本期我们一起来了解学习下热传导、热对流和热辐射的相关知识。

 

什么是热传导、热对流和热辐射？   

1、热传导    热传导是指依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞而产生热量传递的方式。热传导在气态、液态和固态物质中都可以发生，但热量传递的机理不同，严格而言，只有在固体中才是纯粹的热传导。
当物体的两个部分温度不同时，高温部分的分子会向低温部分的分子传递热量，使得两部分温度趋于平衡。热传导的速度取决于物质的导热系数、温度差和物质的厚度等因素，导热系数越大、温度差越大、物质厚度越小，热传导的速度就越快。

 

2、热对流   
热对流是指物质内部的热量通过流体的对流传递的过程。当流体受热而膨胀时，密度变小，从而形成上升的热气流；当流体被冷却而收缩时，密度变大，从而形成下降的冷气流。这种热气流的运动就是热对流。热对流的速度取决于流体的流速、温度差和流体的粘性等因素，流速越大、温度差越大、流体粘性越小，热对流的速度就越快。
热对流三种基本形式：自然对流、强迫对流和湍流，其中以湍流的热传递速率最高。自然对流是由温度不均匀而引起流体内压强或密度不均匀，从而导致循环流动。如煮水时水的上下循环流动。家用电冰箱一般也靠自然对流冷却物品，故冰箱内不能塞得太满而影响对流。

 

3、热辐射   是指物体表面的热量通过电磁波辐射传递的过程。当物体受热时，其表面会产生热辐射，这种辐射可以穿过空气、真空和透明介质等，不受介质的影响。热辐射的强度取决于物体的温度、表面的发射率和辐射波长等因素，温度越高、发射率越大、辐射波长越短，热辐射的强度就越大。

 

热辐射广泛应用于热成像、太阳能、热电池、红外线热传递等领域。

除了这3种基本的热传递过程，有研究证明，还有第四种热传递方式。来自香港大学和加州伯克利分校的Xiang Zhang教授2019年以实验的方式证明了第4种热传递方式，即电磁场的量子涨落会引起真空中的声子耦合，从而促进热传递。 这个发型将对计算器芯片和其他在设计上以散热为关键考虑的纳米级电子组件产生较大的影响。

 

传热的6大原则   

传热的第一原则：从高向低传导。热量从高温传递到低温是自发进行的，是不需要条件的，而当热量从低温传到高温物体时，是不能自发进行的，如要进行必须消耗外界的能量。当两个温度不同的物体进行接触时，热量总是从高温物体传递到低温物体，最终两物体的温度会达到一致，而不需要外界的任何条件。
传热的第二原则：气化潜热。当某物体从液体变为气体时，物体温度不变时，它仍然要吸收一定的热 量，单位质量物体所吸收的热量的多少称为气化潜热。在空调系统中，蒸发潜热发生在蒸发器内部。当制冷剂通过蒸发器时，它吸收热量开始沸腾。随着热量的进一步吸收，制冷剂从低压液体变成低压蒸汽。
传热的第三原则：凝结潜热。是与气化潜热相对的。当物体从气态变为液态时，物体是应放出热量的，所放出来的热量大小与物体的性质有关。是气化的逆过程。在空调系统中，凝结潜热发生在冷凝器内部。冷凝器将制冷剂的热量放入大气。随着温度下降，制冷剂从蒸汽变为液体。如果蒸汽冷却下来，则其变化情况与上述过程正好相反。 
传热的第四原则：质量守恒定律。不管物体的热能是增加还是减少，也不管物体是从固体变为液体或 者气体的物体的质量是保持不变的。
传热的第五原则：液体的沸点与外界的压力有关。外界压力越大，液体的沸点也越高。在汽车上冷却系统是一个很好的例子。汽车水箱盖是密封的，它能有效的保持冷却液的压力，这样使得水箱“开锅”的温度也升高了。改变液体的压力可以改变沸点。增加压力会使沸点提高，降低压力会使沸点下降。空调系统排除车内热量时也利用了这一原理。在海平面上，水的沸点为100℃。而在高山上，气压较低，水可能86℃就会沸腾。制冷剂的沸点必须很低。有些空调系统的制冷剂在有压力的情况下沸点可能低至零下22℃。
传热的第六原则：当对气体进行压缩时，气体的温度与压力会升高。升高温度的多少与压缩的快慢与边界条件有关。

热传导、热对流和热辐射在制冷空调换热器中如何进行的？   

1、制冷空调换热器的热传导   
制冷空调换热器的热传导是通过换热管道和热交换表面进行的。通常，制冷空调换热器采用铜管和铝片作为热传导介质，通过铜管将制冷剂输送到蒸发器或冷凝器中，然后通过铝片将热量传递给空气或水。铜管和铝片的导热系数分别为386 W/m·K和235 W/m·K，因此在制冷空调换热器中，铜管和铝片的热传导效率较高，可以有效地传递热量。
为了验证制冷空调换热器的热传导效率，科学家进行了一系列实验。例如，一项研究使用了一种新型的铝合金材料作为制冷空调换热器的热传导介质，将其与传统的铜管和铝片进行了比较。实验结果表明，新型铝合金材料的导热系数为160 W/m·K，比传统的铝片略低，但仍能满足制冷空调换热器的要求。
另外，为了提高制冷空调换热器的热传导效率，科学家还开发了一种新型的热传导涂层。这种涂层是由纳米材料制成的，具有优异的导热性能和表面张力，可以显著提高制冷空调换热器的热传导效率。实验结果表明，使用这种涂层的制冷空调换热器的热传导效率比传统的换热器提高了近30%。
2、制冷空调换热器的热对流   
在制冷空调中，通常使用空气作为流体介质，通过风扇将空气吹过蒸发器或冷凝器表面，从而实现热量的传递和散热。空气的对流传热系数取决于空气的流速、温度差、湿度、压力和流动状态等因素，其中流速和温度差是影响对流传热效率的主要因素。一项研究使用了不同的风速和温度差，测量了制冷空调换热器的对流传热系数。实验结果表明，随着风速的增加和温度差的增大，制冷空调换热器的对流传热系数也随之增加。此外，实验还发现，在一定的风速和温度差下，制冷空调换热器的对流传热系数随着空气湿度的降低而增加，这是因为空气湿度的降低可以减小空气的热容和热阻，从而提高空气的传热能力。
另外，为了提高制冷空调换热器的热对流效率，科学家还研究了不同的换热器结构和风道设计。实验结果表明，通过优化换热器的结构和风道设计，可以显著提高制冷空调换热器的热对流效率，从而提高其制冷效率和能源利用率。
3、制冷空调换热器的热辐射   

在制冷空调中，热辐射对换热性能的影响主要表现在以下两个方面：

1. 热辐射会使得换热器表面温度升高，从而降低了换热器的换热效率。

2. 热辐射会对制冷系统的能耗和制冷效果产生影响，从而影响整个空调系统的性能。

一些实验研究表明，通过采用反射材料、增加换热器表面积等措施，可以有效地减少热辐射对制冷空调换热器的影响，从而提高空调系统的性能和效率。