组成该物体的微观粒子的热运动，使物体加热升温。热辐射电磁波的波长限于0.8微米至0.8毫米的红外波段。物体的温度升高到400—500℃后就会发出可见光（波长为0.4—0.8微米） ，同时以热的形式辐射能量。热辐射遵循的宏观规律是建立在普朗克平衡辐射场能量密度公式基础上的斯忒藩－玻耳兹曼定律：黑体的总辐出度E0（单位时间里从单位面积发射的能量）与它温度T4成正比：

E0(T)=σ0T^4=σ0′(T/100)^4

式中的比例系数σ0′=5.67J/（s·m^2·k^4）称斯忒藩－玻耳兹曼常数。落到物体上的电磁辐射部分被吸收，部分被反射，部分贯穿物体，可分别定义物体的吸收系数a、反射系数r和透射系数d为：

a=Qa/Qr=Qr/Qd=Qd/Q

式中的Q和Qa、Qr、Qd分别表示入射物体的电磁辐射能量及其被吸收、反射和透射的那一部分能量。由能量守恒定律可得：a+r+d=1。通常把a=1、r=d=0的物体称为绝对黑体；具有全反射（r=1、a=d=0）性质的物体称绝对白体；绝对透明体的d=1、a=r=0。实际上只有薄膜固体才具有相当的透明度。一些气体可看作是透明体，另一些气体对辐射的吸收具有选择性。吸收系数与波长无关（aλ=a=常数）的物体被称为灰体。灰体的单色辐出度类似黑体是连续分布的，只是数值按比例ε减小，ε又称黑度。由此可得灰体的总辐出度为：

E=εE0=εσ0T4=σT^4=σ′(T/100)^4

式中的σ=εσ0（或者σ′=εσ0′），称作灰体的辐射系数。

不同物体对同样电磁波的吸收、穿透和反射的程度各不相同。

一个物体向外辐射能量的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。如果物体辐射出去的能量恰好等于在同一时间内所吸收的能量，则辐射过程达到平衡，称为平衡辐射，此时物体具有固定的温度（见普朗克公式）。

热辐射能把热能以光速穿过真空，从一个物体传给另一个物体。任何物体只要温度高于绝对零度，就能辐射电磁波，被物体吸收而变成热能，称为热射线。电磁波的传播不需要任何媒质，热辐射是真空中唯一的热传递方式。太阳传递给地球的热能就是以热辐射的方式经过宇宙空间而来。

热对流是靠液体或气体的流动，使内能从温度较高部分传至较低部分的过程。对流是液体和气体热传递的主要方式，气体的对流比液体明显。

3.热对流

热对流是流体（包括液体和气体）流动过程中从温度较高处向温度较低处放热的现象。对流又分为强迫对流和自由对流。前者是流体在外界动力（如泵、风扇、压强差等）驱动下的运动；后者是流体因温度分布不均匀诱发密度不均匀而产生浮力作用下的运动。管道内发生的对流传热称为内部问题，流体流过物体时发生的对流传热是外部问题。

温度为t0的流体流过一个温度为tw（大于t0）的物体时，流体的温度从物体表面温度tw变化到t0的过程发生的物体表面附近的薄层内，薄层的厚度取决于流体的性质及其运动特征。流体运动越湍急，此温度边界层越薄，正是在此边界层内发生的热传导和对流，使热量从物体表面传递向流体。实验表明，对流传热过程中物体从流体获得（或放出）的热量Q与物体的表面积A、时间τ和它与流体之间的平均温度差Δt=tw－t成正比，故有牛顿冷却定律：Q=αΔtAτ。式中的比例系数α叫作放热系数，tw和t分别是物体表面和流体的平均温度。计算对流传热问题的困难在于确定放热系数α，应用实验和理论确定不同情况下的放热系数构成了热交换理论的主要内容。

热辐射是物体不依靠介质，直接将能量发射出来，传给其他物体的过程。热辐射是远距离传递能量的主要方式，如太阳能就是以热辐射的形式，经过宇宙空间传给地球的。