传热学

自然科学分支

传热学（heat transfer），是研究热量传递规律的科学，是研究由温差（temperature difference）引起的热能传递规律的科学。大约在上世纪30年代，传热学形成了独立的学科。

物理概念

传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后者只讨论在平衡状态下的系统。这些附加的定律是以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。传热学是研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。

在工程领域，传热学通常与热力学一起被称为热科学。

形成发展

在热对流方面，英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时，提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式，不过它并没有揭示出对流换热的机理。

传热学作为学科形成于19世纪。

1804年，法国物理学家毕奥在热传导方面得出的平壁导热实验结果是导热定律的最早表述。稍后，法国的傅里叶运用数理方法，更准确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式。

1860年，基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体，论证了在相同温度下以黑体的辐射率(黑度)为最大，并指出物体的辐射率与同温度下该物体的吸收率相等，被后人称为基尔霍夫定律。

1878年，斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实。

1884年，又为玻耳兹曼在理论上所证明，称为斯忒藩-玻耳兹曼定律，俗称四次方定律。

1900年，普朗克在研究空腔黑体辐射时，得出了普朗克热辐射定律。这个定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系，还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。

对流换热的真正发展是19世纪末叶以后的事情。

1904年，德国物理学家普朗特的边界层理论和1915年努塞尔的因次分析，为从理论和实验上正确理解和定量研究对流换热奠定了基础。

1929年，施密特指出了传质与传热的类同之处。

传热方式

传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。

1、热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。

从微观角度来看。气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理是有所不同的。

（1）气体中，导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。众所周知，气体的温度越高，其分子的运动动能越大。不同能量水平的分子相互碰撞的结果，使热量从高温处传到低温处。

（2）导电固体中有相当多的自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起着主要作用。

在非导电同体中，导热是通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。

（3）至于液体中的导热机理，还存在着不同的观点。有一种观点认为定性上类似于气体，只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。另一种观点则认为液体的导热机理类似于非导电固体。

2、热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。影响对流换热强度的主要因素有流体流动的起因、流动状态、流体物性、流体物相变化、壁面的几何参数等。

就引起流动的原因而论。对流换热可区分为自然对流与强制对流两大类。

（1）自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。暖气片表面附近受热空气的向上流动就是一个例子；

（2）如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的，则称为强制对流。冷油器、冷凝器等管内冷却水的流动都由水泵驱动，它们都属于强制对流。

另外，工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸气在冷表面上凝结的对流换热问题，分别简称为沸腾换热及凝结换热，它们是伴随有相变的对流换热。

3、热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。

自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递—辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零、但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。

实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。

传热过程

就物体温度与时间的依变关系而言，热量传递过程可区分为稳态过程(又称定常过程)与非稳态过程(又称非定常过程)两大类。

凡是物体中各点温度不随时间而改变的热传递过程均称为稳态热传递过程，反之则称为非稳态热传递过程。各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属于稳态过程，而在起动、停机、变工况时所经历的热传递过程刘为非稳态过程。各种热力设备的设计往往是以额定功率下持续不变工况的运行作为主要依据的。

应用领域

传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。在能源动力、化工制药、材料冶金、机械制造、电气电信、建筑工程、文通运输、航空航天、纺织印染、农业林业、生物工程、环境保护和气象预报等部门中存在大量的热量传递问题。而且常常还起着关健作用。例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热学问题。

尽管各个科学技术领域中遇到的传热问题形式多样，但大致上可以归纳为三种类型：

（1）强化传热。即在一定的条件（如一定的温差、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量。如空调。

（2）削弱传热，或称热绝缘。即在一定的温差下使热量的传递减到最小。如液氮、液氧。

（3）温度控制，为使一些设备能安全经济地运行，或者为得到优质产品，要对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制。如电子元件散热。

发展前景

20世纪以前，传热学是作为物理热学的一部分而逐步发展起来的。20世纪以后，传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展，越来越多地与热力学、流体力学、燃烧学、电磁学和机械工程学等一些学科相互渗透，形成多相传热、非牛顿流体传热、燃烧传热、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。

机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。

随着激光等新的实验技术的引入和计算机的应用，为传热学的发展提供了广阔前景。

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