热传递理论

热传递理论

热像仪给非接触温度测量,通常是表面温度测量提供了有力的工具。但我们也须对表面怎样被加热,以及 与温度有关的理论作一些基本的了解。

我们已经学过了热辐射基础(基本热辐射)。本章将论述热传递的三种方式:传导,对流和反射。然而,我们首先须要考虑几个基本概念。

能量

能量,热和温度的概念在物理学中很重要,对热像仪更是如此。

热力学第一定律表述为:封闭系统的能量总和是固定不变的。

本定律通常被称为“能量守恒原理”,可简单地描述为:能量既不能被创造也不能消失。它可以转化为别的形式,但不会消失。

能量的几种不同形式::

   

势能(位能),电势能 动能,运动引起的能量

化学能,如:煤、木头、石油等。 电能

例如我们知道化学能(汽油)可以转化为动能,即汽车的移动。所有温度超过绝对0度(或-273℃)的物体都辐射能量。我们又知道能量不会被创造,所以如果一个物体辐射能量,辐射出的能量一定是来自物体的自身。它就是物体自身的“内能”。

热和温度。

热是热能的时间单元。有温差的地方就会有热流。热能从高温物体向低温物体移动。这就是热力学第二定律。它表述为:

热自发地从热的一方向冷的一方流动,从而使热能从一个物体或地方转移到另一个物体或地方。

温度代表每个分子的能量或分子的平均能量。因而温度表明某状态能的多少。

热传递的形式

热传递以三种方式发生:传导、对流和反射。这三种方式可以互不依靠地同时发生。

以冬天的一座房屋为例。墙内温度为20℃而酷冬使墙外表的温度为-10℃。这温差将使热从热处流向冷处。温差越大,热流越强。

房屋每时每刻都在通过墙、窗户,通过换气等流失着热量。如果我们不继续给房屋加热,几天或几小时后(取决于隔热材料的质量),房内外将会没有温差。

1

当温差削平时,就达到我们所说的热平衡。在热平衡状态,没有热能被传递,即没有热流。

传导

下图是发生热传导的一面墙

q = - kA T/X

这是弗里叶热传导定理的通常形式。

墙的热传导系数决定了墙传导的热量。热传导系数越大,其热阻越低,它是热传导系数的倒数。因温差而引发的流过墙的热量数值由弗里叶热传导定理来描述:

这里

Q =  ·(Ti – To)

Q 热流量, W/m2

 热传导系数, W/m2T Ti , To 室内,室外的温度,ºC (或 K)

请看下图所示各种材料的热传导系数。注意,下图所示的值与上式不同。下

2

对流

下图是一面真的墙。

进而,我们可以看到室内气温与内墙有一个温差,外墙与室外气温也是如此。这些温差被称为热转移阻力。它们意味着热从室内空气传递到内墙或从外墙传递到室外空气是必须的。这结果是一种典型的对流现象,即空气沿墙移动从而失去一部分能量给墙。对应的方程式和弗里叶热传导定理非常相似,但是叫做牛顿冷却定律。

Q =  ·(Ti – To)

这里 Q  Ti , To

热流量, W/m2  sec 对流系数, W/m2secT 室内、室外温度ºC (或 K)。

3---www.irsv.cn

墙分子而发生。不管是从墙到空气,还是从空气到墙,热流总是从热者流向冷者。

我们经常听说“风凉”。下图表示了风速对对流制冷效果的影响。注意,在风速从5 m/s到15 m/s这段,冷却效果以3倍的因数上升。

通常用整面墙的热传导系数K的一个因数来替代部分墙的热传导系数值。思考下图:

4---www.irsv.cn

该墙分为三层,第层的厚度为l,热传导系数为,因而每层的热阻为l/

。整面

墙的热传导系数由下面的公式来计算。

假如我们对上面概述的墙根据瑞典普通家住建筑标准输入一个高度绝热的K的值0.2,可得:

Q = 0.2(20 –(-10)) = 6 W/m2

普通房屋不会每处都有那样的K值。例如窗户热传导系数要高。简单地说,如果一座房屋有400 m2的辐射面积,这个相对大的房子将会通过墙向空气流失2400W的热量。这个能量与电辐射源来比较,它在1500到2000W序列,可见隔热材料可以节省很多热能。

对流发生于从墙到空气的热转变。另一例子的对流是冷的水对游泳者的降温。你游的越快,热量向水流失的越多。如果你跳入很冷的水中,保持平衡,做尽可能小的运动以使流失到水中的热量最小,这当然会有助保存热量。

这个例子是关于热从固体流向液体,反之,房屋的例子是从空气流向固体。通常技术术语上称液体为流体。对流只有涉及到流体时才会发生。而且,我们都知道风的冷却效果随风速而提高。因而对流分为自然对流和强制对流,如用扇子扇。现行电脑电路板的冷却经常用强制对流。

辐射

5---www.irsv.cn

在热红外成像领域我们利用目标的辐射来测量其温度。前面说过,所有物体都辐射热,至少在其温度超过绝对0度,即–273º C 时。“红外理论”那一章专门论述过辐射的性质。

6---www.irsv.cn

热传递理论

热像仪给非接触温度测量,通常是表面温度测量提供了有力的工具。但我们也须对表面怎样被加热,以及 与温度有关的理论作一些基本的了解。

我们已经学过了热辐射基础(基本热辐射)。本章将论述热传递的三种方式:传导,对流和反射。然而,我们首先须要考虑几个基本概念。

能量

能量,热和温度的概念在物理学中很重要,对热像仪更是如此。

热力学第一定律表述为:封闭系统的能量总和是固定不变的。

本定律通常被称为“能量守恒原理”,可简单地描述为:能量既不能被创造也不能消失。它可以转化为别的形式,但不会消失。

能量的几种不同形式::

   

势能(位能),电势能 动能,运动引起的能量

化学能,如:煤、木头、石油等。 电能

例如我们知道化学能(汽油)可以转化为动能,即汽车的移动。所有温度超过绝对0度(或-273℃)的物体都辐射能量。我们又知道能量不会被创造,所以如果一个物体辐射能量,辐射出的能量一定是来自物体的自身。它就是物体自身的“内能”。

热和温度。

热是热能的时间单元。有温差的地方就会有热流。热能从高温物体向低温物体移动。这就是热力学第二定律。它表述为:

热自发地从热的一方向冷的一方流动,从而使热能从一个物体或地方转移到另一个物体或地方。

温度代表每个分子的能量或分子的平均能量。因而温度表明某状态能的多少。

热传递的形式

热传递以三种方式发生:传导、对流和反射。这三种方式可以互不依靠地同时发生。

以冬天的一座房屋为例。墙内温度为20℃而酷冬使墙外表的温度为-10℃。这温差将使热从热处流向冷处。温差越大,热流越强。

房屋每时每刻都在通过墙、窗户,通过换气等流失着热量。如果我们不继续给房屋加热,几天或几小时后(取决于隔热材料的质量),房内外将会没有温差。

1

当温差削平时,就达到我们所说的热平衡。在热平衡状态,没有热能被传递,即没有热流。

传导

下图是发生热传导的一面墙

q = - kA T/X

这是弗里叶热传导定理的通常形式。

墙的热传导系数决定了墙传导的热量。热传导系数越大,其热阻越低,它是热传导系数的倒数。因温差而引发的流过墙的热量数值由弗里叶热传导定理来描述:

这里

Q =  ·(Ti – To)

Q 热流量, W/m2

 热传导系数, W/m2T Ti , To 室内,室外的温度,ºC (或 K)

请看下图所示各种材料的热传导系数。注意,下图所示的值与上式不同。下

2

对流

下图是一面真的墙。

进而,我们可以看到室内气温与内墙有一个温差,外墙与室外气温也是如此。这些温差被称为热转移阻力。它们意味着热从室内空气传递到内墙或从外墙传递到室外空气是必须的。这结果是一种典型的对流现象,即空气沿墙移动从而失去一部分能量给墙。对应的方程式和弗里叶热传导定理非常相似,但是叫做牛顿冷却定律。

Q =  ·(Ti – To)

这里 Q  Ti , To

热流量, W/m2  sec 对流系数, W/m2secT 室内、室外温度ºC (或 K)。

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墙分子而发生。不管是从墙到空气,还是从空气到墙,热流总是从热者流向冷者。

我们经常听说“风凉”。下图表示了风速对对流制冷效果的影响。注意,在风速从5 m/s到15 m/s这段,冷却效果以3倍的因数上升。

通常用整面墙的热传导系数K的一个因数来替代部分墙的热传导系数值。思考下图:

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该墙分为三层,第层的厚度为l,热传导系数为,因而每层的热阻为l/

。整面

墙的热传导系数由下面的公式来计算。

假如我们对上面概述的墙根据瑞典普通家住建筑标准输入一个高度绝热的K的值0.2,可得:

Q = 0.2(20 –(-10)) = 6 W/m2

普通房屋不会每处都有那样的K值。例如窗户热传导系数要高。简单地说,如果一座房屋有400 m2的辐射面积,这个相对大的房子将会通过墙向空气流失2400W的热量。这个能量与电辐射源来比较,它在1500到2000W序列,可见隔热材料可以节省很多热能。

对流发生于从墙到空气的热转变。另一例子的对流是冷的水对游泳者的降温。你游的越快,热量向水流失的越多。如果你跳入很冷的水中,保持平衡,做尽可能小的运动以使流失到水中的热量最小,这当然会有助保存热量。

这个例子是关于热从固体流向液体,反之,房屋的例子是从空气流向固体。通常技术术语上称液体为流体。对流只有涉及到流体时才会发生。而且,我们都知道风的冷却效果随风速而提高。因而对流分为自然对流和强制对流,如用扇子扇。现行电脑电路板的冷却经常用强制对流。

辐射

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在热红外成像领域我们利用目标的辐射来测量其温度。前面说过,所有物体都辐射热,至少在其温度超过绝对0度,即–273º C 时。“红外理论”那一章专门论述过辐射的性质。

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