熱傳遞入門

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熱傳遞

傳熱學（heat transfer），是研究熱量傳遞規律的科學，是研究由溫差（temperature difference）引起的熱能傳遞規律的科學。大約在上世紀30年代，傳熱學形成了獨立的學科。凡是有溫度差的地方，就有熱量自發地從高溫物體傳向低溫物體，或從物體的高溫部分傳向低溫部分。由於自然界和生產技術中幾乎到處存在著溫度差，所以熱量傳遞就成為自然界和生產枝術中一種非常普遍的現象。

傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。

熱傳導

熱傳導是指在不涉及物質轉移的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位，或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過程，簡稱導熱。

從微觀角度來看。氣體、液體、導電固體和非導電固體的導熱機理是有所不同的。

●氣體中，導熱是氣體分子不規則熱運動時相互碰撞的結果。眾所周知，氣體的溫度越高，其分子的運動動能越大。不同能量水平的分子相互碰撞的結果，使熱量從高溫處傳到低溫處。

●導電固體中有相當多的自由電子，它們在晶格之間像氣體分子那樣運動。自由電子的運動在導電固體的導熱中起著主要作用。

在非導電同體中，導熱是透過晶格結構的振動，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現的。

●至於液體中的導熱機理，還存在著不同的觀點。有一種觀點認為定性上類似於氣體，只是情況更復雜，因為液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對碰撞過程的影響遠比氣體大。另一種觀點則認為液體的導熱機理類似於非導電固體。

熱對流

熱對流是指不同溫度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。影響對流換熱強度的主要因素有流體流動的起因、流動狀態、流體物性、流體物相變化、壁面的幾何引數等。

就引起流動的原因而論。對流換熱可區分為自然對流與強制對流兩大類。

●自然對流是由於流體冷、熱各部分的密度不同而引起的。暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動就是一個例子。

●如果流體的流動是由於水泵、風機或其他壓差作用所造成的，則稱為強制對流。冷油器、冷凝器等管內冷卻水的流動都由水泵驅動，它們都屬於強制對流。

另外，工程上還常遇到液體在熱表面上沸騰及蒸氣在冷表面上凝結的對流換熱問題，分別簡稱為沸騰換熱及凝結換熱，它們是伴隨有相變的對流換熱。

熱輻射

熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現象。它是波長在0。1～100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒有中間介質的真空中直接傳遞。太陽就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環境對它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導致的熱量轉移稱為輻射換熱。

自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。輻射與吸收過程的綜合結果就造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞—輻射換熱。當物體與周圍環境處於熱平衡時，輻射換熱量等於零、但這是動態平衡，輻射與吸收過程仍在不停地進行。

熱傳導

熱傳導（thermal conduction）是介質內無宏觀運動時的傳熱現象，其在固體、液體和氣體中均可發生，但嚴格而言，只有在固體中才是純粹的熱傳導，而流體即使處於靜止狀態，其中也會由於溫度梯度所造成的密度差而產生自然對流，因此，在流體中熱對流與熱傳導同時發生。

物體或系統內的溫度差，是熱傳導的必要條件。或者說，只要介質內或者介質之間存在溫度差，就一定會發生傳熱。熱傳導速率決定於物體內溫度場的分佈情況。

熱傳導實質是由物質中大量的分子熱運動互相撞擊，而使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或由高溫物體傳給低溫物體的過程。在固體中，熱傳導的微觀過程是：在溫度高的部分，晶體中結點上的微粒振動動能較大。在低溫部分，微粒振動動能較小。因微粒的振動互相作用，所以在晶體內部熱能由動能大的部分向動能小的部分傳導。固體中熱的傳導，就是能量的遷移。

在導體中，因存在大量的自由電子，在不停地作無規則的熱運動。一般晶格震動的能量較小，自由電子在金屬晶體中對熱的傳導起主要作用。所以一般的電導體也是熱的良導體。在液體中熱傳導表現為：液體分子在溫度高的區域熱運動比較強，由於液體分子之間存在著相互作用，熱運動的能量將逐漸向周圍層層傳遞，引起了熱傳導現象。由於熱傳導係數小，傳導的較慢，它與固體相似；不同於液體，氣體分子之間的間距比較大，氣體依靠分子的無規則熱運動以及分子間的碰撞，在氣體內部發生能量遷移，從而形成宏觀上的熱量傳遞。

熱傳導工業應用

工業上有許多以熱傳導為主的傳熱過程，如橡膠製品的加熱硫化、鋼鍛件的熱處理等。在窯爐、傳熱裝置和熱絕緣的設計計算及催化劑顆粒的溫度分佈分析中，熱傳導規律都佔有重要地位。在高溫高壓裝置（如氨合成塔及大型乙烯裝置中的廢熱鍋爐等）的設計中，也需用熱傳導規律來計算裝置各傳熱間壁內的溫度分佈，以便進行熱應力分析。

熱對流

熱對流（thermal convection/heat convection）又稱對流傳熱，指流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種，是傳熱的三種方式之一。

熱對流是熱傳遞的重要形式，它是影響火災發展的主要因素：

●高溫熱氣流能加熱在它流經途中的可燃物，引起新的燃燒。

●熱氣流能夠往任何方向傳遞熱量，特別是向上傳播，能引起上層樓板、天花板燃燒。

●透過通風口進行熱對流，使新鮮空氣不斷流進燃燒區， 供應持續燃燒。

●含有水分的重質油品燃燒時，由於熱對流的作用，容易發生沸溢或噴濺等。燃燒區的溫度愈高，熱對流的速度愈快。通風孔洞愈多，通風孔愈高，通風口面積愈大，熱對流的速度就愈快。控制通風洞口，冷卻熱氣流（包括重質油品熱微粒）或把熱氣流導向沒有可燃物或火災危險較小的方向，是防止火勢透過熱對流發展蔓延的主要措施。

熱對流的分類

按流動介質分為，氣體對流和液體對流，氣體的對流現象比液體明顯。按發生原因分為，自然對流（自由對流），純粹因流體冷、熱各部分的密度不同所引起，流動速度一般較低；強制對流（受迫對流） ，由於各種泵、風機或其他外力的推動而造成，故流動速度往往很高。

熱對流的三種基本形式

自然對流、強迫對流和湍流是熱對流的三種基本形式。

其中以湍流的熱傳遞速率最高。自然對流是由溫度不均勻而引起流體內壓強或密度不均勻，從而導致迴圈流動。如煮水時水的上下迴圈流動。家用電冰箱一般也靠自然對流冷卻物品，故冰箱內不能塞得太滿而影響對流。地球表面各部分由於從太陽輻射得到的熱度不均勻，導致赤道處暖氣團不斷上升，流向兩極，較冷的空氣又不斷流向赤道，這種熱對流是形成自然風的原因之一。

至於電風扇、間冷式電冰箱、發電機和各種發動機的液泵冷卻裝置等，都是採用氣體或液體的強迫對流。控制氣體和液體的對流是增加或減少熱傳遞的主要手段。夏天開啟門窗可促進室內外空氣對流，達到散熱目的；冬天關上門窗，可避免室內外空氣對流，達到保暖目的。有時掛上窗簾，可阻止對流的氣流到達視窗，進一步減少室內的熱損失。

熱輻射

熱輻射，物體由於具有溫度而輻射電磁波的現象，熱量傳遞的3種方式之一。一切溫度高於絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續譜，波長覆蓋範圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。由於電磁波的傳播無需任何介質，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。

熱輻射的特點

●任何物體，只要溫度高於0K ，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；

●可以在真空和空氣中傳播；

●伴隨能量形式的轉變；

●具有強烈的方向性；

●輻射能與溫度和波長均有關；

●發射輻射取決於溫度的4次方。

熱輻射基礎知識

溫度較低時，主要以不可見的紅外光進行輻射，當溫度為300℃時熱輻射中最強的波長在紅外區。當物體的溫度在500℃以上至800℃時，熱輻射中最強的波長成分在可見光區。

關於熱輻射，其重要規律有4個：基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分佈定律、斯蒂藩-玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這4 個定律，有時統稱為熱輻射定律。

物體在向外輻射的同時，還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。但是，在熱平衡狀態下，輻射體的光譜輻射出射度（見輻射度學和光度學）r（λ，T）與其光譜吸收比a（λ，T）的比值則只是輻射波長和溫度的函式，而與輻射體本身性質無關。

上述規律稱為基爾霍夫輻射定律，由德國物理學家G。R。基爾霍夫於1859年建立。式中吸收比a 的定義是：被物體吸收的單位波長間隔內的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比。該定律表明，熱輻射輻出度大的物體其吸收比也大，反之亦然。

黑體是一種特殊的輻射體，它對所有波長電磁輻射的吸收比恆為1。黑體在自然條件下並不存在，它只是一種理想化模型，但可用人工製作接近於黑體的模擬物。即在一封閉空腔壁上開一小孔，任何波長的光穿過小孔進入空腔後，在空腔內壁反覆反射，重新從小孔穿出的機會極小，即使有機會從小孔穿出，由於經歷了多次反射而損失了大部分能量 。對空腔外的觀察者而言，小孔對任何波長電磁輻射的吸收比都接近於1，故可看作是黑體。將基爾霍夫輻射定律應用於黑體，由此可見，基爾霍夫輻射定律中的函式f（λ，T）即黑體的光譜輻射出射度。

黑體與黑體輻射

任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的性質。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分佈。這種譜分佈與物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱之為熱輻射。為了研究不依賴於物質具體物性的熱輻射規律，物理學家們定義了一種理想物體——黑體（black body），以此作為熱輻射研究的標準物體。

黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長放射最大量之輻射。同時，黑體是可以吸收所有入射輻射的物體，不會反射任何輻射，但黑體未必是黑色的，例如太陽為氣體星球，可以認為射向太陽的電磁輻射很難被反射回來，所以認為太陽是一個黑體（絕對黑體是不存在的）。理論上黑體會放射頻譜上所有波長的電磁波。

在黑體輻射中，隨著溫度不同，光的顏色各不相同，黑體呈現由紅——橙紅——黃——黃白——白——藍白的漸變過程。某個光源所發射的光的顏色，看起來與黑體在某一個溫度下所吸收的光顏色相同時，黑體的這個溫度稱為該光源的色溫。“黑體”的溫度越高，光譜中藍色的成份則越多，而紅色的成份則越少。例如，白熾燈的光色是暖白色，其色溫表示為2700K，而日光色熒光燈的色溫表示則是6000K。

理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射，並將這些輻射轉化為熱輻射，其光譜特徵僅與該黑體的溫度有關，與黑體的材質無關。從經典物理學出發推匯出的維恩定律在低頻區域與實驗資料不相符，而在高頻區域，從經典物理學的能量均分定理推匯出瑞利-金斯定律又與實驗資料不相符，在輻射頻率趨向無窮大時，能量也會變得無窮大，這種結果被稱作為“紫外災變”。1900年10月，馬克斯·普朗克將維恩定律加以改良，又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋，得出了一個與實驗資料完全吻合的普朗克公式來描述黑體輻射。但是在詮釋這個公式時，透過將物體中的原子看作微小的量子諧振子，他不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的，即總能量只能是離散的數值（經典物理學的觀點恰好相反）。後來，普朗克進一步假設單獨量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的。基爾霍夫輻射定律（Kirchhoff），在熱平衡狀態的物體所輻射的能量與吸收率之比與物體本身物理性質無關，只與波長和溫度有關。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領最大的物體，可叫作完全輻射體。

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