传热的基础原理

以下内容简要介绍一些传热的基本概念。

热力学简介

热力学第一、第二定律

热力学第一定律即能量守恒定律。该定律指出，在没有能量与物质进出的封闭系统内，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。能量虽然不能凭空产生或消失，但可以转化为功，或以其他能量形式进行传递。

热能的传递遵循热力学第二定律。该定律指出，在封闭系统中，一切自发过程的总熵都会增加。熵被定义为系统内混乱程度的度量。

第二定律存在三种不同但等效的表述方式：

热量会自发地从高温物体流向低温物体。（示例：发热的微处理器或激光二极管通过将热量传导至散热器或冷板实现散热。）

不可能将热量完全转化为有用功。（示例：在内燃机中，总有一部分热量必须被排出，无法转化为功。）

一切孤立系统都会随时间朝着混乱度增大的方向演变。（示例：在传导过程中，高温物体与低温物体刚接触时，系统在一定程度上是有序的。高温分子运动速度高于低温分子。但当整个系统温度趋于一致后，该有序状态便不复存在。）

从数学角度看，以上任意一种表述均可推导出另外两种表述。

热力学第一、第二定律支配着三种传热方式：传导、对流和辐射。

传热方式

传导

传导过程中，热量从高温区域流向低温区域。传导可以发生在固体、液体或气体内部，也可以发生在相互直接接触的不同介质之间。热量依靠相邻分子之间的动能传递实现传导。在气体中，“高温”分子具备更高能量与运动速率，会将能量传递给相邻的低能量分子。只要存在温度梯度，固体、气体或液体内部都会发生这种传热。能量也可通过“自由电子”传导，金属固体中该效应尤为显著。传导示例：热量通过冷板表面传递，或通过冰箱壁面传递。

对流

对流通过热传导、储能和流体混合运动的共同作用实现能量输运。对流是固体表面与流体之间的重要能量传递机制。由对流产生的能量传递可分为自然对流或强制对流。自然对流（自由对流）是指固体表面附近的流体受热或受冷产生压差引起的流体循环流动。在强制对流传热中，风扇、泵等主动机构驱动流体流过固体表面。自由对流是指热量通过热交换器的翅片散入环境空气。如果使用风扇驱动空气流过热交换器翅片，则属于强制对流。

辐射

在辐射中，当物体在空间上相互分离时，热量会从温度较高的物体流向温度较低的物体，即使中间为真空环境也可以发生。热辐射遵循与光相同的物理定律。固体和液体会吸收穿过其中传播的热辐射，因此辐射主要在真空环境或者气体环境的传热过程中起到重要作用。

太阳向地球传递热量就是一种辐射。

传热的数学表达与计算

傅里叶方程

材料内部传导的热流量 qk 等于以下三项的乘积：

• k – 材料的热导率
• A – 热流通过传导流过截面的面积，按垂直于热流的方向测量
• dT/dx – 该截面处的温度梯度，即温度 T 沿热流方向 x 的变化率。

写出数学形式的导热方程时，需要规定符号规则；即，距离 x 增大的方向为热流正方向。根据热力学第二定律，热量会自发从高温点流向低温点。因此，温度梯度为负时，热流为正。一维稳态导热的基本方程为：qk = -kA (dT/dx)。

热导率

热导率用于衡量给定材料传递热量的速度。物质的热导率是指当物体冷热两侧的温差为 1 摄氏度时，每秒通过厚度为 1 cm、横截面积为 1 cm² 的物体的热量。这种固有特性不受材料的尺寸、形状或朝向影响。

热电阻

热阻是热导率的倒数，用于表示材料对热传导的阻碍程度。热导率高的材料（如铜和铝）热阻低，隔热性能差。相反，热导率低的材料（如玻璃纤维保温材料和软木板）热阻高，隔热性能良好。