熱分析基礎知識

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熱的傳遞是由于物體內部或物體之間的溫度不同而引起的。當無外功輸入時，根據熱力學第二定律，熱總是自動地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，根據傳熱機理的不同，傳熱的基本方式有熱傳遞、熱對流和熱輻射三種。

一、熱傳導

1）基本概念：當物體的內部或者兩個直接接觸的物體之間存在著溫度差異時，物體各個部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱為熱傳導。熱能就從物體的較高部分傳給溫度較低的部分或從一個溫度較高的物體傳給直接接觸的溫度較低的物體。

2）特點：物體各個部分不發生宏觀的相對位移。導電固體中，導熱起主要作用的是由自由電子的擴散運動；非導電固體和大部分的液體中，導熱是通過振動能從一個分子傳遞到另一個分子；在空氣中，導熱則是由于分子的不規則運動而引起的。

3）熱傳導基本規律-傅里葉定律

傅里葉定律表示：在單位時間以熱傳導方式傳遞的熱量與垂直于熱流的截面積成正比，與溫度梯度成正比。負號表示導熱方向與溫度梯度方向相反。

傅里葉定律中的導熱系數是物質的一種物理性質，表示位置的導熱能力的大小，導熱系數值越大，物質的導熱性能越好。導熱系數只能實際測定。一般來說，金屬的導熱系數最大，非金屬的固體次之，液體的較小，氣體的最小。

1）基本概念：是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各個部分之間發生相對位移，冷熱流體互相摻混所引起的熱量傳遞過程。熱對流僅發生在流體中，對流的同時必伴隨有導熱現象。

2）對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程。

3）對流換熱的分類：

根據對流換熱時是否發生相變，分為有相變的對流換熱與無相變的對流換熱；

根據引起流動的原因，分為自然對流和強制對流。

自然對流：自由流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動。如，暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動。

強制對流：流體的流動是由于水泵、風機或其他壓差作用而引起的。

沸騰及凝結換熱：液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結的對流換熱（相變換熱）

4）熱對流的基本規律-牛頓冷卻公式

牛頓冷卻公式中的對流換熱系數的大小與傳熱過程中的許多因素有關。不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀大小、相對位置，而且與流體的流速有關。一般地，就介質而言，水的對流換熱比空氣強烈；就換熱方式而言，有相變的對流換熱強于無相變的對流換熱。

1）輻射與熱輻射：物體通過電磁波來傳遞能力的方式稱為輻射。因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射。

2）輻射傳熱：輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱為輻射換熱。輻射換熱時一個動態過程，當物體與周圍環境溫度處于熱平衡時，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進行，只是輻射熱與吸收熱相等。

3）熱輻射的基本規律-斯蒂芬—波爾茨曼定律

在工程中通常考慮兩個或者兩個以上物體之間的輻射，系統中的每個物體同時輻射并吸收熱量。要增加輻射換熱，可以提高熱源表面的黑度和到冷表面的視角系數，增加表面積。