热传导、对流换热和辐射热：热量交换的三种方式

热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度高的部分传递到温度低的部分。根据传热机理的不同，传热的基本方式有：热传导、对流和辐射3种。

1.热传导

当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在温差，且物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导，如图11-1所示。

热传导遵循傅里叶定律：

式中，q''为热流密度（W/m²）；k为材料的热导率；负号表示热量流向温度降低的方向。

热导率是物质的一种物理性质，表示物质的导热能力的大小，热导率值越大，物质的导热性能越好。热导率只能实际测定。一般而言，金属的热导率最大，非金属固体的热导率次之，液体的热导率较小，而气体的热导率最小，如图11-2所示。

图11-1 热传导

图11-2 不同材料的热导率

2.对流

固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在而引起的热量交换称为对流换热，如图11-3所示。

根据引起对流的原因，可将对流分为：自然对流和强制对流。

✧ 自然对流：在自然对流下，固体表面附近的流体流动是由浮力引起的，浮力是由流体密度发生变化引起的，而密度的变化又是由固体与流体之间的温差导致的。将热板放在空气中冷却时，板表面附近的空气微粒变得较热，密度降低，因此会向上移动，如图11-4所示。

图11-3 对流

✧ 强制对流：通过外部方式（如风扇或泵）来加速流体在固体表面的流动。流体微粒在固体表面的快速运动使温度梯度最大化，并增加了热交换速率。在热盘上强迫扩散空气，如图11-5所示。(www.xing528.com)

图11-4 自然对流

图11-5 强制对流

对流换热遵循牛顿冷却公式：

q''=h（T_s−T_f）

式中，q''为热流密度（W/m²）；h为对流换热系数（或称为膜传热系数、给热系数、膜系数）（W/（m²·℃））；T_s为固体表面温度；T_f为周围流体温度。

对流换热系数的大小与传热过程的许多因素有关，它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小、相对位置，而且与流体的流速有关。一般，就介质而言，水的对流换热比空气强；就换热方式而言，有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。典型的对流换热系数见表11-1。

表11-1 典型的对流换热系数

3.辐射

热辐射是由物体由于其温度的原因而以电磁波的形式发出的热能。温度在绝对零度以上的任何物体都会发出热能。由于电磁波在真空中传播，因此不需要任何介质就可以发生辐射。辐射是在真空中唯一的传热方式，如图11-6所示。

图11-6 热辐射示意图

热辐射能量遵循斯蒂芬-玻耳兹曼定律：

Q=q''A₁=εσA₁F₁₂（T₁⁴−T₂⁴）

式中，q''为热流密度（W/m²）；ε为辐射率（Emissivity），材料的辐射率在0～1，黑体为1，理想的反射镜为0，它取决于物体表面的温度和表面粗糙度；σ为Stefan-Boltzmann常数，约为5.67×10−⁸W/（m²·K⁴）；A₁为辐射面1的面积；F₁₂为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T₁、T₂为辐射面1和辐射面2的绝对温度。