热量如何传递？
热传递（Heat Transfer）
众所周知，如果我们将冷水瓶放在炎热的地方，它会变暖；如果我们将冷水瓶放入冰箱，水会变得更冷。我们还知道热量会从高温区域传递到低温区域。这种现象在科学上被称为“热传递 (Heat Transfer)”。
热力学第一定律
热力学第一定律 (The first law of thermodynamics) 也称为“能量守恒定律 (Conservation of energy)”，它指出“能量既不能被创造，也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。”
根据这一说法，可以写出以下方程式：
(Ein) – (Eout) = (ΔEsystem)
- Ein = 输入系统的能量
- Eout = 系统释放的能量
- ΔEsystem = 系统能量变化
图1 说明能量守恒定律的图示，包括能量输入、输出和变化
闭合系统的能量平衡（Energy Balance for Close Systems）
闭合系统（Close Systems）指质量不变的系统。例如，一罐温度为12°C的汽水放在25°C的室温环境中，一段时间后，汽水温度升至20°C
从这个例子可以看出，汽水罐中的液体质量保持不变，但由于接收到外部较高温度（25°C）的热量，使得汽水温度升高到20°C（变热）。
我们可以写出以下方程式：
(Ein) – (Eout) = (ΔEsystem)
ΔU = mcvΔT
或
Q = mcvΔT
- ΔU = 系统能量变化，即 ΔEsystem
- Q = 热能 (kJ)
- m = 系统质量 (kg)
- cv = 比热容 (kJ/kg.K)
- ΔT = 温度变化 (K)
图2 罐子示例和计算图示
稳态流动系统的能量平衡（Steady-Flow System）
稳态流动系统是指流入质量等于流出质量的恒定流动系统。例如自来水管中的水流，进水口的水量等于出水口的水量，这种系统称为稳态流动系统。
我们可以写出以下方程式：
Q̇ = ṁcvΔT
- ΔU = 系统能量变化，即 ΔEsystem
- Q̇ = 热量传递率 (kJ/s)
- ṁ = 质量流量 (kg/s)
- cv = 比热容 (kJ/kg.K)
- ΔT = 温度变化 (K)
图3 管道内流动示例图
热传递方式（Heat Transfer Mechanisms）
热量从一个区域传递到另一个区域可以通过以下三种方式：
- 热传导（Conduction）
- 热对流（Convection）
- 热辐射（Radiation）
- 热传导（Conduction）
这是一种需要介质（medium）的热传递方式，包括固体（Solid）、液体（Liquid）和气体（Gas）。这些介质保持静止，形状固定。
例如：
- 用金属筷子夹火锅食材时手会感到发热，这是因为金属筷子接收热量并传导到我们的手上。
- 建筑物玻璃之间的静止空气（Static Air）也属于热传导。
图4 解释热传导的示例图，包括筷子和火
热导率（Thermal Conductivity or K-Value）
我们都知道吃火锅时应该用木筷而不是金属筷，因为木筷不会变热而金属筷会变热。那么，这是为什么呢？
这两种筷子的区别在于热导率（K-Value），它表示热量能传递到另一端的程度，这取决于材料的类型。
- 如果热导率高，意味着能传导更多热量。
- 如果热导率低，意味着传导的热量较少。
图5 高低热导率材料的差异图示
从这个例子可以看出，“金属”筷子的导热系数高，“木制”筷子的导热系数低。
我们可以通过以下公式计算热传导率：
Q̇cond = kcond x A x (T1 -T2) /Δx
- Q̇cond = 热传导率 (kJ/s)
- kcond = 热导率
- A = 热传递面积 (m2)
- T1 = 温度1 (K)
- T2 = 温度2 (K)
- Δx = 介质厚度 (m)
图6 带图示的计算示例
从这个例子我们可以看到，导热系数越低，另一侧的温度就越低。因此，我们有另一个变量称为“热阻系数 (R-Value)”。
热阻系数（Thermal Resistance or R-Value）
这是与热导率（K-Value）相对的参数
- 如果热阻系数高，表示该介质允许的热量传递较少
- 如果热阻系数低，表示该介质允许的热量传递较多
- 热对流（Convection）
对流过程是依赖于流动介质的过程，例如液体 (Liquid) 和气体 (Gas)。高温部分会上升，低温部分会下降，正如我们常听到的那样：“热空气上升，冷空气下降。”
例如：
- 在杯中煮茶时，我们可以看到茶叶在垂直方向上旋转
- 空调压缩机排出的较热的空气
茶杯中的热对流图
热对流可以根据其特性分为以下类型（以冷空气为例）：
- 自然对流（Free Convection/Natural Convection）
- 强制对流（Force Convection）
例如，在一个非常炎热的日子，我们刚运动完。如果我们只是静止不动，这被称为“自然对流 (Free Convection)”。但如果我们觉得太热受不了，需要打开风扇来帮助，这被称为“强制对流 (Force Convection)”。
图7 自然对流和强制对流的图示
对流系数（Convection Coefficient）
这个参数告诉我们当时的环境条件下可以带走多少热量
- 如果对流系数高，意味着流体可以带走更多热量
- 如果对流系数低，意味着流体带走的热量较少
图8 不同流体热量传递能力的图示
我们可以通过牛顿冷却定律计算热对流率
Q̇conv = hconv As (Ts -T∞)
- Q̇conv = 热对流率 (kJ/s)
- hconv = 对流系数
- As = 对流表面积 (m2)
- Ts = 表面温度 (K)
- T∞ = 流体温度 (K)
图9 热对流计算图示
从这个例子我们可以看出，热对流量取决于以下因素：
- hconv 热对流系数
- As 表面积
- T∞ 流体温度
- 热辐射（Radiation）
热辐射是以电磁波形式释放能量的过程，不需要介质，可以在真空中传播。
例如：
- 太阳通过真空的太空向地球辐射热量
温度高于0开尔文（K）的所有物体都会发射和吸收热辐射。我们可以通过斯特凡-玻尔兹曼定律计算热辐射量
Q̇rad = εσAs T4s
- Q̇rad = 辐射率
- ε = 辐射系数
- σ = 辐射表面积 (m2)
- As = 辐射表面积
- Ts = 表面温度 (K)
通常，热辐射系数小于 1。而热辐射系数等于 1 的物体，我们称之为“黑体 (Blackbody)”，它是热辐射系数最大的物体。
热辐射是以电磁波形式释放能量的过程，不需要介质，可以在真空中传播。
例如：
- 太阳通过真空的太空向地球辐射热量
温度高于0开尔文（K）的所有物体都会发射和吸收热辐射。我们可以通过斯特凡-玻尔兹曼定律计算热辐射量
Q̇rad = εσAs T4s
- Q̇rad = 辐射率
- ε = 辐射系数
- σ = 辐射表面积 (m2)
- As = 辐射表面积
- Ts = 表面温度 (K)
通常，热辐射系数小于 1。而热辐射系数等于 1 的物体，我们称之为“黑体 (Blackbody)”，它是热辐射系数最大的物体。
总结
热传递（Heat Transfer）是热量从高温区域向低温区域传递的过程，可通过以下三种方式实现：
- 热传导
- 热对流
- 热辐射
其中热传导和热对流需要介质来传递热量，而热辐射不需要介质。
在实际分析热量数据时，不能仅使用单一方式，因为实际的热传递同时包含这三种形式，且是三维的（所有方向），这是非常具有挑战性的。
但掌握正确的基础知识可以帮助我们进行合理的分析和预测，这是非常有价值的。
来源：《热质传递基础与应用》第五版
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