热的教学课件

热的教学课件热现象与热能传递的基础知识第一章热的基本概念温度热量物体冷热程度的量度，是分子平均动能的宏热能转移的过程，单位为焦耳J观表现热平衡热传递系统达到稳定温度状态传导、对流和辐射三种方式什么是热？热是能量的一种形式，表现为物体内部分子无规则运动的能量总和在微观层面，热能表现为分子的振动、平移和旋转运动热量是热能的转移过程，通常由高温物体传递到低温物体，直到系统达到热平衡这一过程遵循热力学第二定律，是自发且不可逆的分子热运动微观图温度的定义123宏观表现热量传递方向常用温标温度是物体冷热程度的度量，是分子平均动温度决定热量传递的方向热量总是从高温摄氏温标以水的冰点为，沸点为℃0℃能的宏观表现在日常生活中，我们通过触物体流向低温物体，直到系统达到热平衡状100℃摸可以感知物体的冷热，但这种感知是相对态这是热力学第二定律的重要体现华氏温标以水的冰点为，沸点℉32℉的，需要精确的温度计量为212℉热力学温标以绝对零度为起点，等K1K于的温度差1℃温度分子平均动能=温度越高，分子运动越剧烈；温度越低，分子运动越缓慢绝对零度（）时，分子运动几乎停止-

273.15℃热的三种传递方式传导对流辐射热量通过物体内部分子间直接碰撞传递，无宏观流体中热量随物质流动传递流体受热膨胀密度通过电磁波形式传递热量，无需介质所有温度物质移动金属是良好的热导体，气体和多孔材减小上升，冷却后密度增大下沉，形成循环自高于绝对零度的物体都在辐射热能，辐射强度与料是热的不良导体然对流和强制对流是两种主要形式物体绝对温度的四次方成正比传导热流q=-λdT/dx第二章热传导详解热传导是最基本的热传递方式，发生在固体内部或流体静止时本章将深入探讨热传导的物理本质、数学描述及工程应用傅立叶热传导定律•导热系数及其影响因素•一维稳态导热分析•多层材料传热计算•热传导实验装置示意图圆筒壁导热模型•工程实例分析•傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律，描述了热流密度与温度梯度之间的关系其中热流密度，单位为•q W/m²傅立叶于年在《热的解析理论》中首次提出这导热系数，单位为Fourier1822•λW/m·K一定律，奠定了热传导理论的基础温度梯度，表示单位距离上的温度变化率•dT/dx负号表示热量流动方向与温度升高方向相反•导热系数的意义导热系数是材料导热能力的量度，单位为它表示在单位温度梯度下，单位面积上单位时间内传递的热量λW/m·K100%50%10%金属导体建筑材料保温材料银混凝土玻璃棉429W/m·K

1.6W/m·K

0.04W/m·K铜砖聚苯乙烯386W/m·K

0.8W/m·K

0.03W/m·K铝木材真空绝热板237W/m·K

0.15W/m·K

0.004W/m·K影响因素材料的化学成分、物理结构、温度、压力、含水率等金属非金属气体导热系数大小排序⁻⁴

4290.02410银静止空气真空最佳导热金属极佳绝热介质理想绝热状态一维稳态导热模型平壁导热圆筒壁导热对于厚度为的均质平板，两侧温度分别为和，热流量计算公式对于内径、外径的圆筒，内外表面温度分别为和，单位长度热L T₁T₂r₁r₂T₁T₂流量其中为传热面积，温度分布呈线性变化A温度分布呈对数变化，适用于管道保温计算多层圆筒壁导热在工业应用中，管道通常由多层材料组成（如钢管保温层）多层圆筒+壁导热计算公式其中多层圆筒壁中，每一层界面的温度可由热流连续性原理确定，热流在稳、为最内层和最外层表面温度•T₁Tₙ态下保持不变为第层材料的导热系数•λᵢi为第层的半径•rᵢi实例分析钢管保温层热损失计算已知条件求解步骤计算结果钢管内径，外径，确定总热阻钢管热阻保温层热阻单位长度热损失•50mm60mm

1.++Q_l=

87.6W/m对流热阻λ₁=45W/m·K钢管外表面温度T₂=

149.8℃•保温层外径100mm，λ₂=

0.

042.计算单位长度热损失保温层外表面温度T₃=

31.4℃W/m·K确定钢管外表面温度

3.管内介质温度•150℃计算保温层外表面温度

4.保温效果显著保温层使外表面环境温度•25℃温度降低了！

118.4℃外表面传热系数•h=10W/m²·K第三章热对流与热辐射本章将深入探讨热对流与热辐射这两种重要的热传递方式，分析其物理机制、数学模型和工程应用，帮助理解更复杂的热传递现象热对流基础对流是流体内部因温度差异引起密度变化而产生的宏观物质运动，同时伴随热量传递的过程自然对流由温度差引起的密度差导致的流体自然流动例如房间内空气的自然循环•对流换热系数受多种因素影响流体性质、流动状态（层流或湍流）、热水表面的蒸发对流•表面形状、温度差等大气环流与洋流•强制对流为对流换热系数，为传热面积，为表面温度，为流体温度h ATₛTᶠ由外力（泵、风机等）引起的流体强制流动例如空调系统的风机送风•热交换器中的流体循环•发动机冷却系统•热辐射原理辐射本质黑体辐射斯特藩玻尔兹曼定律-所有温度高于绝对零度的物体均以电磁波形黑体是理想的辐射体，能完全吸收所有入射黑体辐射能量与其绝对温度的四次方成正式向外辐射热能，无需介质传播热辐射主辐射并发出最大辐射能量实际物体的辐射比要在红外波段，但高温物体也会发出可见能力用辐射率表示（）ε0≤ε≤1光为斯特藩玻尔σ=

5.67×10⁻⁸W/m²·K⁴-兹曼常数生活中的热传递实例厨房炒菜的热传递传导火焰加热锅底，热量通过金属锅传到食物对流锅内油水形成温度差，产生对流加速受热均匀辐射锅体辐射热量至周围环境暖气片散热传导热水加热暖气片金属对流暖气片周围空气被加热上升，形成室内空气循环辐射暖气片表面向室内辐射热量保温杯原理传导双层不锈钢壁减少热传导对流密封杯盖防止液体蒸发对流散热辐射真空层和反光表面减少辐射热损失工程应用案例回转式空气预热器建筑保温材料对比回转式空气预热器是现代大型锅炉中常用的热交换设备，利用热烟气预材料类型导热系数应用特点热进入锅炉的空气，提高锅炉热效率[W/m·K]工作原理带有蓄热元件的转子在热烟气和冷空气区域交替旋转•玻璃棉轻质、隔音、防火

0.03-

0.05传热方式先由烟气传导给蓄热元件，再由蓄热元件传导给空气••优点结构紧凑，换热效率高，可回收低温烟气余热聚苯乙烯

0.03-

0.04防水、轻便、价格低应用火力发电厂、大型工业锅炉等•聚氨酯泡沫保温效果好、密封

0.02-

0.03性强真空绝热板超薄、高效、价格

0.004-

0.008高回转式空气预热器结构示意图热烟气入口蓄热转子的高温烟气从锅炉出口进入装有大量金属蓄热元件，缓慢旋转（转分钟）600-700℃1-3/冷空气入口热空气出口环境空气通过风机送入预热器预热后的空气（）送入锅炉燃烧250-350℃热学实验演示温度梯度测量实验热传导速率实验实验装置金属棒，一端加热，另一端冷却，沿长度方向设多个温

1.度测点实验目的观察温度沿金属棒的分布规律，验证傅立叶导热定律

2.数据记录稳态下记录各点温度，绘制温度距离曲线

3.-计算导热系数利用测得的温度梯度和热流量计算金属的导热系数

4.通过比较不同材料的导热速率，可直观理解材料导热性能差异铜、铝、铁、木材、塑料等材料棒同时一端加热•观察另一端温度上升速率或涂蜡融化速度•分析材料导热性能与分子结构的关系•热平衡与热力学第一定律1热平衡定义2热力学第一定律当两个或多个物体相互接触时，经过足够长时间后，它们达到相同能量守恒定律在热学中的表现形式系统吸收的热量等于系统内能温度的状态称为热平衡热平衡是热力学第零定律的基础增加量与系统对外做功之和3内能变化4热功转换物体内能是分子热运动能量的总和，与物体的温度、质量、物质热能可转化为机械功，机械功也可转化为热能热机和制冷机是热U的种类有关温度升高，内能增加功转换的典型应用热膨胀现象固体热膨胀液体热膨胀气体热膨胀固体受热膨胀，冷却收缩线膨胀系数表示大多数液体受热膨胀，其体积膨胀系数远大气体的热膨胀最为显著在恒压条件下，理αβ单位长度物体温度升高时的伸长量于固体水在范围内表现反常，受热想气体的体积与绝对温度成正比1℃0-4℃反而收缩不同固体膨胀系数差异显著金属非金属，气体体膨胀系数约为一般为液体体膨胀系数一般为

3.7×10⁻³/℃10⁻⁶-10⁻⁵/℃10⁻⁴-10⁻³/℃工程设计中的热膨胀考虑建筑中的伸缩缝、桥梁的伸缩装置、铁轨间隙、输电线路松弛度、双金属片温度计等都是基于热膨胀原理设计的热的测量工具液体温度计热电偶与热电阻红外测温仪基于液体热膨胀原理，常见有水银温度计和酒精基于热电效应，两种不同金属连接形成回路，温基于热辐射原理，测量物体发出的红外辐射能量温度计差产生电动势确定温度•测量范围-30℃至350℃（水银）•测量范围-200℃至1800℃•测量范围-50℃至3000℃•优点结构简单，价格低廉•优点测量范围广，响应快•优点非接触测量，响应快•缺点反应慢，不易自动化•缺点需要参考温度，精度一般•缺点受表面发射率影响大热流计用于直接测量热流密度的仪器，通常由多个热电偶或热电堆组成，用于建筑保温性能测试、热交换设备效率评估等热传递中的数学建模热传导方程数值模拟方法描述非稳态热传导中温度随时间和空间的变化规律复杂工程问题中，热传递方程通常难以解析求解，需采用数值方法有限差分法将连续区域离散为网格点，用差分代替微分•有限元法将区域分割为有限个单元，在每个单元内用插值函数近似•有限体积法基于控制体积的积分形式，适合流体热传递问题•其中物质密度•ρ比热容•c导热系数•λ内热源•qᵥ这是一个二阶偏微分方程，通常需要数值方法求解计算流体动力学软件如、等可模拟复杂CFD ANSYSFluent COMSOL热传递问题热的微观解释热传导热对流热辐射热传导的微观机制热辐射的微观机制在固体中，热传导主要通过两种方式实现物体中的电子、原子和分子处于不断振动状态，带电粒子的加速运动产生电磁波辐射温度越高，振动越剧烈，辐射强度越大，峰值波长越短晶格振动原子/分子热振动能量通过晶格波（声子）传递自由电子传递金属中的自由电子携带能量移动（这也是金属导热性好的原因）热能的实际意义生活中的节能减排工业生产中的热效率提升•建筑保温减少热损失，降低供暖制•余热利用发电厂、钢铁厂废热回收冷能耗•热电联产同时生产电能和热能，提•节能家电提高热效率，减少能源消耗高能源利用率•热回收系统回收废热，二次利用•高效隔热材料减少工业炉窑热损失可再生能源利用•太阳能利用光热转换，太阳能热水器•地热能开发利用地球内部热能•生物质能利用有机物分解产生的热能理解热传递规律有助于我们更有效地利用能源，减少浪费，降低环境影响在全球应对气候变化的背景下，热能的高效利用显得尤为重要热学知识拓展热力学第二定律热机与制冷机热力学第二定律阐述了自然过程的方向性，有多种表述方式克劳修斯表述热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体开尔文-普朗克表述不可能从单一热源吸收热量，将其完全转化为有用功熵增原理孤立系统的熵总是增加的，熵是系统混乱程度的度量第二定律确立了热过程的不可逆性，对能源利用效率设定了理论极限热机是将热能转化为机械功的装置，如蒸汽机、内燃机等理想热机的最大效率为制冷机是热机的逆过程，消耗功将热量从低温区传递到高温区制冷系数为其中TH、TL分别为高、低温热源温度，QL为从低温源吸收的热量，W为输入的功课堂互动环节热传导计算题热现象观察与讨论一堵厚度为的砖墙，内表面温度为，外表面温度为24cm20℃已知砖的导热系数为，求-10℃

0.8W/m·K墙体单位面积的热流密度

1.每平方米墙面小时的热损失

2.24解答分组讨论以下热现象的原理热流密度

1.q=λT₁-T₂/L=

0.8×[20--10]/

0.24=100W/m²为什么金属勺子插在热水中，勺柄很快变热？

1.热损失

2.Q=q×t=100×24×3600=

8.64×10⁶J/m²=

8.64冬天为什么金属感觉比木材更冷？

2.MJ/m²冰箱冷藏室为什么设在顶部而非底部？

3.暖气片为什么通常安装在窗户下方？

4.保温杯为什么使用双层真空结构？

5.通过讨论这些生活中常见现象，加深对热传递原理的理解复习与总结热的定义与基本概念1热是能量的一种形式，是分子无规则运动的能量总和•温度是物体冷热程度的度量，决定热量传递方向•2热的传递方式热平衡是相互接触物体达到相同温度的状态•传导通过物体内部分子碰撞传递热量•对流热量随流体宏观运动传递•关键公式3辐射以电磁波形式传递热量，无需介质•傅立叶定律•q=-λdT/dx平壁导热•Q=λAT₁-T₂/L圆筒壁导热•Ql=2πλT₁-T₂/lnr₂/r₁4应用场景对流换热•Q=hATs-Tf建筑保温设计•辐射换热•E=εσT⁴工业换热设备•热电联产系统•节能减排技术•热能回收利用•结束语热学知识是理解自然与工程的基础，掌握热的传递规律助力科学探索与技术创新！理论基础工程应用热学规律是现代物理学、材料科学和能源工程的理论基石从发电厂到家用电器，热传递原理无处不在环境影响未来展望热能高效利用是实现碳中和目标的关键路径新型热电材料和热管理技术将引领能源革命感谢您的关注！欢迎进一步探索热学的奥秘！。