传热学基础知识

材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

传热学基础知识材料热加工过程中，无时不在的存在各种热量传 材料热加工过程中 ， 无时不在的存在各种 热量传 现象， 递 现象 ， 因此材料热加工过程的数学解析的基础便 是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差 温度差， 是传热学 。 如果材料的不同部分之间存在 温度差 ， 则不同温度部分必然发生热量传递。 则不同温度部分必然发生 热量传递。热量传递有三 热量传递 种基本方式：即 热传导、热对流和热辐射。在这三 种基本方式： 热传导、 热对流和热辐射。 种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。 种基本方式中热量传递的物理本质是不同的 。 实际 工程应用中， 工程应用中 ， 所遇到的热传递现象常常是由几种基 本方式共同作用的结果。 本方式共同作用的结果。Teaching Materials/Yuandong Li 1

材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

2.1 温度场温度场是指在某一瞬间， 温度场是指在某一瞬间，连续介质内各点 是指在某一瞬间 温度分布的情况。 温度分布的情况。温度场的一般数学表达式 为： T=f(x,y,z,t) = 即温度场是坐标和时间的函数。 即温度场是坐标和时间的函数。 一、稳定温度场 T=f(x,y,z) 二、不稳定温度场 T=f(x,y,z,t) =Teaching Materials/Yuandong Li 2

材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

2.1 温度场三、等温面和温度梯度 温度场中同一瞬时温度相同的各点连成的面称 为等温面。 为等温面。 特点： 特点：1. 二维时等温度面为等温线 可以是平面(或直线)也可以是曲面( 2. 可以是平面(或直线)也可以是曲面(或曲 线)。 代表不同温度的等温面( 或等温线) 3. 代表不同温度的等温面 ( 或等温线 ) 不 可能相交。 可能相交。 在同一等温面上没有热量传递； 4. 在同一等温面上没有热量传递 ； 热量只 能由温度场中高温等温面向低温等温面 传递， 传递 ， 且热量的传递方向只能是沿着等 温面的法线方向。 温面的法线方向。Teaching Materials/Yuandong Li 3

材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

2.1 温度场温度场中单位长度的最大温度变化率是在等温 面的法线方向 法线方向n上 面的法线方向 上，通常把温度场中任意点的 温度沿等温面法线n方向的增加率称为该点的 温度沿等温面法线 方向的增加率称为该点的 温度梯度，记为grad T 温度梯度，记为 T T gradT = lim = [℃/m] n n →0 n 通常把温度增加的方向作为温度梯度矢量的正方向。 通常把温度增加的方向作为温度梯度矢量的正方向。

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材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

2.2

热传导

热传导简称导热， 热传导简称导热，是指直接接触的物体或同一物 体各部分之间的热量传递现象。 体各部分之间的热量传递现象。其机理是不同温 度的物体或物体不同温度不同的各部分之间， 度的物体或物体不

同温度不同的各部分之间，分 子动能的相互传递，即动能较大的分子( 子动能的相互传递，即动能较大的分子(温度较 高)把能量传给邻近动能较小的分子(温度较 把能量传给邻近动能较小的分子( 低)。此外，还依靠自由电子的运动而传递能量。 )。此外，还依靠自由电子的运动而传递能量。 此外 从宏观上就表现为热量由物体的高温部分传递给 低温部分，但不存在物质的宏观移动。 低温部分，但不存在物质的宏观移动。

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材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

2.2 热传导导热的特点导热现象一般发生在固体中， 导热现象一般发生在固体中，在流体中也能发 但一般较弱，常予以忽略， 生，但一般较弱，常予以忽略，因此固体中的 热传递完全取决于导热。 热传递完全取决于导热。 不同物体的导热能力不同， 不同物体的导热能力不同，即使同一物质不同 状态时，导热能力也不相同。 状态时，导热能力也不相同。

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材料热加工过程中,无时不在的存在各种热量传递现象,因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差,则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中,所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。

2.2 热传导在归纳了大量实验结果的基础上，傅立叶于 在归纳了大量实验结果的基础上，傅立叶于1882年总结出均质固 年总结出均质固 体中的导热规律： 体中的导热规律：

单位时间内导过垂直于热流方向的面积dA的热量， 单位时间内导过垂直于热流方向的面积 的热量， 的热量 其数值正比于该截面方向上的温度变化率(温度梯度), 其数值正比于该截面方向上的温度变化率(温度梯度), 但方向与温度梯度相反。 但方向与温度梯度相反。即：

T dQn = λdA n单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。记为 量纲： 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。记为q. 量纲： w/m2 dQ T

dqn =

n

dA

= λ

n7

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