傳熱學

傳熱學的作用是利用可以預測能量傳遞速率的一些定律去補充熱力學分析，因後者只討論在平衡狀態下的系統。這些附加的定律是以3種基本的傳熱方式為基礎的，即導熱、對流和輻射。 傳熱學是研究不同温度的物體或同一物體的不同部分之間熱量傳遞規律的學科。

在工程領域，傳熱學通常與熱力學一起被稱為熱科學。

在熱對流方面，英國科學家牛頓於1701年在估算燒紅鐵棒的温度時，提出了被後人稱為牛頓冷卻定律的數學表達式，不過它並沒有揭示出對流換熱的機理。

傳熱學作為學科形成於19世紀。

1804年，法國物理學家畢奧在熱傳導方面得出的平壁導熱實驗結果是導熱定律的最早表述。稍後，法國的傅里葉運用數理方法，更準確地把它表述為後來稱為傅里葉定律的微分形式。

1860年，基爾霍夫通過人造空腔模擬絕對黑體，論證了在相同温度下以黑體的輻射率(黑度)為最大，並指出物體的輻射率與同温度下該物體的吸收率相等，被後人稱為基爾霍夫定律。

1878年，斯忒藩由實驗發現輻射率與絕對温度四次方成正比的事實。

1884年，又為玻耳茲曼在理論上所證明，稱為斯忒藩-玻耳茲曼定律，俗稱四次方定律。

1900年，普朗克在研究空腔黑體輻射時，得出了普朗克熱輻射定律。這個定律不僅描述了黑體輻射與温度、頻率的關係，還論證了維恩提出的黑體能量分佈的位移定律。

對流換熱的真正發展是19世紀末葉以後的事情。

1904年，德國物理學家普朗特的邊界層理論和1915年努塞爾的因次分析，為從理論和實驗上正確理解和定量研究對流換熱奠定了基礎。

1929年，施密特指出了傳質與傳熱的類同之處。

傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。

1、熱傳導是指在不涉及物質轉移的情況下，熱量從物體中温度較高的部位傳遞給相鄰的温度較低的部位，或從高温物體傳遞給相接觸的低温物體的過程，簡稱導熱。

從微觀角度來看。氣體、液體、導電固體和非導電固體的導熱機理是有所不同的。

（1）氣體中，導熱是氣體分子不規則熱運動時相互碰撞的結果。眾所周知，氣體的温度越高，其分子的運動動能越大。不同能量水平的分子相互碰撞的結果，使熱量從高温處傳到低温處。

（2）導電固體中有相當多的自由電子，它們在晶格之間像氣體分子那樣運動。自由電子的運動在導電固體的導熱中起着主要作用。

在非導電同體中，導熱是通過晶格結構的振動，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現的。

（3）至於液體中的導熱機理，還存在着不同的觀點。有一種觀點認為定性上類似於氣體，只是情況更復雜，因為液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對碰撞過程的影響遠比氣體大。另一種觀點則認為液體的導熱機理類似於非導電固體。 ^[1] 

2、熱對流是指不同温度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。影響對流換熱強度的主要因素有流體流動的起因、流動狀態、流體物性、流體物相變化、壁面的幾何參數等。

就引起流動的原因而論。對流換熱可區分為自然對流與強制對流兩大類。

（1）自然對流是由於流體冷、熱各部分的密度不同而引起的。暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動就是一個例子；

（2）如果流體的流動是由於水泵、風機或其他壓差作用所造成的，則稱為強制對流。冷油器、冷凝器等管內冷卻水的流動都由水泵驅動，它們都屬於強制對流。

另外，工程上還常遇到液體在熱表面上沸騰及蒸氣在冷表面上凝結的對流換熱問題，分別簡稱為沸騰換熱及凝結換熱，它們是伴隨有相變的對流換熱。 ^[2] 

3、熱輻射是指物體因自身具有温度而輻射出能量的現象。它是波長在0.1～100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒有中間介質的真空中直接傳遞。太陽就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對温度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環境對它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導致的熱量轉移稱為輻射換熱。

自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。輻射與吸收過程的綜合結果就造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞—輻射換熱。當物體與周圍環境處於熱平衡時，輻射換熱量等於零、但這是動態平衡，輻射與吸收過程仍在不停地進行。

實際傳熱過程一般都不是單一的傳熱方式，如火焰對爐壁的傳熱，就是輻射、對流和傳導的綜合，而不同的傳熱方式則遵循不同的傳熱規律。為了分析方便，人們在傳熱研究中把三種傳熱方式分解開來，然後再加以綜合。

就物體温度與時間的依變關係而言，熱量傳遞過程可區分為穩態過程(又稱定常過程)與非穩態過程(又稱非定常過程)兩大類。

凡是物體中各點温度不隨時間而改變的熱傳遞過程均稱為穩態熱傳遞過程，反之則稱為非穩態熱傳遞過程。各種熱力設備在持續不變的工況下運行時的熱傳遞過程屬於穩態過程，而在起動、停機、變工況時所經歷的熱傳遞過程劉為非穩態過程。各種熱力設備的設計往往是以額定功率下持續不變工況的運行作為主要依據的。

傳熱不僅是常見的自然現象，而且廣泛存在於工程技術領域。在能源動力、化工製藥、材料冶金、機械製造、電氣電信、建築工程、文通運輸、航空航天、紡織印染、農業林業、生物工程、環境保護和氣象預報等部門中存在大量的熱量傳遞問題。而且常常還起着關健作用。例如，提高鍋爐的蒸汽產量，防止燃氣輪機燃燒室過熱、減小內燃機氣缸和曲軸的熱應力、確定換熱器的傳熱面積和控制熱加工時零件的變形等，都是典型的傳熱學問題。

儘管各個科學技術領域中遇到的傳熱問題形式多樣，但大致上可以歸納為三種類型：

（1）強化傳熱。即在一定的條件（如一定的温差、體積、重量或泵功等）下增加所傳遞的熱量。如空調。

（2）削弱傳熱，或稱熱絕緣。即在一定的温差下使熱量的傳遞減到最小。如液氮、液氧。

（3）温度控制，為使一些設備能安全經濟地運行，或者為得到優質產品，要對熱量傳遞過程中物體關鍵部位的温度進行控制。如電子元件散熱。 ^[1] 

20世紀以前，傳熱學是作為物理熱學的一部分而逐步發展起來的。20世紀以後，傳熱學作為一門獨立的技術學科獲得迅速發展，越來越多地與熱力學、流體力學、燃燒學、電磁學和機械工程學等一些學科相互滲透，形成多相傳熱、非牛頓流體傳熱、燃燒傳熱、等離子體傳熱和數值計算傳熱等許多重要分支。

機械工程仍不斷地向傳熱學提出大量新的課題。如澆鑄和冷凍技術中的相變導熱，切削加工中的接觸熱阻和噴射冷卻，等離子工藝中帶電粒子的傳熱特性，核工程中有限空間的自然對流，動力和化工機械中超臨界區換熱，小温差換熱，兩相流換熱，複雜幾何形狀物體的換熱，湍流換熱等。

隨着激光等新的實驗技術的引入和計算機的應用，為傳熱學的發展提供了廣闊前景。