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1、材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学
2、材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学
3、传热学是一门研究热量传递规律的科学。凡传热学是一门研究热量传递规律的科学。凡是有是有温度差温度差的地方，的地方，热量就会自发地由高温热量就会自发地由高温物体向低温物体传递物体向低温物体传递。由于自然界和生产过。由于自然界和生产过程中温度差是到处存在的，因此，热量传递程中温度差是到处存在的，因此，热量传递是一种普遍的现象。是一种普遍的现象。本章主要介绍热量传递的本章主要介绍热量传递的基本规律、基本定基本规律、基本定律、传热量的计算、改善热量传递的有关途律、传热量的计算、改善热量传递的有关途径径。材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringf
4、undamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学内容内容导热导热对流换热对流换热辐射换热辐射换热综合传热综合传热掌握掌握材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学1 1、传热过程在工业生产中的应用传热过程在工业生产中的应用加热或冷却换热 保温 强化传热过程 削弱传热过程 2.1 2.1 热传递的基本知识热传递的基本知识材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materia
5、ls engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学2 2、传热的三种基本方式传热的三种基本方式 (1)(1)热传导：热传导：热量从物体内温度较高的部分传递到热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。过程称为热传导，又称导热。它是依靠物质的分子、原子或者自由电子等微粒的它是依靠物质的分子、原子或者自由电子等微粒的热运动来传递热量的。热运动来传递热量的。特点特点：没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移气体气体 分子做不规则
6、热运动时相互碰撞的结果分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体液体 机理复杂机理复杂材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering
7、 西南科技大学西南科技大学(2)(2)、热对流与对流换热：、热对流与对流换热：依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。现象，称为热对流。热对流是由于流体各部分发生相对位移而引起的热对流是由于流体各部分发生相对位移而引起的能量传递，同时还包括流体各部分之间的导热。能量传递，同时还包括流体各部分之间的导热。工程上所遇到的不是纯粹的流体内部的热对流，工程上所遇到的不是纯粹的流体内部的热对流，而是而是流体与固体流体与固体壁直接接触时的换热过程，即壁直接接触时的换热过程，即对流换热对流换热，它是，它是对流和导热两种方式的联合对流和导热两种方式
8、的联合作用的结果作用的结果。2 2、传热的三种基本方式传热的三种基本方式 材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学(3)(3)、热辐射和辐射换热：、热辐射和辐射换热：物体以电磁波方式向外传播热量的过程称物体以电磁波方式向外传播热量的过程称热
9、辐射热辐射。被传递的热量称为被传递的热量称为辐射热辐射热。高温物体向低温物体辐射的能量高温物体向低温物体辐射的能量大于大于低温物体向高低温物体向高温物体辐射的能量，总的结果是热量由高温物体传温物体辐射的能量，总的结果是热量由高温物体传向低温物体向低温物体。这种相互不接触的物体表面之间，或物体表面与这种相互不接触的物体表面之间，或物体表面与周围气体之间发生的相互辐射进行热量交换的现周围气体之间发生的相互辐射进行热量交换的现象，称象，称辐射换热辐射换热。2 2、传热的三种基本方式传热的三种基本方式 材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineering
10、fundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学说明说明以上三种热传递的基本方式，在实以上三种热传递的基本方式，在实际热量传递过程中，往往不是单独际热量传递过程中，往往不是单独进行的，常常是一种形式伴随着另进行的，常常是一种形式伴随着另一形式而同时出现。是三种基本方一形式而同时出现。是三种基本方式的复杂组合。式的复杂组合。材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学2.2 2.2 导导 热
11、热1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：主要介绍导热的主要介绍导热的基本概念、基本定律、导热量基本概念、基本定律、导热量的计算的计算(平壁、筒壁、球壁平壁、筒壁、球壁)(1)(1)温度场：在某一瞬间，物体内部所有各点温温度场：在某一瞬间，物体内部所有各点温度的分布情况。度的分布情况。温度场内各点的温度有可能各不相同，某一温度场内各点的温度有可能各不相同，某一给定点的温度也可能随着时间的延续而发生给定点的温度也可能随着时间的延续而发生变化。所以，温度场内的温度是变化。所以，温度场内的温度是空间和时间空间和时间的函数。的函数。材料工程基础材料工程基础 fundamentals of
12、 materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学温度场表示为温度场表示为上式的温度上式的温度t t不仅与坐标不仅与坐标x x、t t、z z有关，而且和时间有关，而且和时间t t有关，即：有关，即：这样的温度场这样的温度场 不稳定温度场不稳定温度场分两种：分两种：加热加热冷却冷却1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineeri
13、ng 西南科技大学西南科技大学当：当：即温度不随时间而变化，称即温度不随时间而变化，称稳定稳定温度场。温度场。分三种：分三种：三维三维二维二维一维一维重点研究一维稳定温度场重点研究一维稳定温度场1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学(2)(2)等温面和等温线：等温面和等温线：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面，称成的面，称等温
14、面等温面。不同的等温面与同一平面相。不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇线，称交，则在此平面上构成一簇线，称等温线等温线。等温面可以是平面，也可以是曲面等温面可以是平面，也可以是曲面。等温线同等温线同样可以是直线或曲线。样可以是直线或曲线。结论结论两个不同温度的等温面或两条不同温度两个不同温度的等温面或两条不同温度的等温线绝不会彼此相交；的等温线绝不会彼此相交；温度面或等温线上无热量的传递；温度面或等温线上无热量的传递；物体内温度场常用等温面或等温线表示物体内温度场常用等温面或等温线表示1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamen
15、tals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学(3)(3)温度梯度：温度梯度：自等温面上的某点出发，沿不同方自等温面上的某点出发，沿不同方向到达另一等温面，向到达另一等温面，将发现单位距将发现单位距离温度变化离温度变化，即，即温度的变化率温度的变化率，具具有不同的数值。有不同的数值。自等温面上某点到达另一个等温面，以该点法线自等温面上某点到达另一个等温面，以该点法线方向的温度变化率为最大。方向的温度变化率为最大。以该点法线方向为方以该点法线方向为方向，数值也正好等于这个最大温度变化率
16、的矢量向，数值也正好等于这个最大温度变化率的矢量称温度梯度称温度梯度。表示为：表示为：（/m/m）1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学温度梯度的大小等于等温面法线方向单位距离上温温度梯度的大小等于等温面法线方向单位距离上温度改变的数量，它表示温度变化的强弱。度改变的数量，它表示温度变化的强弱。它是矢量，其正方向是朝温度升高的方向它是矢量，其正方向是朝温度升高的方向。1 1、导热的
17、基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学(4)(4)热流和传热量：热流和传热量：单位时间内通过单位面积上所传递的热量称单位时间内通过单位面积上所传递的热量称热流热流。用用“q”表示，单位表示，单位W/mW/m2 2热流是矢量，其正方向朝温度降低方向，与温热流是矢量，其正方向朝温度降低方向，与温度梯度的正方向相反。度梯度的正方向相反。单位时间内，通过总传热面积上所传递的热量称单位时间内，通过总传热面
18、积上所传递的热量称传热量。用传热量。用“Q”表示，单位表示，单位W W即：即：（W W）1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学其特点是：其特点是：发生在不稳定温度场中的传热称发生在不稳定温度场中的传热称不稳定传热不稳定传热。其特点是：其特点是：物体被加热和被冷物体被加热和被冷发生在稳定温度场内的传热称发生在稳定温度场内的传热称稳定传热稳定传热。(5)(5)稳定传热和非稳定传热：稳定
19、传热和非稳定传热：1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学(6)(6)傅立叶傅立叶(Fourier J.)(Fourier J.)定律：定律：单位时间内通过单位面单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成积的热量与温度梯度成正比正比。对一维温度场：对一维温度场：（W/mW/m2 2）（W/mW/m2 2）式中：式中：在在x方向的温度梯度，方向的温度梯度，/m/m-比例系数，称导热系数，
20、比例系数，称导热系数，w/mw/m1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学（7 7）、导热系数）、导热系数2)2)意义：是物质的一种物理性质，随物质的温度和意义：是物质的一种物理性质，随物质的温度和种类不同而不同，它说明物质的导热能力大小。种类不同而不同，它说明物质的导热能力大小。3)3)导热系数与温度导热系数与温度的关系为：的关系为：或或式中：式中：t t 、o o 分别为材料在分
21、别为材料在t t、00的导热系数的导热系数 ，w/mw/m1)1)定义：其数值单位时间内，每单位长度上定义：其数值单位时间内，每单位长度上温度降低温度降低11时，单位面积上所通过的热量时，单位面积上所通过的热量。1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学说明说明在实际计算时，导热系数值常取物体两极端温度在实际计算时，导热系数值常取物体两极端温度的算术平均值。即：的算术平均值。即：或：或
22、：4)4)气体的导热系数气体的导热系数：表：表2-12-1大多数气体导热系数在大多数气体导热系数在0.00580.00580.58w/m0.58w/m,与与气体的压力无关，随温度的升高而增大。混合气气体的压力无关，随温度的升高而增大。混合气体的导热系数不遵循加和法则，用实验测定。体的导热系数不遵循加和法则，用实验测定。1 1、导热的基本概念及定律：、导热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学5)5)液体的导热系数：液
23、体的导热系数：表表2-22-2液体导热系数在液体导热系数在0.0930.0930.7w/m0.7w/m,除水和甘油除水和甘油外，其它液体的导热系数均随温度的升高而略有外，其它液体的导热系数均随温度的升高而略有减小。减小。6)6)固体的导热系数：固体的导热系数：随固体的种类不同而不同，其中金属中的银导热随固体的种类不同而不同，其中金属中的银导热性为最好。性为最好。金属金属：2.32.3417.6w/m417.6w/m，金属的导热系数随，金属的导热系数随温度的升高而降低。金属内含有杂质时，其导热温度的升高而降低。金属内含有杂质时，其导热系数大大减小。系数大大减小。1 1、导热的基本概念及定律：、导
24、热的基本概念及定律：材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学影响该类材料的导热系数的因素很多。有温度、材料影响该类材料的导热系数的因素很多。有温度、材料的气孔率、湿度等，一般在的气孔率、湿度等，一般在0.0250.0253.0w/m3.0w/m。温度升高，这类材料除镁砖外，其导热系数随之增大。温度升高，这类材料除镁砖外，其导热系数随之增大。工程上工程上把把0.22W/mt2)(t1t2)。导热微分方程：导热微分方程：积分后得：积分后得：
25、利用边界条件求积分常数利用边界条件求积分常数C C1 1和和C C2 24 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学依依边界条件边界条件：在在x=0 x=0处，处，t=tt=t1 1在在x=x=处，处，t=tt=t2 2代入上式得：代入上式得：温度分温度分布方程布方程当求壁内温度最高位置时，对上式求导当求壁内温度最高位置时，对上式求导令其为零，则得最高温度和其位置。令其为零，
26、则得最高温度和其位置。说明说明4 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学导热微分方程：导热微分方程：积分后得：积分后得：边界条件：边界条件：在在r=r=r rO O处，处，t=t=t tW W长圆柱体长圆柱体：半径为：半径为r rO O,表面温度为表面温度为t tw w，均匀内热源均匀内热源q qV V，一维稳定圆柱坐标系导热。一维稳定圆柱坐标系导热。(2)(2)长圆柱体和
27、圆筒壁：长圆柱体和圆筒壁：4 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学由于温度分布的对称性，其最高温度必在圆柱体的由于温度分布的对称性，其最高温度必在圆柱体的中心，即：在中心，即：在r=0r=0处，处，得：得：C C1 1=0=0将积分常数代入上式得将积分常数代入上式得温度分温度分布方程布方程4 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一维一维)材料工程基础材料工
28、程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学轴心最高温度：轴心最高温度：圆筒壁：圆筒壁：内、外半径为内、外半径为r1r1、r2r2，内、外壁面温度为，内、外壁面温度为t1t1、t2t2，导热系数为，导热系数为，均匀内热源为，均匀内热源为q qV V。只是边。只是边界条件不同而异。界条件不同而异。边界条件：边界条件：r=r1 r=r1 时，时，t=t1t=t1r=r2 r=r2 时，时，t=t2t=t24 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一
29、维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学而：而：温度分布温度分布方程方程4 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学(3)(3)球体：球体：半径为半径为roro的球体，内热源为的球体，内热源为q qV V,导热
30、系数为导热系数为，球，球外壁温度为外壁温度为twtw。球坐标系下一维稳态导热。球坐标系下一维稳态导热。导热方程为：导热方程为：积分后：积分后：4 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学边界条件边界条件：当当r=r=roro时，时，t=t=twtw得积分常数为：得积分常数为：C C1 1=0=0温度分温度分布方程布方程4 4、具有内热源的稳定态导热、具有内热源的稳定态导热(一
31、维一维)材料工程基础材料工程基础 fundamentals of materials engineeringfundamentals of materials engineering 西南科技大学西南科技大学小小 结结1 1、理解物体的导热机理和温度场、温度面、温度、理解物体的导热机理和温度场、温度面、温度梯度的概念。梯度的概念。2 2、掌握付立叶定律、导热系数及其和温度的关系、掌握付立叶定律、导热系数及其和温度的关系3 3、掌握固体的导热微分方程式中有关参数的物、掌握固体的导热微分方程式中有关参数的物理意义。理意义。4 4、掌握一维稳定态导热的温度分布和传热量计算、掌握一维稳定态导热的温度分布和传热量计算(平壁、圆筒壁，球壁平壁、圆筒壁，球壁)5 5、掌握有内热源一维稳定态导热的温度分布计算、掌握有内热源一维稳定态导热的温度分布计算(平壁、圆柱体，球壁平壁、圆柱体，球壁)