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导热系数的前世今生

放大字体  缩小字体    发布日期:2018-01-10  来源:保温材料与节能技术  作者:南玻院信息中心  浏览次数:3632
核心提示:其实这些现象都离不开一个重要的物理量——导热系数。那么什么是导热系数呢?它的研究经历了哪些阶段?上面提到的现象到底该如何解释?不要急,我们先从导热系数的研究史说起——导热系数的研究历史。

生活中我们是否经常会有这样的疑问,例如,冬天的棉被经过拍打之后为什么感觉特别暖和?为什么要及时清除冰箱内的结霜,否则耗电量会增加?住新房为什么感觉比住旧房更冷?


其实这些现象都离不开一个重要的物理量——导热系数。那么什么是导热系数呢?它的研究经历了哪些阶段?上面提到的现象到底该如何解释?不要急,我们先从导热系数的研究史说起——导热系数的研究历史。


说起对导热系数的研究,那要追溯到18世纪30年代。英国工业革命催生了“传热学”的兴起。


我们都知道,热量传递有三种方式——传导、对流、热辐射。这三种传热方式的基本理论的确立,都经历了一个特别的过程。为了方便大家理解,就来扒一扒它们的研究史吧!

一、导热研究


18世纪至19世纪初,英国化学家布莱克提出“热素说”,认为热是一种没有质量,没有体积的流体物质,热素可以进入一切物体内部,物体含有热素越多,温度就越高,反之则越低。这显然是一种错误的解释,因为它不能解释摩擦生热的现象。

1798年,伦福特钻炮筒大量发热试验和1799年的戴维用两块冰摩擦生热转化为水的实验,推翻了这一假说,确立了热源来源于物体本身内部的运动。

1804年,毕渥根据实验提出了每单位时间通过每单位面积的导热热量正比于两侧表面温差,反比于壁厚,比例系数是材料的物理性质。

1822年,傅里叶发表《热的解析理论》,正确概括了导热的实验结果,被称为“傅里叶定律”,公式如下:

其中为单位时间内传导的热量,为材料的导热系数,A为热量通过的截面积,为垂直于截面上的温度变化率。

他推导的导热微分方程是导热问题正确的数学描写,成为求解大多数工程导热问题的出发点。因此,傅里叶被公认为导热理论的奠基人。

传导过程的特点是物体各部分之间不发生相对位移,依靠分子,原子及自由电子的热运动传递能量。固体,液体,气体都会发生热传导。

举个简单的例子,对于导电的固体(如金属)来说,自由电子的运动在导热过程中起着主要的作用。

二、对流传热


1823年,维纳提出流动方程可以适用于不可压缩的流体,该方程1845年经斯托克斯完善,建立了流体流动的基本方程。

1880年,雷诺提出一个无量纲的物理群(雷诺数)概念,1880-1883年间,雷诺进行了大量实验,发现管内流动层流向湍流的转变发生在雷诺数1800~2000之间,该发现对指导实验研究具有重要意义。

1904年,普朗特提出边界层的概念。

1909年和1915年,努赛尔发表两篇论文对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析,获得了有关无量纲数之间的原则关系。

1921年,波尔豪森在流动边界层概念的启发下又进行了热边界层的研究。1930年,他与施密特与贝克曼合作,成功求解了竖壁附近空气的自然对流传热。

单纯的流体的对流传热过程与传导过程不同,它是物体各部分之间发生了相对位移,如热对流,热的气体向上扩散,冷的气体向下沉积,达到传热的效果。

三、辐射传热


1889年,卢默等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。

19世纪末,斯特潘和玻尔兹曼建立了著名的斯特潘——玻尔兹曼定律,即黑体辐射力与绝对温度的四次方成正比的规律。

1900年,普朗克提出了“能量子”假说,即认为能量并不是连续的,而是一份一份的传播。

热辐射过程的特点是,它是自然界各种物质通过电磁波的形式传递热量的一种方式,这种方式与传导和对流不同的特点是不需要介质,真空条件也可以进行热辐射,其热辐射的能力取决于物体的温度。


导热系数与我们生活的密切联系


唠完了导热系数的研究历史,相信大家对它有了一个初步的了解,接下来我们就要进入今天的重头戏了——开篇提到的几个生活现象,到底跟导热系数有着怎样的关系呢?想知道的小伙伴们,跟着一起往下看吧!


问题1:冬天,棉被经过晒后拍打,为什么觉得特别暖和?


对这个问题的解释,首先很自然的想到太阳晒过后,棉被变暖和,是因为太阳光(电磁波)的辐射传热。可是,如果是在冬天的早上,没有阳光或者阳光不强的时候,为什么通过拍打棉被也可以使得棉被变暖和呢?


原来,经过拍打之后的棉被,大量的空气进入棉絮空间,使得棉被变的蓬松,而空气的导热系数要远远低于棉絮的导热系数,这样使得棉被整体的导热系数比拍打前降低很多。导热系数越低,保温效果就越好,因此,拍打棉被可以提高棉被的保温效果,所以即使在阳光不充足的情况下,棉被也会变得更加保暖。


问题2:为什么要及时清除冰箱里的结霜,否则耗电量会增加?


对这个问题的解释,主要应考虑“结霜前”与“结霜后”冰箱发生的变化。冰箱的制冷主要是通过液态的制冷剂流减压后汽化吸热,在蒸发器中通过蒸发器的管壁传递热量至热的空气,使得冷藏室或冷冻室的热空气温度降低,这里面存在蒸发器的管壁和热空气的换热过程。如果冰箱冷藏室或冷冻室的壁面温度很低时,热空气会遇冷凝华,直接从气态变成固态,即“结霜”,所产生的“霜”在蒸发器和热空气之间形成了一个热阻,因此,要使得冷藏室或冷冻室达到相同的温度,必须使得空气压缩机的功率提高,这样才能获得温度更低的制冷液,以及制冷液的汽化吸热量。因此,当冰箱结霜时,如不及时清除结霜,耗电量会增加。


问题3:住新房和住旧房的感觉是否一样?


我们是否会有这样的感受,刚刚盖好的新房,装修入住时会感觉很冷,而住老房子反而会感觉暖和点?其实,这里也蕴含着导热的知识。新房和旧房的差别主要体现在建筑材料的含水上。新房由于刚刚建好,其混凝土,还有各种涂料都含有较多的水分,这些水分填充在砖瓦的孔隙中,使得墙壁整体的含水量较高。而住的老旧的房子,这些水分都得到充分的挥发。由于水的导热系数(0.6W/(m•K))远大于空气(0.026W/(m•K)),所以使得含水墙壁的导热系数(1.0W/(m•K))大于干燥墙壁的导热系数(0.35W/(m•K))。


问题4:在寒冷的北方地区,建房砖采用实心砖还是空心砖好?


这个问题的解释与问题1类似,主要问题在于空心砖中含有大量的空气,而空气的导热系数远小于砖本身的导热系数,而导热系数越小,墙体的保温效果就越好。因此,采用空心砖更能起到保温的作用。其实,在建筑设计方面,建筑保温是一项重要的考虑因素。除了砖以外,其它的例如地面保温、室内墙体保温、屋顶、外墙保温,应用非常广泛。地板下铺的挤塑板,外墙中的岩棉,这些都是重要的建筑保温材料,这些材料往往具有多孔结构,有些材料的孔隙率甚至超过99%,其目的也是利用空气的导热系数远低于固体,达到保温隔热的效果。

 
 
 
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