第二章导热基本定律和导热微分方程教材课程.ppt

第二章 导热基本定律和导热微分方程,第一章 热量传输概述 第二章 导热基本定律和导热微分方程 第三章 稳态导热分析 第四章 非稳态导热分析 第五章 对流换热 第六章 辐射换热,第一节 导热本质及付立叶定律,一、付立叶导热定律,1822年，法国数学家付里叶（Fourier）在实验研究基础上，发现导热基本规律 付里叶定律,热导率（导热系数）,（Thermal conductivity）,导热基本定律：垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反直角坐标系中：,一维导热：,注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：热导率在各个方向是相同的,二、导热系数, 物质的重要热物性参数,2.影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等1.热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量，表征物质导热能力大小实验测定）,3.温度的影响：,4.保温材料：,国家标准规定，温度低于350度时热导率小于0.12W/(mK) 的材料（绝热材料）1.气体导热气体分子不规则热运动导致相互碰撞的结果,三、导热的物理本质,气体的热导率：,气体分子运动理论：常温常压下气体热导率可表示为：,气体的压力升高时：气体的密度增大、平均自由行程减小、而两者的乘积保持不变。

除非压力很低或很高，在2.67*10-3MPa2.0*103MPa范围内，气体的热导率基本不随压力变化气体的温度升高时：气体分子运动速度和定容比热随T 升高而增大气体的热导率随温度升高而增大分子质量小的气体（H2、He）热导率较大 分子运动速度高如下图）,2.导电固体导热自由电子运动、碰撞的结果（与气体类似）,（1）纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动(主要依靠前者）,金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：, 晶格振动的加强干扰自由电子运动,,,（2）合金：金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性， 干扰自由电子的运动,如常温下：,黄铜：70%Cu, 30%Zn,,金属的加工过程也会造成晶格的缺陷,合金的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动； 主要依靠后者,温度升高晶格振动加强导热增强,,与纯金属相反,非金属的导热：依靠晶格的振动传递热量；比较小,建筑隔热保温材料：,3.非金属固体导热晶格振动、碰撞的结果,大多数建筑材料和绝热材料具有多孔或纤维结构,多孔材料的热导率与密度和湿度有关,与合金相似,,4.液体导热气体导热机制非导电固体导电机制液体的导热：主要依靠晶格的振动,（1）大多数液体（分子量M不变）：,（2）液体的热导率随压力p的升高而增大,水和甘油等强缔合液体，分子量变化，并随温度而变化。

在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样第二节 导热微分方程及单值条件,一、 导热微分方程的推导,理论基础：傅里叶定律 + 热力学第一定律,假设：(1) 所研究的物体是各向同性的连续介质 (2) 热导率、比热容和密度均为已知 (3) 物体内具有内热源：内热源均匀分布；qv表示单位体积的导热体在单位时间内放出的热量W/m3导入总热量 + 内热源发热量 = 导出总热量 + 热蓄积,据付立叶定律：,沿x 轴方向、x+dx的热流密度：,同理，沿y、z 轴方向的热流密度：,内热源发热量,式中， 内热源发热率（w/），表示每单位体积微元体单位时间发出的热量，如为吸热, 则 0， 可以是坐标、时间的函数热蓄集,微元体热焓的变化（质量为mkg）：,d 时间内微元体中热力学能的增量导入总热量 + 内热源发热量 = 导出总热量 + 热蓄积,,导热微分方程,,二、导温系数（热扩散率）,(1)物理意义综合反映导热能力和蓄热能力a大则导热能力强而蓄热能力弱，温度变化传播快，整个材料的温度趋于均匀化；反之则反反映了导热过程中材料的导热能力（）与沿途物质储热能力（c）之间的关系 其值大，即值大或c值小，说明物体的某一部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散。

热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力 在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，物体内部各处的温度差别越小2)a与的比较,(3)a只在非稳态传热过程中起作用对稳态传热：,,,三、导热微分方程的简化,无内热源：,付立叶方程,稳态导热：,泊松方程,稳态导热 tw = f (x,y,z) 边界面上的温度,例：,稳态导热： tw = const,非稳态导热： tw = f (),b.第二类边界条件给定边界上的热流密度根据傅里叶定律：,第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界面法向的温度梯度值稳态导热：,非稳态导热：,特例：绝热边界面,,,c.第三类边界条件给定边界上物体与周围介质间的表面传热系数及周围介质的温度,当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数傅里叶定律：,牛顿冷却定律：,,（3）导热微分方程式的求解方法,导热微分方程单值性条件求解方法 温度场,积分法、积分变换法、数值计算法,。