1、傳熱學(xué)的基本概念及傳熱的三種方式
傳熱學(xué)是研究熱能傳遞規(guī)律的一門科學(xué)。熱能可以自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞，因此，只要存在溫度差，就必然發(fā)生熱能的傳遞過程?？梢姡瑹崮艿膫鬟f現(xiàn)象是日常生活和工程技術(shù)中常見的現(xiàn)象。
為了便于分析，按照熱傳遞過程中物質(zhì)運動的特點，把熱傳遞分為以下三種基本方式：
（1）熱傳導(dǎo)：簡稱“導(dǎo)熱”，它是不同溫度的物體之間通過直接接觸，或同一物體不同溫度的各部分之間，當(dāng)沒有宏觀相對位移時，由分子、原子或自由電子等微粒的熱運動來傳遞熱量的過程。
（2）熱對流：它是流體中不同溫度的各部分之間，由流體微團宏觀相對位移來傳遞熱量的過程。
（3）熱輻射：當(dāng)物體溫度高于絕對零度時，物體由于具有一定溫度而向外放射輻射能，輻射能通過電磁波向外傳播。物體將熱能轉(zhuǎn)化為向外放射輻射能的現(xiàn)象稱為“熱輻射”，其電磁波的波長范圍為0.4~1000μm。不同溫度的物體之間，由電磁波來傳遞熱量的過程，稱為“輻射換熱”。
2、導(dǎo)熱
導(dǎo)熱是依靠物質(zhì)的分子、原子或者自由電子等微粒的熱運動來傳遞熱能的。只要有溫度差，無論固體、液體或氣體中都會有導(dǎo)熱現(xiàn)象。同理，在固體與液體、固體與氣體以及液體與氣體接口上也有導(dǎo)熱現(xiàn)象。在任一瞬間，在所研究的空間中所有點上的溫度分布稱為溫度場。穩(wěn)定溫度場中各點的溫度不隨時間而改變，它可表示為：
=(x、y、z)
溫度分布可以是三個坐標(biāo)、兩個坐標(biāo)或一個坐標(biāo)的函數(shù)，即溫度場有三維、二維和一維溫度場，一維溫度場表達(dá)式為：
溫度相同的點集合的線或面稱等溫線或等溫面。
溫度梯度是等溫面法線方向上單位長度的溫度增量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
溫度梯度是向量，其方向沿等溫面的法向指向溫度增加的這一邊，因為熱傳導(dǎo)的方向是由高溫到低溫，所以導(dǎo)熱的方向與溫度梯度的方向相反。
單位時間內(nèi)，由于導(dǎo)熱通過等溫面單位面積的熱流量與溫度梯度成正比，即
上式稱為傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中比例系數(shù)稱為導(dǎo)熱系數(shù)。負(fù)號表示熱流量的方向與溫度梯度的方向相反。同理，單位時間流過面積f的導(dǎo)熱量
導(dǎo)熱系數(shù)是每單位溫度梯度所傳導(dǎo)的熱流密度值。不同物質(zhì)的λ值差異很大。按物質(zhì)的種類來分，λ值以金屬為最大，非金屬固體較大，液體較小而氣體為最小。其中銀的λ=418 w/(m·℃)為最大，哥羅仿氣體的λ=0.006 6/(m·℃)為最小。其具體數(shù)值可查有關(guān)熱工手冊。
3、對流換熱
流動流體與固體壁面之間的熱交換過程稱為對流換熱。這種換熱過程，既包括壁面與流體直接接觸的導(dǎo)熱，還包括因密度差在流體內(nèi)引起的熱對流。英國物理學(xué)家牛頓提出了對流換熱公式——牛頓冷卻定律，即壁面外表面與冷卻水之間的對流換熱公式為：
式中：—對流換熱的熱流量，單位為；
—換熱面積，單位為
—冷卻流體溫度，單位為℃；
—壁面溫度，單位為℃；
—放熱系數(shù)，，是壁面對冷卻流體的放熱系數(shù)。
可見，對流換熱的熱流量與溫差成正比，與放熱系數(shù)成正比。越大，對流換熱越強烈。反之，越小，對流換熱則越弱。
4、輻射換熱
物體中的原子內(nèi)部，處于束縛態(tài)的電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，使電場發(fā)生變化，電場的變化引起相應(yīng)磁場的變化，而磁場的變化又激起電場變化。這樣由于電子躍遷所釋放的能量就以交替變化的電磁波向四周放射出去，這種能量就叫做輻射能。因此，輻射能的發(fā)射是原子內(nèi)部經(jīng)過復(fù)雜運動的結(jié)果，而熱輻射是因熱能使原子內(nèi)部激動所發(fā)出的電磁波。可見，物體只要有一定的溫度，便不可避免地發(fā)射出熱輻射。物體溫度越高則發(fā)射的輻射能量越多。由于電磁波的傳播是以光速進(jìn)行的，而又不需要任何中間介質(zhì)，因此輻射換熱是可以在真空中以光速進(jìn)行的熱傳遞過程。
電磁波包括波長從10-8μm到幾公里的各種波(1μm=10-6m)。根據(jù)不同波長范圍的電磁波效應(yīng)和用途，人們把它們分為宇宙線、γ射線、x射線、紫外線、可見光線、紅外線和無線電波等。傳熱學(xué)中用來進(jìn)行熱輻射的電磁波僅有可見光線和紅外線。人們把0.4~1000μm這一波長范圍內(nèi)的電磁波稱為熱射線。其中包括0.4~0.7μm的可見光線，0.7~25μm的近紅外線和25~1000μm的遠(yuǎn)紅外線。可見光線所處的波長范圍很窄，又處于短波區(qū)，它在一般工程范圍內(nèi)其熱效應(yīng)較小。近紅外線的能量占熱射線能量中的大部分。人們將熱射線的傳播過程稱為“熱輻射。
熱射線中包括有可見光線，因此可見光線的投射、反射和折射的規(guī)律也適用于熱射線。
圖1物體對熱輻射的吸收、反射和透射
如果a=1，則r=0，d=0。這說明所有落在物體上的輻射能全部被該物體所吸收，這一類物體叫做絕對黑體或黑體。
如果r=1，則a=0，d=0。這說明所有落在物體上的輻射能全部被反射，該物體稱為絕對白體或白體。
如果d=1，a=0，r=0。這說明所有落在物體上的輻射能全部穿過該物體，該物體稱為絕對透明體或透明體。
自然界中并不存在絕對黑體、絕對白體和絕對透明體，這些概念的建立都是為了研究輻射現(xiàn)象方便而假定的。a、r和d的數(shù)值要由物體的性質(zhì)、溫度和輻射的波長來決定。例如，空氣對熱射線是透明體，但當(dāng)空氣中混雜有水蒸汽或碳酸氣時，它就變成半透明介質(zhì)。玻璃對于紅外線、紫外線是不透明體，它只允許可見光透過，因此人們用玻璃來制作暖房。因為玻璃只允許可見光線將輻射能傳入暖房，卻不允許暖房的紅外線輻射出去，因此暖房內(nèi)溫度不斷升高。
對常溫下的熱射線來說，黑漆、白漆與黃漆等，其吸收率為0.90～0.95，但對太陽輻射,因為可見光約占一半的能量,所以黑漆的吸收率為0.96，而白漆的吸收率僅為0.12～0.16?？梢?，顏色的深淺對可見光的吸收率影響最大。對常溫下的熱射線來說，吸收率主要決定于物體表面的粗糙度，不管什么顏色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗糙面高好幾倍。這是因為熱射線射到凹凸不平的壁面上會形成多次反射和吸收，使總的吸收量qa增大。
實踐證明，氣體對于輻射能幾乎不能反射，因此反射率r=0，所以a+d=1。當(dāng)輻射能投射固體或液體的表面時，除反射的能量外，其余的能量在進(jìn)入表面很小距離內(nèi)即被吸收完畢。因而可以認(rèn)為固體和液體的穿透率d=0，其a+r=1。