原创 月月日日 机械电子工程技术 2023-10-07 23:59 发表于广东
传热是一种常见的自然现象，它是指由于温度差引起的能量转移。在日常生活中，我们可以看到许多传热现象，例如：当我们烹饪食物时，热量会从火源传递到锅内的食物中，使食物逐渐变热。在寒冷的冬天，我们站在室内，身体会感受到来自暖气的热空气，而室内的冷空气则会被暖气吹走。当水壶中的水沸腾时，热量会从加热元件传递到水中，使水的温度不断升高。在以上这些情况下，热量都会从高温区域（火源、暖气等）传递到低温区域（食物、空气等），这种现象就称为传热。在科学领域，传热现象被广泛应用于各个领域，例如能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑以及农业、环境保护等领域。在这些领域中，传热现象的研究和应用对于推动科技进步和提升生产效率具有重要意义。热流量（热流）是一定面积的物体两侧存在温差时，单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量。它可以通过物体表面的温度差、物体的厚度以及材料的导热性能来进行计算。
热流密度又称为热通量密度，它是单位面积内通过的热量，表示为W/m²。这个参数可以用来描述热传递过程中，单位面积上在单位时间内传递的热量。它依赖于热传导、对流和辐射等过程，而这些过程受到物质的物理性质、外部环境以及边界条件等影响。
温度场是指物质的三维空间中包含的全部信息，它是物质微观结构和物质之间相互作用的基本理论之一。温度场中的每一点都可以取一个数值来代表它所具有的能量，我们称为温度场的热力学能。温度场是系统热力学性质的完整体现，它随时间而变化，又能反映时间的变化。物质的各种性质会随着温度的变化而变化。当某一物体内部的温度上升到比周围低时，该物体内部的温度梯度减小；当某一物体内部的温度下降到比周围高时，该物体内部的温度梯度增大。在研究生命活动、生命现象时，温度场可以看作是生命活动的客观基础，没有温度场，生命无法进行。例如，生物细胞只有处在合适的温度范围内，才能保证生物膜的流动性，使得酶催化剂容易溶解在其中，以利于氧气、水和营养物质的输送和吸收，促进生物膜的更新和再生。等温线
等温线是图上温度值相同各点的连线。在气象学和气候学领域，等温线用于表示气温分布，可以帮助人们了解一个地区的气温状况。通过等温线图，可以直观地看到一个地区在不同时间的气温分布情况。这种地图通常在气象预报、气候分析、长期气候变化研究等领域被广泛使用。例如，夏季的等温线图上，人们可以看到高温和低温区域的分布，以及这些区域随着时间的变化情况。这对于制定相关的农业、交通、能源等领域的政策和计划具有重要意义。最早的等温线图是由德国地理学家洪堡在1799～1804年根据其广泛考察南北美洲和亚洲内陆后，借助气象要素平均值阐明气候规律性而创造的。在1817年，世界上第一幅等温线图被绘制出来。等温面
等温面是指在某一温度场内，各点具有相同的温度，这些点连接而成的面。在等温面中，等温线之间的距离和形态基本相似，每一条等温线之间互不重叠。等温面在很多领域都有应用，如气象学、气候学、材料科学等。在气象学和气候学中，等温面可以用来表示气温、气压、湿度等状态随高度的分布情况，帮助人们了解一个地区的气象状况。在材料科学中，等温面可以用来表示材料内部各点的温度分布情况，有助于分析材料的热传导和热性能等方面的问题。温度梯度
温度梯度是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。它描述了温度在特定区域环境内最迅速的变化会向哪个方向进行，以及这种变化的速度。温度梯度是一个矢量，通常把温度增加的方向作为正方向。导热系数
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在一小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。导热系数是建筑材料最重要的热湿物性参数之一，与建筑能耗、室内环境及很多其他热湿过程息息相关。它仅针对存在导热的传热形式，当存在其他形式的热传递形式时，如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系，复合传热关系通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数。此外，导热系数是针对均质材料而言的，实际情况下，还存在有多孔、多层、多结构、各向异性材料，此种材料获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现，也称之为平均导热系数。热量的传递方式有哪些？
热量的传递方式主要有三种：热传导、热对流和热辐射。热传导是物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。热传导依赖两个基本条件：一是必须有温差，二是必须直接接触（不同物体）或是物体内部传递。热对流是指由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。对流换热按流动的起因不同（流动的驱动力不同）分为自然对流和强迫对流两种。自然对流是由于温差引起的流体不同部分的密度不同而自然产生上下运动的对流换热。热辐射是热能通过电磁波传递的过程，不需要任何中间介质而远距离传播，并且在传播过程中有热能-辐射能-热能的能量形式转换。导热原理
傅里叶传热传导定律
傅里叶传热传导定律（Fourier's Law of Heat Conduction）是热传导的基础定律，也是热计算中必备的公式。它表明在均匀物体两侧有温度差时，热量会以传导的方式通过物体由高温向低温传递。实验证明，单位时间物体的导热量与导热面积和温度梯度成正比，写为等式：dQ/dτ=−λAdT/dδ，其中温度梯度的单位为K·m-1，表示传热方向上的温度变化程度，其方向垂直于传热面，并以温度增加的方向为正。该定律可以应用于各种不同领域，如工程、物理、化学等，也可以用来计算热传导过程中所需的热量、热导率等参数，以及优化各种设备的热性能。
导热问题的边界条件
第一类边界条件：规定了边界上的温度分布。它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值。在求解导热问题时，这一条件对于确定物体内部的热量散失或吸收以及温度分布具有重要意义。第二类边界条件：规定了边界上的热流密度，也就是边界上的热量传递速率。它也可以是时间和空间的函数，或者为给定不变的常数值。这一条件对于确定物体边界上的热量传递行为非常重要。第三类边界条件：规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数和周围流体的温度。这也是一个时间和空间上的函数，同时对于确定物体与周围环境之间的热量交换具有关键作用。绝热边界条件是指在一个封闭的系统中，没有热量可以通过边界进入或离开系统，即边界上不存在热量传导。在数学上，绝热边界条件可以表示为：∂u/∂n=0，其中u 表示该区域内的温度，∂u/∂n 表示温度在法向上的导数，即温度沿着边界的变化率。这个条件在热力学中非常重要，因为它可以帮助我们理解热力学过程中的能量转换和热力学定律，同时也是流体力学等领域中不可或缺的一个概念。稳态导热是指传热过程中各点的温度不随时间变化，传热速率与时间无关。稳态导热可以是热传导、热对流或热辐射过程，例如电子系统周围可通过对流和强制对流实现稳态传热。在稳态导热中，热流率在任何时间点都保持不变，因此可以通过温度作为变量来描述，在达到热平衡后，系统的温度不再随时间变化。在稳态导热分析中，可以使用Cadence® Celsius™ Thermal Solver等软件获得稳态温度场图像，模拟电子系统周围对流和强制对流的影响。瞬态导热是指传热过程中各点的温度随时间变化，传热速率也不是恒定的。瞬态传热通常只在短暂的时间内存在，例如在设备的启动和停机阶段。在瞬态传热中，通过介质传递的热能不是恒定的，导致热传递率变化的原因可以是介质上的温差波动，也可以是介质属性的变化。在现实世界中，热传递一开始是瞬态的，然后逐渐达到稳态，即达到热平衡。
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