傳熱方式：傳導、對流和輻射

傳熱

傳熱定義為熱能從一個區域傳遞到另一個區域，這是由於溫度梯度造成的。在實際應用中，熱量總是從高溫區域傳遞到低溫區域。

傳熱方式

熱能從一個區域傳遞到另一個區域，可以透過以下三種方式進行：

• 傳導

• 對流

• 輻射

在大多數實際情況下，傳熱是這三種傳熱方式組合的結果。

傳導

當熱量在物質內部從一部分傳遞到另一部分，而物質分子本身沒有發生移動時，稱為傳導傳熱方式。

在這種方式中，傳熱速率，即熱量沿物質傳導的速率，取決於溫度梯度。

在數學上，對於一個平行面為立方體的物體，

$$\mathrm{\mathrm{厚度\:=}\:\mathit{t}\:\mathrm{米}}$$

$$\mathrm{\mathrm{橫截面積}\:=\:\mathit{A}\:\mathrm{平方米}}$$

$$\mathrm{\mathrm{兩個表面的溫度}\:=\:\mathit{T_{\mathrm{1}}}_{}^{\circ }\textrm{C}\:\mathrm{和}\:\mathit{T_{\mathrm{2}}}_{}^{\circ }\textrm{C}}$$

$$\mathrm{\mathrm{傳熱時間}\:=\:\mathit{T}\:\mathrm{小時}}$$

那麼，透過該立方體傳遞的熱量為：

$$\mathrm{\mathit{H}\:=\:\frac{\mathit{kA}}{\mathit{t}}\mathrm{\left( \mathit{T_{\mathrm{1}}-\mathit{T_{\mathrm{2}}}} \right )}\mathit{T}}$$

其中，H 以兆焦耳 (MJ) 為單位，k 為物質的熱導率係數，其單位為 $\mathrm{MJ/立方米/_{}^{\circ }\textrm{C}/小時}$。

傳導傳熱的例子包括耐火材料加熱、絕緣材料加熱等。

對流

當熱量由於物質或流體分子本身的實際運動而從物質或流體的一部分傳遞到另一部分時，稱為對流傳熱方式。在這種方法中，傳熱速率主要取決於不同溫度下流體密度的差異。

從浸入式電熱水器到水的熱能傳遞是對流傳熱方式的一個例子。水從加熱器吸收的熱量部分取決於加熱元件的溫度，部分取決於加熱器的位置。

在數學上，對流傳熱中的散熱量由以下表達式給出：

$$\mathrm{\mathit{H}\:=\:\mathit{a}\times \mathrm{\left ( \mathit{T_{\mathrm{1}}}-\mathit{T_{\mathrm{2}}} \right )^{\mathit{b}}}\:\mathrm{瓦特/平方米}}$$

其中，

• 'a' 和 'b' 是常數，其值取決於加熱表面。

• $\mathit{T_{\mathrm{1}}}$ 和 $\mathit{T_{\mathrm{2}}}$ 分別是加熱元件和流體/物質的溫度，單位為 °C。

輻射

當熱量從熱源傳遞到待加熱的物質，而它們之間沒有直接接觸時，稱為輻射傳熱方式。輻射傳熱取決於表面。太陽能熱水器中的熱量傳遞是輻射傳熱方式的一個例子。

在數學上，輻射散熱速率由 **斯蒂芬-玻爾茲曼定律** 給出，即

$$\mathrm{\mathit{H}\:=\:\mathrm{\left ( 5.72\:\times \:10^{\mathrm{4}} \right )}\:\times \:\mathit{ke}\mathrm{\left [ \mathrm{\left (\frac{\mathit{T_{\mathrm{1}}}}{1000}\right )^{\mathrm{4}}} -\mathrm{\left ( \frac{\mathit{T_{\mathrm{2}}}}{1000} \right )^{\mathrm{4}}}\right ]}\:\mathrm{瓦特/平方米}}$$

其中，

• σ = (5.72× 10⁴) 是斯蒂芬-玻爾茲曼常數

• 'e' 是發射率（對於理想輻射體，其值為 1）

• $\mathit{T_{\mathrm{1}}}$ 是熱源的溫度，單位為開爾文

• $\mathit{T_{\mathrm{2}}}$ 是待加熱物質的溫度，單位為開爾文

• 'k' 是輻射係數（對於單一元素，其值為 1；對於黑體，其值為 0.5-0.8；對於電阻加熱元件，其值為 0.9）。

此外，從輻射加熱的表示式可以看出，輻射熱量與溫度的四次方之差成正比。因此，輻射加熱在高溫下非常有效。

Manish Kumar Saini

更新於： 2022年2月23日

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