本期我們一起來(lái)了解學(xué)習(xí)下熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的相關(guān)知識(shí)。

 

什么是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射？   

1、熱傳導(dǎo)    熱傳導(dǎo)是指依靠物質(zhì)的分子、原子和電子的振動(dòng)、位移和相互碰撞而產(chǎn)生熱量傳遞的方式。熱傳導(dǎo)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(jī)理不同，嚴(yán)格而言，只有在固體中才是純粹的熱傳導(dǎo)。
當(dāng)物體的兩個(gè)部分溫度不同時(shí)，高溫部分的分子會(huì)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(dǎo)的速度取決于物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度差和物質(zhì)的厚度等因素，導(dǎo)熱系數(shù)越大、溫度差越大、物質(zhì)厚度越小，熱傳導(dǎo)的速度就越快。

 

2、熱對(duì)流   
熱對(duì)流是指物質(zhì)內(nèi)部的熱量通過(guò)流體的對(duì)流傳遞的過(guò)程。當(dāng)流體受熱而膨脹時(shí)，密度變小，從而形成上升的熱氣流；當(dāng)流體被冷卻而收縮時(shí)，密度變大，從而形成下降的冷氣流。這種熱氣流的運(yùn)動(dòng)就是熱對(duì)流。熱對(duì)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(duì)流的速度就越快。
熱對(duì)流三種基本形式：自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流和湍流，其中以湍流的熱傳遞速率最高。自然對(duì)流是由溫度不均勻而引起流體內(nèi)壓強(qiáng)或密度不均勻，從而導(dǎo)致循環(huán)流動(dòng)。如煮水時(shí)水的上下循環(huán)流動(dòng)。家用電冰箱一般也靠自然對(duì)流冷卻物品，故冰箱內(nèi)不能塞得太滿(mǎn)而影響對(duì)流。

 

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

 

熱輻射廣泛應(yīng)用于熱成像、太陽(yáng)能、熱電池、紅外線(xiàn)熱傳遞等領(lǐng)域。

除了這3種基本的熱傳遞過(guò)程，有研究證明，還有第四種熱傳遞方式。來(lái)自香港大學(xué)和加州伯克利分校的Xiang Zhang教授2019年以實(shí)驗(yàn)的方式證明了第4種熱傳遞方式，即電磁場(chǎng)的量子漲落會(huì)引起真空中的聲子耦合，從而促進(jìn)熱傳遞。 這個(gè)發(fā)型將對(duì)計(jì)算器芯片和其他在設(shè)計(jì)上以散熱為關(guān)鍵考慮的納米級(jí)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(dǎo)。熱量從高溫傳遞到低溫是自發(fā)進(jìn)行的，是不需要條件的，而當(dāng)熱量從低溫傳到高溫物體時(shí)，是不能自發(fā)進(jìn)行的，如要進(jìn)行必須消耗外界的能量。當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體進(jìn)行接觸時(shí)，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(huì)達(dá)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(dāng)某物體從液體變?yōu)闅怏w時(shí)，物體溫度不變時(shí)，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(chēng)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(dāng)制冷劑通過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，它吸收熱量開(kāi)始沸騰。隨著熱量的進(jìn)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(duì)的。當(dāng)物體從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，物體是應(yīng)放出熱量的，所放出來(lái)的熱量大小與物體的性質(zhì)有關(guān)。是氣化的逆過(guò)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(lái)，則其變化情況與上述過(guò)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(diǎn)與外界的壓力有關(guān)。外界壓力越大，液體的沸點(diǎn)也越高。在汽車(chē)上冷卻系統(tǒng)是一個(gè)很好的例子。汽車(chē)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(kāi)鍋”的溫度也升高了。改變液體的壓力可以改變沸點(diǎn)。增加壓力會(huì)使沸點(diǎn)提高，降低壓力會(huì)使沸點(diǎn)下降。空調(diào)系統(tǒng)排除車(chē)內(nèi)熱量時(shí)也利用了這一原理。在海平面上，水的沸點(diǎn)為100℃。而在高山上，氣壓較低，水可能86℃就會(huì)沸騰。制冷劑的沸點(diǎn)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(diǎn)可能低至零下22℃。
傳熱的第六原則：當(dāng)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮時(shí)，氣體的溫度與壓力會(huì)升高。升高溫度的多少與壓縮的快慢與邊界條件有關(guān)。

熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射在制冷空調(diào)換熱器中如何進(jìn)行的？   

1、制冷空調(diào)換熱器的熱傳導(dǎo)   
制冷空調(diào)換熱器的熱傳導(dǎo)是通過(guò)換熱管道和熱交換表面進(jìn)行的。通常，制冷空調(diào)換熱器采用銅管和鋁片作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，通過(guò)銅管將制冷劑輸送到蒸發(fā)器或冷凝器中，然后通過(guò)鋁片將熱量傳遞給空氣或水。銅管和鋁片的導(dǎo)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(dǎo)效率較高，可以有效地傳遞熱量。
為了驗(yàn)證制冷空調(diào)換熱器的熱傳導(dǎo)效率，科學(xué)家進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。例如，一項(xiàng)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(dǎo)介質(zhì)，將其與傳統(tǒng)的銅管和鋁片進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型鋁合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)為160 W/m·K，比傳統(tǒng)的鋁片略低，但仍能滿(mǎn)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(dǎo)效率，科學(xué)家還開(kāi)發(fā)了一種新型的熱傳導(dǎo)涂層。這種涂層是由納米材料制成的，具有優(yōu)異的導(dǎo)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(dǎo)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用這種涂層的制冷空調(diào)換熱器的熱傳導(dǎo)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(duì)流   
在制冷空調(diào)中，通常使用空氣作為流體介質(zhì)，通過(guò)風(fēng)扇將空氣吹過(guò)蒸發(fā)器或冷凝器表面，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞和散熱。空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)取決于空氣的流速、溫度差、濕度、壓力和流動(dòng)狀態(tài)等因素，其中流速和溫度差是影響對(duì)流傳熱效率的主要因素。一項(xiàng)研究使用了不同的風(fēng)速和溫度差，測(cè)量了制冷空調(diào)換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加和溫度差的增大，制冷空調(diào)換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)也隨之增加。此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在一定的風(fēng)速和溫度差下，制冷空調(diào)換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)隨著空氣濕度的降低而增加，這是因?yàn)榭諝鉂穸鹊慕档涂梢詼p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(duì)流效率，科學(xué)家還研究了不同的換熱器結(jié)構(gòu)和風(fēng)道設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)和風(fēng)道設(shè)計(jì)，可以顯著提高制冷空調(diào)換熱器的熱對(duì)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(duì)換熱性能的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1. 熱輻射會(huì)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(huì)對(duì)制冷系統(tǒng)的能耗和制冷效果產(chǎn)生影響，從而影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能。

一些實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)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(duì)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。