简述热传导的物理模型和数学模型,也即哪些传热现象属于热传导,或热传导具有哪些不同
热传导是介质内无宏观运动时的传热现象,其在固体、液体和气体中均可发生,但严格而言,只有在固体中才是纯粹的热传导,而流体即使处于静止状态,其中也会由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流,因此,在流体中热对流与热传导同时发生。
物体或系统内的温度差,是热传导的必要条件。或者说,只要介质内或者介质之间存在温度差,就一定会发生传热。热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。
热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象叫传热。热传导是三种传热模式(热传导、对流、辐射)之一。它是固体中传热的主要方式,在不流动的液体或气体层中层层传递,在流动情况下往往与热对流同时发生。
热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击,而使能量从物体的高温部分传至低温部分,或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中,热传导的微观过程是:在温度高的部分,晶体中结点上的微粒振动动能较大。在低温部分,微粒振动动能较小。因微粒的振动互相作用,所以在晶体内部热能由动能大的部分向动能小的部分传导。固体中热的传导,就是能量的迁移。
在导体中,因存在大量的自由电子,在不停地作无规则的热运动。一般晶格震动的能量较小,自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。所以一般的电导体也是热的良导体,但是也有例外,比如说钻石(Diamond)--事实上,珠宝商 可以通过测钻石的导热性来判断钻石的真假。在液体中热传导表现为:液体分子在温度高的区域热运动比较强,由于液体分子之间存在着相互作用,热运动的能量将逐渐向周围层层传递,引起了热传导现象。由于热传导系数小,传导的较慢,它与固体相似;不同于气体,气体分子之间的间距比较大,气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞,在气体内部发生能量迁移,从而形成宏观上的热量传递。
热量从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。
工业上有许多以热传导为主的传热过程,如橡胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。在窑炉、传热设备和热绝缘的设计计算及催化剂颗粒的温度分布分析中,热传导规律都占有重要地位。在高温高压设备(如氨合成塔及大型乙烯装置中的废热锅炉等)的设计中,也需用热传导规律来计算设备各传热间壁内的温度分布,以便进行热应力分析。
热对流
靠气体或液体的流动来传热的方式叫做热对流。液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。
对流是液体和气体中热传递的主要方式,气体的对流现象比液体明显。
对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生,是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。
热辐射
物体因自身的温度而具有向外以电磁波的形式发射能量的本领,这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射虽然也是热传递的一种方式,但它和热传导、对流不同。
它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量,温度越高,辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变,如温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,在500摄氏度以至更高的温度时,则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式,如太阳的热量就是以热辐射的形式,经过宇宙空间再传给地球的。
热的导体
各种物体都能够传热,但是不同物质的热传导性能不同。容易传热的物体叫做热的良导体,不容易传热的物体叫做热的不良导体,金属都是热的良导体。瓷、木头和竹子、皮革、水都是不良导体。金属中最善于传热的是银,其次是铜和铝。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。石棉常作为绝热材料。液体,除了水银外,都不善于传热,气体比液体更不善于传热。