工程热力学与传热学-§8-1 热传导
热传导模型探析及其在工程热力学中的应用
热传导模型探析及其在工程热力学中的应用热传导是物质热学中的一个重要问题。
热传导模型是热力学、物理学、数学和工程学交叉融合的产物，用于描述任意形状物体的温度分布、热量传递规律和温度场的演化过程。
它是工程热力学研究的核心内容，也是产品设计、加工、制造和使用中极为重要的问题。
本文将从热传导模型的基本理论出发，探索其在工程热力学中的应用。
一、热传导模型的基本理论热传导模型是热传导过程中温度场、热量通量和热传导方程之间的关系模型。
其中，温度场是指物体内部各点的温度状况，热量通量是指热能传递的速率和方向，热传导方程是热力学第二定律的具体应用。
热传导方程最早由法国数学家傅立叶在1822年提出，其基本形式为：∂T/∂t = α(∂2T/∂x2 + ∂2T/∂y2 + ∂2T/∂z2)其中，T表示温度，t表示时间，α表示热扩散系数。
这个方程可以用来描述物体内部温度随时间和空间的演化过程。
热传导模型也可以分析材料的导热性质。
导热系数是物质的特性值，表示温度梯度单位长度内能量传递速率。
热传导模型的目的就是通过导热系数分析材料的导热性质，从而确定材料的热稳定性和耐温性。
二、热传导模型在工业生产中的应用1、制造模具制造模具是一种冷却系统的设计问题。
对于大规模生产而言，模具的冷却效果很重要，关系到成品质量和制造效率。
由于模具的形状复杂，需要用热传导模型分析其冷却效果。
热传导模型可以用于确定模具的冷却方式，确定冷却时间和冷却效果，从而优化模具的设计。
2、处理机械零件工业生产中，冷却油是很重要的工作液体。
冷却油主要用于对机械零件进行加热和冷却。
热传导模型可以用来分析各种冷却液作用下，机械零件的温度变化和传热效果，从而确定哪种液体最适合用于哪种零件。
这种技术可以降低产品磨损、延长使用寿命和提高工作效率。
3、建筑工程热传导模型可以用于建筑物的保温设计。
保温设计是在保证舒适性的前提下，对建筑物进行节能设计和节能改造。
热传导模型可以用来分析建筑物内部温度分布状况和传热规律，从而制定最优的保温方案。
工程热力学与传热学第二章稳态热传导基本概念
2. 常温边界
系统边界温度恒定，即 (T = T_b)
3. 周期性边界
系统边界温度呈周期性变化， 即 (T(x, y, z, t) = T(x + L, y,
z, t))
求解方法
有限差分法
将导热微分方程转化为差 分方程，通过迭代求解温 度分布。
有限元法
将导热微分方程转化为变 分形式，利用有限元离散 化求解温度分布。
在稳态热传导过程中，导热系数和热 阻共同决定了物体内部温度分布的特 性。
当材料的导热系数越大，其对应的热 阻就越小，表示热量传递越容易；反 之，导热系数越小，热阻越大，热量 传递越困难。
04 稳态热传导的实例分析
一维稳态热传导
总结词
一维稳态热传导是热传导在单一方向上的情况，常见于细长物体或薄层材料。
三维稳态热传导
要点一
总结词
三维稳态热传导涉及三个方向的热量传递，常见于球体或 立方体。
要点二
详细描述
在三维稳态热传导中，热量在三个相互垂直的方向上传递 ，常见于球体或立方体等三维物体。三维稳态热传导的温 度分布在不同方向上都是稳定的，其数学模型比一维和二 维情况更为复杂，需要考虑三个方向的热量传递。三维稳 态热传导在解决实际问题时具有重要意义，如地球内部的 热量传递、建筑物的散热分析等。
稳态热传导的重要性
01
02
03
工程应用广泛
稳态热传导在许多工程领 域都有广泛应用，如建筑、 机械、航空航天等。
基础理论支撑
稳态热传导是传热学的基 础理论之一，对于理解更 复杂的传热过程和现象至 关重要。
节能减排
通过掌握稳态热传导规律， 有助于优化能源利用，实 现节能减排。
稳态热传导的应用场景
工程热力学与传热学概念整理
工程热力学与传热学概念整理工程热力学第一章、基本概念1.热力系：根据研究问题的需要，人为地选取一定范围内的物质作为研究对象，称为热力系（统），建成系统。
热力系以外的物质称为外界；热力系与外界的交界面称为边界。
2.闭口系：热力系与外界无物质交换的系统。
开口系：热力系与外界有物质交换的系统。
绝热系：热力系与外界无热量交换的系统。
孤立系：热力系与外界无任何物质和能量交换的系统3.工质：用来实现能量像话转换的媒介称为工质。
4.状态：热力系在某一瞬间所呈现的物理状况成为系统的状态，状态可以分为平衡态和非平衡态两种。
5.平衡状态：在没有外界作用的情况下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。
实现平衡态的充要条件：系统内部与外界之间的各种不平衡势差（力差、温差、化学势差）的消失。
6.强度参数：与系统所含工质的数量无关的状态参数。
广延参数：与系统所含工质的数量有关的状态参数。
比参数：单位质量的广延参数具有的强度参数的性质。
基本状态参数：可以用仪器直接测量的参数。
7.压力：单位面积上所承受的垂直作用力。
对于气体，实际上是气体分子运动撞击壁面，在单位面积上所呈现的平均作用力。
8.温度T：温度T是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的参数。
换言之，温度是热力平衡的唯一判据。
9.热力学温标：是建立在热力学第二定律的基础上而不完全依赖测温物质性质的温标。
它采用开尔文作为度量温度的单位，规定水的汽、液、固三相平衡共存的状态点（三相点）为基准点，并规定此点的温度为273.16K。
10状态参数坐标图：对于只有两个独立参数的坐标系，可以任选两个参数组成二维平面坐标图来描述被确定的平衡状态，这种坐标图称为状态参数坐标图。
11.热力过程：热力系从一个状态参数向另一个状态参数变化时所经历的全部状态的总和。
12.热力循环：工质由某一初态出发，经历一系列状态变化后，又回到原来初始的封闭热力循环过程称为热力循环，简称循环。
13.准平衡过程：由一系列连续的平衡状态组成的过程称为准平衡过程，也成准静态过程。
工程热力学与传热学：8-1 热传导
传热学 第八章 热量传递的基本方式
第八章 热量传递的基本方式
❖ 内容要求
❖ 传热的基本概念； ❖ 热传导及一维稳态导热的傅里叶定律； ❖ 热对流，对流换热及牛顿冷却公式； ❖ 热辐射及其特点； ❖ 传热过程简介。
传热的基本概念
传热： 传热是物质在温度差的作用下所发生的热量
传递过程。
单位时间通过单位面积传递的热量。W/m2
✓dt/dx—热流方向上的温度梯度。 ✓λ— 导热系数 （the thermal conductivity）
反映了材料的导热能力。 W/(m.K)
传热学和热力学的关系 举例 水桶内灼热钢棒的冷却过程
热力学：
✓ 研究平衡体系。计算系统由一种平衡状态 转化为另一种平衡状态所需的能量。
✓ 钢棒和水这一体系最终的平衡温度
传热学：
✓ 需要多长的时间才能达到平衡状态。 即热传播的速率。
✓ 在达到平衡状态前某一时刻钢棒温度是多少？ 即钢棒和水的温度随时间的变化规律。
Whenever there is a temperature difference in a medium or between media, heat transfer must occur.
传热学（Heat tranfer）： 是研究热量传递过程中的基本规律及其
应用的科学。
热量传递的基本方式 热传导 (Conduction) 热对流 (Convection) 热辐射 (Radiation)
宏观范畴
连续介质
8—1 热传导
8-1-1 热传导（导热）（Conduction）
物体的各部分之间不发生相对位移时，依靠 分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动 而进行的热量传递过程。
传热学(第8章--导热)
q
t r
r
1 1
2 2
3 3
则
q
r
0.0015 200
0.0002 0.0001 1.5 0.1
151(倍)
q r
0.0015
200
33
思考题
在三层平壁的稳定导热问题中，已测得tw1、tw2、 tw3、tw4依次为600℃、500℃、200℃、100℃，试 问哪一层壁热阻最大？假设各层厚度相同，问哪一 层壁材料的热导率最小？
（答案：中间层热阻最大，热导率最小）
34
8-4 圆筒壁的稳定导热
➢ 电厂中的很多换热设备均采用管式结构，如锅炉 水冷壁、过热器、省煤器以及凝汽器、回热加热 器等管壁的导热。
无限长圆筒壁：指长度比内、外径大得多（通常 取L/D大10倍及以上时）的圆筒壁。其导热过程在 圆柱坐标系中可简化为仅沿半径方向的一维导热。
度
场
一维不稳定温度场 t f (x, )
不稳定温度场 二维不稳定温度场 t f (x, y, )
三维不稳定温度场 t f (x, y, z, )
19
三、等温面与等温线：
1.定义：
➢ 等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点 连接起来所构成的面。
➢ 等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平 面上得到一个等温线簇。
的温度分布为一条曲折线。
38
8-5 不稳定导热
一、不稳定导热过程的特点
1、不稳定导热的定义： ——物体的温度随时间而变化的导热过程称
不稳定导热。 t f (x, y, z, ) , Φ f( )
2、不稳定导热的分类： 周期性不稳定导热：物体的温度随时间而作
周期性的变化。 瞬态不稳定导热：物体的温度随时间的推移
热力学中的热传导
热力学中的热传导热力学是研究能量转化和传递的学科，而热传导作为其中重要的一部分，研究了热量如何通过物质的传导方式扩散和传输。
本文将介绍热力学中的热传导现象及其相关理论。
一、热传导的基本概念热传导是指能量由高温区域传递到低温区域的过程。
当物体的温度存在差异时，其分子内部或者分子之间会发生热运动。
这些高速运动的分子会相互碰撞，从而使能量传递到周围的分子，最终形成热传导。
热导率是衡量物质传导热量能力的物理量，用符号λ表示。
二、热传导的数学模型热传导可以用一维传热方程进行描述，即傅立叶热传导定律：q = -λ∇T其中，q表示单位时间通过物质单位面积的热量传递，λ是物质的热导率，∇T是温度梯度。
三、热传导的影响因素热传导的强弱受到多种因素的影响，下面介绍几个重要的因素：1. 温度差异：温度差越大，热传导的速度越快。
2. 物质的热导率：热导率越大，热传导的速度越快。
3. 物体形状和尺寸：形状不同、尺寸不同的物体，在相同温度差下，热传导速度也会有所不同。
四、热传导的应用热传导在日常生活和工业生产中都有广泛的应用，下面列举几个例子：1. 热保温材料：热传导性能差的材料常被用于制作保温材料，减少热量的传递，提高能源利用效率。
2. 导热管：导热管利用高热导率的材料制成，将热量从热源传递到其他地方，用于散热或者加热。
3. 热散热器：用于电子产品等领域，通过增加表面积和空气流通，加速热量传递，降低温度。
结语热传导现象是热力学研究中的重要内容，它从微观层面解释了热量的传递过程，并通过数学模型描述了热传导规律。
热传导的强弱受到多种因素的影响，同时在实际生活和工业生产中也有广泛的应用。
深入理解热传导现象对于热力学的研究和实际应用具有重要意义。
热力学热传导和传热方式
热力学热传导和传热方式热力学是研究热的性质及其变化规律的学科，而热传导是热从高温物体到低温物体的传递过程。
在热力学中，热传导是一个重要的概念，也是研究传热方式的基础。
本文将探讨热力学热传导的基本原理以及传热方式的分类。
一、热力学热传导的基本原理热力学热传导是热从高温物体到低温物体以分子自由平均速度的方式传递的过程。
热传导的基本原理可以通过热传导方程来描述，即傅里叶热传导定律。
该定律表明，热传导的速率正比于传热面积，温度差和传热介质的热传导性能，与传热距离成反比。
这一定律为我们理解和应用热传导提供了基础。
二、传热方式的分类根据热能传递的方式不同，我们将传热方式分为三类：传导、对流和辐射。
1. 传导传导是指热从一个物体的高温部分沿着物体的内部或表面传递到低温部分的过程。
传导可以分为三种类型：热传导、电传导和扩散传导。
- 热传导：热传导是由传热介质内分子的碰撞和振动引起的热传递。
在固体和液体中，热传导是主要的传热方式，而在气体中，对流和辐射传热相对较重要。
- 电传导：电传导是指热量通过带电粒子的传递进行的。
在导体中，电子是可以自由移动的，因此热从高温部分通过电子的传递到低温部分。
- 扩散传导：扩散是指由浓度差引起的物质的自发传递。
此类传导在固体和液体中比较常见，如化学反应中的物质传递。
2. 对流对流是通过流体运动而进行的传热方式。
在自然对流中，流体由于密度的差异而产生的浮力使得流体发生对流运动，从而实现传热。
在强制对流中，通过外部力的作用使流体发生对流，达到传热的目的。
对流传热又可分为强制对流和自然对流两种类型。
- 强制对流：强制对流是指通过外部力的作用使流体发生对流传热。
例如，在工业生产中，通过排烟系统将热空气排出，并通过外部风扇的作用加速空气流动，实现传热过程。
- 自然对流：自然对流是指由于密度差异引起的流体自主运动，进行传热。
例如，当一个加热器在空气中加热时，由于加热使得空气温度升高，形成热对流。
工程热力学与传热学总结与复习
工程热力学与传热学总结与复习一、工程热力学1.热力学基本概念：温度、压力、体积、能量、功、热量等。
2.热力学第一定律：能量守恒原理，能量的转化与传递。
3.热力学第二定律：熵增原理，能量转化的方向性和能量质量的评价。
4.热力学循环：热力学循环的性质和效率计算。
5.热力学性质：热容、比热、比容等，理想气体方程等。
6.相变与理想气体：气体的状态方程，相变的特性和计算。
7.热力学平衡与稳定性：热力学平衡条件和稳定性判据。
8.热力学性能分析：绝热效率、功率、热效率等。
二、传热学1.传热基本概念：传热方式（传导、对流、辐射）、传热热流量。
2.热传导：热传导过程的数学模型、导热系数、傅里叶热传导定律等。
3.对流传热：强制对流和自然对流，传热换热系数的计算和影响因素。
4.辐射传热：黑体辐射、斯特藩—玻尔兹曼定律、辐射传热换热系数等。
5.热传导与热对流的复合传热：壁面传热、换热器传热、管壳传热等。
6.传热器件性能：传热器件的热阻、效率、流动阻力等。
1.理解基本概念：温度、压力、体积、能量、功、热量等的概念和关系。
2.强化热力学基本定律：热力学第一定律和第二定律的应用，能量转化与传递的分析。
3.熟悉状态方程：理想气体方程等的使用，相变的特性和计算方法。
4.学会评价热力学性能：热力学循环的性质和效率计算，热力学性能分析的方法。
5.掌握传热方式和模型：传热方式的概念和特点，热传导、对流传热和辐射传热的数学模型。
6.熟练计算传热换热系数：热传导、对流传热和辐射传热的传热换热系数的计算方法。
7.理解传热过程中的复合传热：热传导与热对流的复合传热的分析和计算方法。
8.增强对传热器件性能的认识：传热器件性能评价的指标和计算方法。
在复习过程中，可以通过阅读教材和相关的参考书籍深入学习热力学和传热学的理论知识。
同时，要结合例题和习题进行练习，加强对概念和公式的运用和理解。
此外，可以通过查找工程实例和实验数据来应用所学知识，加深对热力学和传热学的认识和理解。
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工程热力学与传热学的关系总结
相同点
均以热力学第一定律 和第二定律为基础
不同点
定义：能量转换—能量传递 状态：研究平衡态—重在过 程和非平衡态 时间：不考虑—例：
正在吊装的电站锅炉的尾部换热管束
6
浙江华能玉环电厂 我国自制的首台超超临界1000MW发电机组
单位 W/(m·K)。
15
§8-1 热传导 3.热流密度 q ：单位时间通过单位面积的热流量
R A
称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力， 单位为K/W 。
tw1
R
热阻网络
tw2
16
17
7
传热原理在冶金工业领域中的应用举例：
炼钢
轧钢
焦炉出焦
8
传热原理在高新技术领域中的应用举例：
9
长征火箭矗立在发射台架上
神州号隔热瓦细部
10
航天飞机腹部的隔热瓦
11
电子设备冷却用的小型热管
用钻石加工出来的微尺度换热铜板： 厚125m，整体尺寸为 25mm×25mm
12
热量传递的基本方式 导热（热传导）：温度不同的物体各部 分或温度不同的两物体直接接触时，依 靠分子、原子及自由电子等微观粒子热 运动而进行的热量传递现象。
热对流:流体中,温度不同的各部分之间 发生相对位移时所引起的热量传递现象。
热辐射：由于温度（热）的原因而发出 辐射能的现象称为热辐射。
13
§8-1 热传导
1.热传导：（简称导热）
在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、 原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现 象。
导热现象发生在固体内部，也可发生在静止的液体和 气体之中。
§8-1 热传导
自然界与生产过程到处存在温差有温差就会有传热 热量自发地由高温物体传给低温物体
传热学研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递 的机理、规律、计算方法。
2
日常生活中
电影《泰坦尼 克号》里，为 什么Jack冻死 了，而Rose没 有？ 70℃的铁和600 ℃的木头摸上 去的感觉是一 样的，为什么 ？
3
工程热力学与传热学的关系
工程热力学—热能的间接利用
• 把热能转换为机械能或电能，为生产 和生活提供动力。如火力发电、交通 运输、石油化工、机械制造以及各种 动力装置。热能形式发生了变化。
传热学—热能的直接利用
• 直接用热能加热物体。 如取暖、烘干、 冶炼、蒸煮、化工过程中分馏、加热 原油等。热能形式不变。
本书不讨论导热的微观机理，只讨论热量传递的宏观 规律。
14
§8-1 热传导
2.最简单的导热现象：大平壁的一维稳态导热
假设：
t
1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度； tw1
2.平壁温度不随时间改变；
3.热量只沿着垂直于壁面的方向传递。
tw2
热流量：单位时间传导的热量,W
0
x
: 材料的热导率（导热系数）：表明材料的导热能力，