浅谈热力学对流换热与辐射换热

摘 要：热方程违背狭义相对论，因为它的解表达了一个可以在瞬间传播至空间各处的能量。在前方光锥外的影响通常可以忽略不计，但是若要为热传导推出一个合理的速度，则须转而考虑一个双曲线型偏微分方程。

关键词：热力 对流换热 辐射换热

一、对流换热

众所周知热板金属冷却时，放置在风扇的前面比暴露在静止的空气中更容易冷却。我们说的热对流路程，我们称之为热传递过程。关于热传输过程术语为读者提供了一个直观的概念，但是这种直观的概念必须扩大一个类似适当的分析处理问题。例如我们知道，当空气吹在热板块上，会明显影响热传输速度，但是否是线性影响散热的方式，还无法确定。如果速度增加一倍，热传输速率也将翻倍。我们应该怀疑速率可能是不同的，如我们用水或空气给热板块降温，两种方式的热传递速率有多少差别我们无法知晓。这些问题可以用一种辅助办法来回答。现在我们绘制图表来反映物理对流热传递的机制并显示热板块的温度与流体的温度的关系。作为粘性作用的结果，水流的速度将减小到零。板由于流体层的速度在外壁将是零，热量必须在该点传导和转移。从而我们可能计算出热传递的量，用热导率来表示热板块外壁和流体的温度梯度。那么，为什么热由水流传导到这一层，我们讲的对流换热是需要考虑流体的速度的。答案是温度梯度依赖于其中流体携带的带走热量的速率，高流速产生较大的温度梯度。因此在外壁上的温度梯度取决于流场，我们必须在我们以后的分析制定中明确两个表达式。然而必须记住的是热传递在外壁上的物理机制成为传导过程。

为了表达对流的整体效果，我们用牛顿冷却定律：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的，在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时只在温度差不太大时才成立。这里的热传输速率是相同的，以二者之间的整体温度差和流体的表面面积的量为所谓的对流热传递系数，可对于一些系统进行定义分析计算。对于复杂的情况，它必须通过实验确定。该传热系数有时也被称为是因为它的膜电导关系在流体壁面上薄的静止层的传导过程。我们注意到单位为每摄氏度平方米。鉴于上述讨论，人们可以预计，对流换热具有依赖于流体的粘度（热导率，比热，密度）的热性能。这是显而易见的因为粘度影响速度分布，相应地能量传输率在近壁区域也较大。如果加热板暴露于周围的空气没有外部来源的运动的空气作用，将尽可能接近密度梯度的结果。我们称这种对流为自然对流而不是强制对流。该对流热传递系数具有近似的范围。

二、辐射换热

两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，是传热学的重要研究内容之一。太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的， 因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能，同时又保证得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱（如可见光），集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱范围（如红外线）。所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射（吸收）率极低这样性质的材料。太阳辐射穿过大气层时，大气层对太阳辐射有吸收、散射、反射作用，因而太阳辐射受到了减弱，故到达地表时辐射能小了，大气减弱作用分为：⑴大气层的吸收作用：大气层中含有的H2O、CO2、O2、O3对太阳辐射能选择性地吸收，大气层中含有的尘埃和污染物也有吸收作用；⑵大气层的散射作用：太阳辐射遇到大气层中含有的空气分子和微小尘埃会产生散射；⑶大气层的反射作用：太阳辐射遇到大气层中的云层和较大的尘埃就会反射，把部分反射回宇宙空间出了。气体的辐射和吸收具有明显的选择性，且其辐射和吸收是在整个气体容积中进行。 若气体能辐射和吸收某一定波长范围光带时，当该光带中的热射线穿过气体层时， 射线能量沿途被吸收而不断减弱。

三、量纲和单位

一个维度的物理变量是用于指定一个特定系统的性质。例如，棒的长度是一个维度。在类似的方式中，气体的温度可被认为是气体的热力学维度之一。当我们说的是棒这么多米长或气体在这么多摄氏度的温度下，我们是鉴于我们所选择的测量尺寸的单位的。在我们的发展中，我们使用所有物理量中的传热用热传递可以被表达。通常涉及到一个物理现象或规律。所有这些单位系统使用在不同的地方。而磅力和华氏度以及英热单位系统仍然被广泛使用在美国，有越来越多的动力研究所以SI（SYSTEME国际联德）为单位成为一个全球标准。在这个系统中，基本单元有米、牛顿、千克质量和摄氏度，一个“热”的能量单位是不使用的；即焦耳（牛顿米）成为整个使用的能量单位。瓦特（每秒焦耳）是功率的该系统中的单元。在国际单位制中，标准单位热导率将成为SI单位，我们将使用它们作为本文中的标准，用中间步骤和答案的例子也是在英热单位磅给予插入语质量系统。在传热中必须获得一个感觉大小的顺序这两个系统。SI系统的概念通常不使用，并且牛顿定义即便如此，人们应该牢记牛顿第二运动定律所表达的不同物理概念之间的物理关系。在SI系统还指定要使用的时候，以节省空间标准的倍数数值来表示。热传递通常遇到标准符号数量。

参考文献

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[2]顾名言，章明川，范卫东等. 辐射离散传播法在三维圆柱腔体辐射传热计算中的应用[J]. 热能动力工程， 2005，20（5）：482～485.