本期我們一起來了解學習下熱傳導、熱對流和熱輻射的相關知識。

 

什么是熱傳導、熱對流和熱輻射？   

1、熱傳導    熱傳導是指依靠物質(zhì)的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞而產(chǎn)生熱量傳遞的方式。熱傳導在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都可以發(fā)生，但熱量傳遞的機理不同，嚴格而言，只有在固體中才是純粹的熱傳導。
當物體的兩個部分溫度不同時，高溫部分的分子會向低溫部分的分子傳遞熱量，使得兩部分溫度趨于平衡。熱傳導的速度取決于物質(zhì)的導熱系數(shù)、溫度差和物質(zhì)的厚度等因素，導熱系數(shù)越大、溫度差越大、物質(zhì)厚度越小，熱傳導的速度就越快。

 

2、熱對流   
熱對流是指物質(zhì)內(nèi)部的熱量通過流體的對流傳遞的過程。當流體受熱而膨脹時，密度變小，從而形成上升的熱氣流；當流體被冷卻而收縮時，密度變大，從而形成下降的冷氣流。這種熱氣流的運動就是熱對流。熱對流的速度取決于流體的流速、溫度差和流體的粘性等因素，流速越大、溫度差越大、流體粘性越小，熱對流的速度就越快。
熱對流三種基本形式：自然對流、強迫對流和湍流，其中以湍流的熱傳遞速率最高。自然對流是由溫度不均勻而引起流體內(nèi)壓強或密度不均勻，從而導致循環(huán)流動。如煮水時水的上下循環(huán)流動。家用電冰箱一般也靠自然對流冷卻物品，故冰箱內(nèi)不能塞得太滿而影響對流。

 

3、熱輻射   是指物體表面的熱量通過電磁波輻射傳遞的過程。當物體受熱時，其表面會產(chǎn)生熱輻射，這種輻射可以穿過空氣、真空和透明介質(zhì)等，不受介質(zhì)的影響。熱輻射的強度取決于物體的溫度、表面的發(fā)射率和輻射波長等因素，溫度越高、發(fā)射率越大、輻射波長越短，熱輻射的強度就越大。

 

熱輻射廣泛應用于熱成像、太陽能、熱電池、紅外線熱傳遞等領域。

除了這3種基本的熱傳遞過程，有研究證明，還有第四種熱傳遞方式。來自香港大學和加州伯克利分校的Xiang Zhang教授2019年以實驗的方式證明了第4種熱傳遞方式，即電磁場的量子漲落會引起真空中的聲子耦合，從而促進熱傳遞。 這個發(fā)型將對計算器芯片和其他在設計上以散熱為關鍵考慮的納米級電子組件產(chǎn)生較大的影響。

 

傳熱的6大原則   

傳熱的第一原則：從高向低傳導。熱量從高溫傳遞到低溫是自發(fā)進行的，是不需要條件的，而當熱量從低溫傳到高溫物體時，是不能自發(fā)進行的，如要進行必須消耗外界的能量。當兩個溫度不同的物體進行接觸時，熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體，最終兩物體的溫度會達到一致，而不需要外界的任何條件。
傳熱的第二原則：氣化潛熱。當某物體從液體變?yōu)闅怏w時，物體溫度不變時，它仍然要吸收一定的熱 量，單位質(zhì)量物體所吸收的熱量的多少稱為氣化潛熱。在空調(diào)系統(tǒng)中，蒸發(fā)潛熱發(fā)生在蒸發(fā)器內(nèi)部。當制冷劑通過蒸發(fā)器時，它吸收熱量開始沸騰。隨著熱量的進一步吸收，制冷劑從低壓液體變成低壓蒸汽。
傳熱的第三原則：凝結(jié)潛熱。是與氣化潛熱相對的。當物體從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時，物體是應放出熱量的，所放出來的熱量大小與物體的性質(zhì)有關。是氣化的逆過程。在空調(diào)系統(tǒng)中，凝結(jié)潛熱發(fā)生在冷凝器內(nèi)部。冷凝器將制冷劑的熱量放入大氣。隨著溫度下降，制冷劑從蒸汽變?yōu)橐后w。如果蒸汽冷卻下來，則其變化情況與上述過程正好相反。 
傳熱的第四原則：質(zhì)量守恒定律。不管物體的熱能是增加還是減少，也不管物體是從固體變?yōu)橐后w或 者氣體的物體的質(zhì)量是保持不變的。
傳熱的第五原則：液體的沸點與外界的壓力有關。外界壓力越大，液體的沸點也越高。在汽車上冷卻系統(tǒng)是一個很好的例子。汽車水箱蓋是密封的，它能有效的保持冷卻液的壓力，這樣使得水箱“開鍋”的溫度也升高了。改變液體的壓力可以改變沸點。增加壓力會使沸點提高，降低壓力會使沸點下降。空調(diào)系統(tǒng)排除車內(nèi)熱量時也利用了這一原理。在海平面上，水的沸點為100℃。而在高山上，氣壓較低，水可能86℃就會沸騰。制冷劑的沸點必須很低。有些空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑在有壓力的情況下沸點可能低至零下22℃。
傳熱的第六原則：當對氣體進行壓縮時，氣體的溫度與壓力會升高。升高溫度的多少與壓縮的快慢與邊界條件有關。

熱傳導、熱對流和熱輻射在制冷空調(diào)換熱器中如何進行的？   

1、制冷空調(diào)換熱器的熱傳導   
制冷空調(diào)換熱器的熱傳導是通過換熱管道和熱交換表面進行的。通常，制冷空調(diào)換熱器采用銅管和鋁片作為熱傳導介質(zhì)，通過銅管將制冷劑輸送到蒸發(fā)器或冷凝器中，然后通過鋁片將熱量傳遞給空氣或水。銅管和鋁片的導熱系數(shù)分別為386 W/m·K和235 W/m·K，因此在制冷空調(diào)換熱器中，銅管和鋁片的熱傳導效率較高，可以有效地傳遞熱量。
為了驗證制冷空調(diào)換熱器的熱傳導效率，科學家進行了一系列實驗。例如，一項研究使用了一種新型的鋁合金材料作為制冷空調(diào)換熱器的熱傳導介質(zhì)，將其與傳統(tǒng)的銅管和鋁片進行了比較。實驗結(jié)果表明，新型鋁合金材料的導熱系數(shù)為160 W/m·K，比傳統(tǒng)的鋁片略低，但仍能滿足制冷空調(diào)換熱器的要求。
另外，為了提高制冷空調(diào)換熱器的熱傳導效率，科學家還開發(fā)了一種新型的熱傳導涂層。這種涂層是由納米材料制成的，具有優(yōu)異的導熱性能和表面張力，可以顯著提高制冷空調(diào)換熱器的熱傳導效率。實驗結(jié)果表明，使用這種涂層的制冷空調(diào)換熱器的熱傳導效率比傳統(tǒng)的換熱器提高了近30%。
2、制冷空調(diào)換熱器的熱對流   
在制冷空調(diào)中，通常使用空氣作為流體介質(zhì)，通過風扇將空氣吹過蒸發(fā)器或冷凝器表面，從而實現(xiàn)熱量的傳遞和散熱。空氣的對流傳熱系數(shù)取決于空氣的流速、溫度差、濕度、壓力和流動狀態(tài)等因素，其中流速和溫度差是影響對流傳熱效率的主要因素。一項研究使用了不同的風速和溫度差，測量了制冷空調(diào)換熱器的對流傳熱系數(shù)。實驗結(jié)果表明，隨著風速的增加和溫度差的增大，制冷空調(diào)換熱器的對流傳熱系數(shù)也隨之增加。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)，在一定的風速和溫度差下，制冷空調(diào)換熱器的對流傳熱系數(shù)隨著空氣濕度的降低而增加，這是因為空氣濕度的降低可以減小空氣的熱容和熱阻，從而提高空氣的傳熱能力。
另外，為了提高制冷空調(diào)換熱器的熱對流效率，科學家還研究了不同的換熱器結(jié)構(gòu)和風道設計。實驗結(jié)果表明，通過優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)和風道設計，可以顯著提高制冷空調(diào)換熱器的熱對流效率，從而提高其制冷效率和能源利用率。
3、制冷空調(diào)換熱器的熱輻射   

在制冷空調(diào)中，熱輻射對換熱性能的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

1. 熱輻射會使得換熱器表面溫度升高，從而降低了換熱器的換熱效率。

2. 熱輻射會對制冷系統(tǒng)的能耗和制冷效果產(chǎn)生影響，從而影響整個空調(diào)系統(tǒng)的性能。

一些實驗研究表明，通過采用反射材料、增加換熱器表面積等措施，可以有效地減少熱輻射對制冷空調(diào)換熱器的影響，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的性能和效率。