热量的传递热质的运动速度.pdfVIP

中困工程热物理学会 传热传质学 2006年学术会议论文 编号：063402 热量的传递 (热质的运动)速度 韩光泽1过增元2 (1华南理丁大学物理科学与技术学院，广州，5106402清华人学航天航空学院，北京，100084) 1 020—8712320 phgzhan@scut．edu．Cn 摘要：传热学主要研究热流量或热流密度，它表示单位时间通过某(单位面积)截面的能量。热量传 递作为一种运动形式，也必然具有一定的传递速度，热量的传递速度等于热流密度与热容密度的比值。 利用傅口叶定律导出了常舰下的热量传递速度，热量传递速度与热扩散系数和温度梯度的负值成正比， 与温度成反比。热量传递速度通常只有毫米每秒的量级，沿导热方向越来越快．根据相对论，热量可 以当量成一定的质量，热量的传递速度就足热质量的运动速度。利用质能关系导出了热质密度，利用 统计物理学方法导出了热质气体的压强。将热质作为一种流体，建立了热质运动的质量方程和运动方 程，可求解热质的运动速度。热质气体的理想流动速度公式表明，热质气体是一种高粘性流体。 关键词：热量传递速度，热质，运动方程 1引言 ． 在传热学的应用和研究中，人们关心的是热流量或热流密度。热流量是单位时间内 通过某一给定面积的热量，单位是瓦。而热流密度是单位时间通过单位面积的热量，单 位是瓦每平米。因为热是能量传递的一种方式，所以从用能的角度来看这种研究重点是 非常自然的。传热学的理论基础是建立在傅立叶定律上的能量方程，可以由此研究各种 条件下的传热规律…。通常情况下，理论结果与实验相当吻合。然而近年米人们发现， 在极高热流密度、超快速导热、极低温度导热等问题中，傅立叶定律给出的结论与实验 不符。另一方面，建立在傅立叶定律基础上的传热学只有热强化的概念。这说明傅立叶 定律有一定的局限性。文献[2]通过定义热量传递势容，提出了导热优化的概念∞】。文献 [4]进一步提出，可以类似于牛顿力学的方法，在传热学中引入力、速度、和加速度等 概念，用动力学的方法来研究传热问题哺1。根据爱因斯坦的狭义相对论，物质的质量和 能量可以相互等当，热是一种能量，自然地也可以当量成·定的质量，称为热质。这就 为传热问题的动力学研究提供了理论依据。热量的传递速度或热质的运动速度是动力学 研究中必须的基本量，但现有的传热学中没有这个概念。本文首先利用傅立叶定律研究 热量的传递速度，再从热质运动论的角度建立热质运动方程，研究热质运动速度的特征。 2热量的传递速度 如图1，设在垂直予传热方向一个截面面积为彳处的 温度是r，热流密度是q，通过该截面的热流量是Aq。 如果热量传递的速度是，，则该热流量还应该等于K度为 V的柱体内的总热容量，彳g=Av9，其中Q矿=pc矿T表 示热容密度(单位体积中的热能)，P和C圹分别表示导热 |+一卢V——■ 介质的密度和定容比热容。写为欠餐关系式有： 图l热流谏度示意幽 ，， q=绋l，，或y=÷． (1) 式(1)就是用热流密度和热容密皮表示的热量的传递速度。傅立叶定律是传热学 中的一条基本定律，在通常的情况’F与实验结果符合的相当好。利用傅立叶定律 67 q=一旯V丁，热量的传递速度可以写为： 彳Vr V丁 ，． I__丽2__丁‘ 心’ 其中口=兄／腰，表示热扩散率。 式(2)表明，热量的传递速度上E比丁导热材料的热扩散率口，这与传热学中关丁 口的物理意义的解释足一致