第1章 热工参数测量及其仪表.ppt

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1、第一篇第一篇 热工参数测量基础热工参数测量基础及其测量仪表及其测量仪表n第第1章章 温度参数测量仪表温度参数测量仪表n第第2章章 流量参数测量仪表流量参数测量仪表n第第3章章 压力参数测量仪表压力参数测量仪表n第第4章章 液位参数测量仪表液位参数测量仪表第第1章章 温度测量温度测量n1.1 概述概述n1.2 温度测量的物理基础温度测量的物理基础 1.1 概述概述 温度是国际单位制中温度是国际单位制中7个基本物理量之一，是各种个基本物理量之一，是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控工参数之一

2、。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，在流量、压力、长度等制等都直接与温度参数有关，在流量、压力、长度等物理量的测量中，温度也是一个十分重要的影响量，物理量的测量中，温度也是一个十分重要的影响量，因此，实现准确的温度测量，具有十分重要的意义。因此，实现准确的温度测量，具有十分重要的意义。1.1.1 温度和温标温度和温标 1.1.1.1 温度的基本概念温度的基本概念 温温度度是是物物质质的的状状态态函函数数，是是表表征征物物体体冷冷热热程程度度的的物物理量。理量。温度的温度的宏观概念宏观概念是建立在热平衡基础上的。任意是建立在热平衡基础上的。任意两个温度不同的物体，只要有

3、温度差存在，热量就会两个温度不同的物体，只要有温度差存在，热量就会从高温物体向低温物体传递，直到两物体温度相等，从高温物体向低温物体传递，直到两物体温度相等，即达到热平衡为止。即达到热平衡为止。在在微观状态微观状态，温度是对分子平均动能大小的一种，温度是对分子平均动能大小的一种度量，其高低标志着组成物体的大量分子无规则运动度量，其高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度。温度是大量分子热运动的共同表现，含的剧烈程度。温度是大量分子热运动的共同表现，含有统计意义。对于单个分子，温度是无意义的。显然，有统计意义。对于单个分子，温度是无意义的。显然，物体的物理化学特性与温度密切相关。物体的物

4、理化学特性与温度密切相关。1.1.1.2 温度的测量温度的测量 A、测温依据和数学物理基础测温依据和数学物理基础测温的依据：测温的依据：当两个物体同处于一个系统中而达到热当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，二者就具有相同的温度。因此可以从一个物平衡时，二者就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度得知另一物体的温度。体的温度得知另一物体的温度。设计与制作温度计的数学物理基础：设计与制作温度计的数学物理基础：如果事先已知一如果事先已知一个物体（或物质）的某些性质或状态随温度变化的定个物体（或物质）的某些性质或状态随温度变化的定量关系，就可以通过该物体的性质或状态的变化情况量关系，就可以通过

5、该物体的性质或状态的变化情况来获知温度。来获知温度。由此可知：设计或制作任何一种测温计必须选定一物由此可知：设计或制作任何一种测温计必须选定一物质作为测温媒介。质作为测温媒介。B、测温物质测温物质 自自然然界界中中的的许许多多物物质质，其其性性质质或或状状态态(如如电电阻阻、热热电电势势、体体积积、长长度度、辐辐射射功功率率等等)都都与与温温度度有有关关，但但并并不不是是所所有有的的物物质质都都可可作作为为感感温温元元件件，测测温温物物质质的的选选择择必必须满足以下条件：须满足以下条件：(1)物物质质的的某某一一属属性性G仅仅与与温温度度T有有关关，即即C=G(T)，其其函函数数关关系系必必须

6、须是是单单调调的，且最好的，且最好 是线性的。是线性的。(2)随随温温度度变变化化的的属属性性应应是是容容易易测测量量的的，且且输输出出信信号号较较强强，以以保保证证仪仪表表的的灵敏度和测量的准确度。灵敏度和测量的准确度。(3)应有较宽的测量范围。应有较宽的测量范围。(4)应有较好的复现性和稳定性。应有较好的复现性和稳定性。完全满足上述条件的物质是难以找到的，一般只能在完全满足上述条件的物质是难以找到的，一般只能在一定的范围内近似满足，因此由不同材料与结构形式一定的范围内近似满足，因此由不同材料与结构形式制成的温度计各有其优缺点。制成的温度计各有其优缺点。1.1.1.3 温标温标仅仅仅仅定定义

7、义了了温温度度的的概概念念是是不不完完全全的的，还还要要确确定定它它的的数数值值表表示示方方法法，温温度度的的数数值值表表示示方方法法叫叫做做温温标标。温温标标是是温温度度数数值值化化（量量化化）的的标标尺尺，它它给给出出了了温温度度数数值值化化的的一一套套规规则则和和方方法法，并并明明确确了了温温度度的的度度量量单单位位。各各种种测测温仪表的分度值就是由温标决定的。温仪表的分度值就是由温标决定的。要建立温标需要三个要素：要建立温标需要三个要素：(1)选选择择测测温温物物质质，确确定定它它随随温温度度变变化化的的属属性性即即测测温温属属性；性；(2)选定温度固定点；选定温度固定点；(3)规定测

8、温属性随温度变化的规律。规定测温属性随温度变化的规律。1.1.1.3 温标温标仅仅仅仅定定义义了了温温度度的的概概念念是是不不完完全全的的，还还要要确确定定它它的的数数值表示方法。值表示方法。温标：温标：温度的数值表示方法叫做温标。温度的数值表示方法叫做温标。温温标标是是温温度度数数值值化化（量量化化）的的标标尺尺，它它给给出出了了温温度度数数值值化化的的一一套套规规则则和和方方法法，并并明明确确了了温温度度的的度度量量单单位位。各种测温仪表的分度值就是由温标决定的。各种测温仪表的分度值就是由温标决定的。要建立温标需要三个要素：要建立温标需要三个要素：(1)选选择择测测温温物物质质，确确定定它

9、它随随温温度度变变化化的的属属性性即即测测温温属属性；性；(2)选定温度固定点；选定温度固定点；(3)规定测温属性随温度变化的规律。规定测温属性随温度变化的规律。A、经验温标经验温标借借助助于于某某一一种种物物质质的的物物理理量量与与温温度度变变化化的的关关系系，用用实实验验方方法法或或经经验验公公式式所所确确定定的的温温标标称称为为经经验验温温标标。它它主主要要指指摄摄氏氏温温标标和和华华氏氏温温标标。这这两两种种温温标标都都是是根根据据液液体体受热后体积膨胀的性质建立起来的。受热后体积膨胀的性质建立起来的。a、摄氏温标摄氏温标(0C)原始摄氏温标就是选择装在玻璃毛细管中的液体作为原始摄氏温

10、标就是选择装在玻璃毛细管中的液体作为测温物质。随温度的变化，毛细管中液体的长短反映测温物质。随温度的变化，毛细管中液体的长短反映了液体体积膨胀这一测温属性。了液体体积膨胀这一测温属性。选择在选择在1.01325l05Pa下水的冰点温度作为下限下水的冰点温度作为下限(00C)，水的沸点作为上限水的沸点作为上限(1000C)，并且认为在两点之间液柱的长短与温度的关并且认为在两点之间液柱的长短与温度的关系是线性的，那么可在系是线性的，那么可在01000C之间均分之间均分100等份，每等份，每一等份为一摄氏度，单位符号为一等份为一摄氏度，单位符号为0C。摄氏温标虽不是摄氏温标虽不是国际统一规定的温标，

11、但我国目前还可继续使用。国际统一规定的温标，但我国目前还可继续使用。b、华氏温标华氏温标(0F)华氏温标的建立与摄氏温标类似，所不同的是规定在华氏温标的建立与摄氏温标类似，所不同的是规定在1.01325105Pa下水的冰点为下水的冰点为320F，水的沸点为水的沸点为2120F，中间划分为中间划分为180等份，每一等份为一华氏度，单位符号等份，每一等份为一华氏度，单位符号为为0F。华氏温标已淘汰，不再使用。华氏温标已淘汰，不再使用。摄摄氏氏温温标标和和华华氏氏温温标标在在测测温温学学的的发发展展中中起起过过重重要要的的作作用，但它们都存在着明显的缺点：用，但它们都存在着明显的缺点：(1)温温度度

12、测测量量依依赖赖于于选选用用的的测测温温物物质质，且且应应用用范范围围受受制制作温度计的材料和工作物质的限制。作温度计的材料和工作物质的限制。(2)温温标标的的定定义义具具有有较较大大的的随随机机性性。虽虽然然它它们们都都选选择择冰冰点点温温度度和和沸沸点点温温度度作作为为固固定定点点，但但基基本本单单位位不不同同，所所确确定定的的温温度度数数值值也也就就不不同同，不不能能严严格格地地保保证证世世界界各各国国所采用的基本测温单位完全一致。所采用的基本测温单位完全一致。(3)假假设设温温度度与与工工作作物物质质的的关关系系为为线线性性，而而实实际际情情况况并并非如此，从而造成中间温度的测量差异。

13、非如此，从而造成中间温度的测量差异。因此需要建立一种温标，完全不依赖于任何测温物质因此需要建立一种温标，完全不依赖于任何测温物质及其属性。及其属性。B、热力学温标热力学温标 热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，单位符号为热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，单位符号为K。热力学温标是以热力学温标是以热力学第二定律热力学第二定律为基础的一种理论为基础的一种理论温标，已被国际计量大会采纳作为国际统一的基本温温标，已被国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。标。它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。其特点是不与某一特定的温度计相联系，且与测温物其特点是

14、不与某一特定的温度计相联系，且与测温物质无关，是由质无关，是由卡诺定理卡诺定理推导出来的，所以热力学温标推导出来的，所以热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。在热力学是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。在热力学中从理论上证明，热力学温标与理想气体温标完全一中从理论上证明，热力学温标与理想气体温标完全一致。所以通常借助于气体温度计经示值修正后来复现致。所以通常借助于气体温度计经示值修正后来复现热力学温标，但设备复杂、价格昂贵，不适于实际应热力学温标，但设备复杂、价格昂贵，不适于实际应用。用。C、国际实用温标国际实用温标 为为了了使使用用方方便便，国国际际上上协协商商确确定定，建建立立

15、一一种种既既使使用用方方便便、容容易易实实现现，又又能能体体现现热热力力学学温温度度(即即具具有有较较高高准准确确度度)的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。国际温标通常应具备以下三个条件：国际温标通常应具备以下三个条件：(1)(1)尽可能以当代科技水平接近热力学温标；尽可能以当代科技水平接近热力学温标；(2)(2)复复现现准准确确度度高高，使使各各国国都都能能够够准准确确地地复复现现同同一一国国际温标，确保温度量值的统一性；际温标，确保温度量值的统一性；(3)(3)用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳

16、定。稳定。根据上述条件建立的国际温标基本内容如下；根据上述条件建立的国际温标基本内容如下；(1)(1)选选择择一一些些纯纯物物质质固固定定点点(可可复复现现的的平平衡衡态态)的的温温度度作为温标基准点；作为温标基准点；(2)(2)规规定定了了不不同同温温度度范范围围内内的的基基准准仪仪器器(或或称称内内插插仪仪器器)，并在温标基准点上分度；，并在温标基准点上分度；(3)(3)确确定定各各固固定定点点温温度度间间的的内内插插公公式式，这这些些公公式式建建立立了了标标准准仪仪器器示示值值与与国国际际温温标标数数值值之之间间的的关关系系，是是反反映映温度计特性曲线的函数。温度计特性曲线的函数。上述基

17、准仪器、温标基准点和内插公式又被称为温标上述基准仪器、温标基准点和内插公式又被称为温标“三要素三要素”。第一个国际温标是第一个国际温标是1927年建立的，记为年建立的，记为ITS-27。此此后大约每隔后大约每隔20年进行一次重大修改，相继有年进行一次重大修改，相继有1948年国年国际温标际温标(ITS-48)、1968年国际温标年国际温标(ITS-68)和和1990年年国际温标国际温标(ITS-90)。目前我国已广泛采用目前我国已广泛采用ITS-90，其其主要内容如下：主要内容如下：(1)定定义义固固定定点点。ITS-90中中定定义义固固定定点点17个个，如如表表1-1所示。表中两个温度的关系

18、式如下所示。表中两个温度的关系式如下 t90=T90-273.15 (1-1)式中：式中：t90摄氏温度，摄氏温度，0C；T90热力学温标，热力学温标，K。序 号温 度物质及状态T90/Kt90/0C135-270.15-268.15氦蒸气压，He(vp)213.8033-259.3647平衡氢三相点，e-H2(tp)3约17约-256.15平衡氢蒸气压，e-H2(vp)4约20.3约-252.85平衡氢蒸气压，e-H2(vp)524.5561-248.5939氖三相点，Ne(tp)654.3584-218.7916氧三相点，O2(tp)783.8058 -189，3442氩三相点，Ar(tp

19、)8234.3156-38.8344汞三相点，Hg(tp)9273.16 0.01水三相点，H2O(tp)10302.9146 29.7646镓熔点，Ca(mp)11429.7485 156.5985铟凝固点，In(fp)12505.078 231.928锡凝固点，Sn(fp)13692.677 419.527锌凝固点，Zn(fp)14933.473 660.323铝疑固点，Al(fp)151234.93 961.78银凝固点，A8(fp)161337.33 1064.18金凝固点，Au(fp)171357.77 1084.62铜凝固点，Cu(fp)表表1.1 ITS-90定义的固定点定义的固

20、定点(2)(2)基基准准仪仪器器。ITS-90ITS-90的的内内插插用用标标准准仪仪器器，是是将将整整个个温温标标分分为为4 4个个温温区区。温温标标的的下下限限为为0.65K0.65K，向向上上到到用用单单色色辐辐射射的的普普朗朗克克辐辐射射定定律律实实际际可可测测得得的的最最高高温温度度，具具体如下：体如下：1 1）3 3HeHe和和4 4HeHe蒸蒸气气压压温温度度计计：0.650.655.0K5.0K，其其中中3 3HeHe蒸蒸气气压压温温度度计计覆覆盖盖0.650.65 3.2K3.2K，4 4HeHe蒸气压温度计覆盖蒸气压温度计覆盖1.251.255.0K5.0K。2)2)3 3

21、HeHe、4 4HeHe定容气体温度计：定容气体温度计：3.03.024.5561K24.5561K。3)3)铂电阻温度计：铂电阻温度计：13.803313.80331234.93K1234.93K。4)4)光学或光电高温计：光学或光电高温计：1234.93K1234.93K。其中：其中：1)1)和和2)2)属低温区；属低温区；3)3)属中温区；属中温区；4)4)属高温区。属高温区。(3)(3)内内插插公公式式。每每种种内内插插标标准准仪仪器器在在n n个个固固定定点点温温度度下下分分度度，以以此此求求得得相相应应温温度度区区内内插插公公式式中中的的常常数数。有有关关详细资料请参阅详细资料请参

22、阅ITS-90ITS-90。1.1.1.4 温标的传递温标的传递 国国际际上上为为了了统统一一温温度度测测量量标标准准，相相应应建建立立自自己己国国家家的的温温度度标标准准作作为为本本国国的的温温度度测测量量的的最最高高依依据据国国家家基基准准。我我国国的的国国家家基基准准建建立立在在中中国国计计量量科科学学研研究究院院。各各地地区区、省省、市市建建立立的的为为次次级级标标准准，须须定定期期由由国国家家基基准检定。准检定。测温仪表按其准确度可分为基准、工作基准、一测温仪表按其准确度可分为基准、工作基准、一等基准、二等基准以及工作用仪表。不管哪一等级的等基准、二等基准以及工作用仪表。不管哪一等级

23、的仪表都得定期到上一级计量部门进行检定，这样才能仪表都得定期到上一级计量部门进行检定，这样才能保证准确可靠。因此对测温仪表进行检定是除了对测保证准确可靠。因此对测温仪表进行检定是除了对测温仪表分度以外的另一重要任务。温仪表分度以外的另一重要任务。1.1.2 温度测量仪表的分类温度测量仪表的分类 温度测量仪表根据工作原理可分为：温度测量仪表根据工作原理可分为：(1)基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度计；基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度计；(2)基于导体或半导体电阻值随温度变化关系的热电阻温度汁；基于导体或半导体电阻值随温度变化关系的热电阻温度汁；(3)基于热电效应的热电偶温度计；基于热电效

24、应的热电偶温度计；(4)基基于于普普朗朗克克定定律律的的辐辐射射温温度度计计，它它又又可可细细分分为为：全全辐辐射射温温度度计计、亮亮度度温度计温度计(光学高温计和光电高温计光学高温计和光电高温计)、比色温度计、比色温度计(双比色、三比色等双比色、三比色等)；(5)基于全反射原理的光纤温度计；基于全反射原理的光纤温度计；(6)其他温度计，如集成温度传感器制成的温度计、晶体管温度计等。其他温度计，如集成温度传感器制成的温度计、晶体管温度计等。各种温度测量仪表的原理、测温范围和特点如各种温度测量仪表的原理、测温范围和特点如表表1-2所示。所示。1.2 温度测量的物理基础温度测量的物理基础 不不同同

25、物物体体之之间间或或同同一一物物体体的的不不同同部部分分之之间间，只只要要存存在在温温度度差差，就就会会发发生生热热能能的的传传递递。即即凡凡是是存存在在温温度度差差的的地地方方，热热能能总总是是自自发发地地从从高高温温物物体体传传向向低低温温物物体体，或者从同一物体的高温部分传向低温部分。或者从同一物体的高温部分传向低温部分。热能传递的现象简称为传热。传热有三种基本方式：热能传递的现象简称为传热。传热有三种基本方式：导热、对流换热和辐射换热。传热学是研究热能传递导热、对流换热和辐射换热。传热学是研究热能传递基本规律的科学，是温度测量的物理基础。基本规律的科学，是温度测量的物理基础。5.2.1

26、 导热换热导热换热5.2.1.1 定义定义 物物体体在在不不发发生生位位移移的的情情况况下下，使使热热能能从从同同一一物物体体中中温温度度较较高高的的部部分分传传递递到到温温度度较较低低的的部部分分，或或者者从从温温度度较较高高的的物物体体传传递递到到与与之之直直接接接接触触的的温温度度较较低低的的另另一一物物体的过程称为导热，或者热传导。体的过程称为导热，或者热传导。从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理有所不同。固体的导热机理有所不同。在气体中，在气体中，导热是气体分子不规则热运动时碰撞的导热是气体分子不规则热运动时碰撞的结果

27、，气体的温度越高，其分子的运动动能就越大。结果，气体的温度越高，其分子的运动动能就越大。通过能量水平较高的分子与能量水平较低的分子之间通过能量水平较高的分子与能量水平较低的分子之间的相互碰撞，热量就由高温处传递到低温处；的相互碰撞，热量就由高温处传递到低温处；金属导体中金属导体中的导热主要靠自由电子来完成；的导热主要靠自由电子来完成；在非导电的固体中，在非导电的固体中，导热是通过原子、分子在其平导热是通过原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。衡位置附近的振动来实现的。1.2.1.1 温度场温度场 物体内部产生导热的起因在于物体内部之间存在温物体内部产生导热的起因在于物体内部之间存在温度差，

28、导热过程中热量的传递与物体内部温度分布状度差，导热过程中热量的传递与物体内部温度分布状况密切相关，因此在研究导热规律之前需先研究温度况密切相关，因此在研究导热规律之前需先研究温度分布。分布。在在某某一一瞬瞬时时，物物体体内内各各点点的的温温度度分分布布称称为为温温度度场场。在在一一般般情情况况下下，温温度度是是空空间间坐坐标标(x，y，z)和和时时间间t的的函函数，即数，即 t=f（x,y,z,t t）(1-2)物体的温度场有两大类：物体的温度场有两大类：一一类类是是随随时时间间而而变变化化的的温温度度场场，称称为为不不稳稳态态温温度度场场，在在这这种种温温度度分分布布下下发发生生的的导导热热

29、现现象象称称为为不不稳稳态态导导热热。例例如如，各各种种热热力力设设备备在在启启动动、停停机机过过程程中中所所经经历历的的热热传递过程属于不稳态过程。传递过程属于不稳态过程。另另一一类类是是不不随随时时间间而而变变化化的的温温度度场场，称称为为稳稳态态温温度度场场，在在这这种种温温度度分分布布下下发发生生的的导导热热现现象象称称为为稳稳态态导导热热。例如，热力设备在持续稳定运行时的热传递过程。例如，热力设备在持续稳定运行时的热传递过程。一维热传递过程：物体温度仅沿一个方向变化的一一维热传递过程：物体温度仅沿一个方向变化的一维稳态温度场可表示为：维稳态温度场可表示为：t=f(z)。工业生产中的许

30、多工业生产中的许多情况都可以近似看作是一维热传递过程。情况都可以近似看作是一维热传递过程。1.2.1.3 导热基本定律导热基本定律 法国数学家傅里叶在研究固体导热现象时提出：单位时间内传递的热量与温度梯度 及垂直于导热方向的截面积A成正比，即 (1-3)式中 热流量，W；热导率，或称导热系数，W(mK)；A垂直于导热方向的截面积，m2；温度梯度，即法向单位距离温度的改变量，Km。公公式式中中的的负负号号表表示示热热流流方方向向与与温温度度梯梯度度方方向向相相反反，前前者者是是沿沿着着温温度度下下降降的的方方向向，而而后后者者是是沿沿着着温温度度上上升升的方向。的方向。单单位位时时间间内内通通过

31、过单单位位面面积积所所传传递递的的热热量量，称称为为面面积积热流量热流量(或热流密度或热流密度)，用，用q表示，则表示，则 (1-4)式中式中 q热流密度，热流密度，Wm2。1.2.1.4 热阻及其表示热阻及其表示 对对于于无无限限大大单单层层平平壁壁的的稳稳态态导导热热，因因为为平平壁壁的的长长度度、宽宽度度远远大大于于其其厚厚度度，边边缘缘的的影影响响可可以以忽忽略略不不计计，导导热热仅沿厚度方向进行，可看做是一维稳态导热，则有仅沿厚度方向进行，可看做是一维稳态导热，则有 (1-5)式中式中 t平壁两侧的温差，平壁两侧的温差，0C；壁厚，壁厚，m。可以把式可以把式(5-5)写成下面的形式写

32、成下面的形式 (1-6)式(1-6)与电工学上的欧姆定律的表达相类似，可进行热电模拟分析，即热流密度q相当于电流，温差t相当于电压，而 相当于电阻，则有如下关于热阻的定义 (1-7)式中 r平壁的单位面积热阻，m2KW。(1-8)式中 R平壁的全面积热阻，KW。可见，热阻用于表示材料层阻止导热的能力。热流量(或热流密度)的大小与平壁两侧的温差t成正比，与热阻成反比。1.2.1.5 导热微分方程式导热微分方程式 根据能量守恒定律可推导出直角坐标系不稳定导热微分方程式如下 式中 时间，s；物质的密度，kgm3；c 物质的比热容，J(kg0C)；导温系数，或称热扩散系数，m2s。(1-9)导温系数是

33、物质热物性参数之一，其值大小表示物体中任意点上温度随时间变化的快慢。对于稳定导热，温度不随时间而变，则导热微分方程式变为 对于一维平壁稳定导热，有 (1-11)(1-10)1.1.1.6 热导率热导率 热导率是物质的一种物理参数，它说明物质的导热能力，定义为1m厚的物体，两侧面间的温差为l0C时，单位时间内通过单位面积的热流量。不同物质其热导率不同，即使是同种物质，热导率还与物质的结构、密度成分、温度和湿度有关。热导率的大小一般按金属、非金属、液体及气体的次序排列。导电性能良好的金属中存在较多的自由电子，因此导电性能好的金属导热性也好。纯金属的热导率大于合金，且合金中杂质含量越多，值就越小，因

34、为杂质影响自由电子的能量传递。工程上常把热导率小于0.23W(mK)的材料称为绝热材料，如石棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等。由于空气的热导率比绝热材料的小，所以良好的绝热材料一般都是孔隙多、密度小的轻质材料。湿度对绝热材料的值影响很大，由于孔隙多，很容易吸收水分。水的热导率比空气大2030倍，更重要的是在导热过程中，随着热量传递、水分会迁移，因此湿材料的热导率比纯水的还要大。如干砖的热导率为0.35W(mK)，水的热导率为0.51W(mK)，而湿砖的热导率却高达1.0W(mK)。所以对建筑物的围护结构，特别是冷、热设备的绝热层，应采取适当的防潮措施。有些材料因结构与方向有关，所以在不同方向上热导率

35、不同。例如木材顺木纹方向的热导率是垂直方向的24倍，所以查用这类材料的热导率时必须注意热流方向对热导率的影响。导导热热过过程程中中，由由于于温温度度沿沿途途发发生生变变化化，物物质质内内不不同同部部位位的的温温度度各各不不相相同同，因因此此热热导导率率也也不不相相同同。在在工工程程实实际际应应用用中中，为为了了便便于于研研究究问问题题，可可引引入入平平均均热热导导率率的的概概念念，或或当当温温度度变变化化范范围围不不大大时时，将将热热导导率率与与温温度度的的关关系系近近似似地地认认为是直线关系，即为是直线关系，即 (1-12)式中 温度为时的热导率，W(mK)；0温度为Ot时的热导率，W(mK

36、)；由实验测定的温度系数，W(m，K2)。对热导率随温度升高而增大的物质，温度系数为正值，如气体、建筑材料和绝热材料；对热导率随温度降低而减小的物质，为负值，如金属和除了水及甘油之外的绝大多数液体。1.2.2 对流换热对流换热1.2.2.1 定义及分类定义及分类 流体各部分之间发生相对位移，把热量从一处带到另一处的现象，称为对流。工程上，常把具有相对位移的流体与所接触的固体壁面之间的热传递过程称为对流换热过程，它是对流和导热两种方式联合作用的结果。按照引起流动的原因，对流换热可分为自然对流与强制对流两大类。自然对流是由于流体冷热不均，致使各部分的密度不同而引起的，例如空气加热器的表面附近空气受

37、热向上流动就是这种情况。如果流体的运动是由于水泵、风机或其他的压差作用所造成的，则称为强制对流。例如一些冷却设备中管内冷却水的流动就属于强制对流。另外工程上常常遇到液体在热表面的沸腾或蒸汽在冷表面的凝结也属于对流换热的范围，分别称为沸腾换热和凝结换热。1.2.2.2 对流换热计算公式对流换热计算公式 对流换热过程的热量传递是靠两种作用完成的，一方面是流体与壁面直接接触的层流底层的导热及流体之间的导热作用；另一方面还包括流体内部的对流传递作用。显然，一切支配这两种作用的因素和规律，如流动状态、流速、流体物理性质、壁面几何参数等都会影响换热过程，所以对流换热过程远比导热要复杂得多。但是无论哪一种形

38、式的对流换热，热流量均按牛顿冷却公式进行计算如下：(113)式中 热流量，W；对流换热系数，W(m2K)；A与流体接触的壁面面积，m2；tW壁面的温度，0C；tf流体温度，0C。式(113)适用于tW tf，的情况，相应地，热流密度可表示为 (114)当tW 4m的热辐射就无法透过。对于大多数固体和液体，它们的透过率=0，则有 (1-19)因此，这类物体的吸收能力越强，它们的反射能力越弱，反之亦然。实际上自然界中并不存在绝对黑体、镜体、白体或透明体，它们只是实际物体热辐射性能的极限情况。实际物体的吸收率、反射率和透过率主要取决于物体本身的性质、物体的表面状况、入射波长和物体所处的温度等因素。1

39、.2.3.2 热辐射度量热辐射度量 热辐射度量是指直接表示物体热辐射的各种物理量。对辐射测温仪表而言，探测器接收到的能量不仅与辐射源的表面状况、波长有关，还与热辐射传播的方向、空间和时间相关。故引进以下4个最基本的度量量。A、辐射能辐射能Q 由辐射源发出的全部辐射光谱的总能量称为该辐射源的辐射能。该物理量不受时间、空间(或方向)、辐射源的表面积以及波长间隔的影响。辐射能的符号为Q，单位是J(焦耳)。对热辐射而言，辐射能的光谱包括紫外线、可见光和红外线。B、辐射通量辐射通量 在单位时间内通过某一面积的辐射能量，称为经过该面积的辐射通量；而辐射源在单位时间内发出的辐射能量叫做该辐射源的辐射通量。辐

40、射通量又称辐射功率，其单位与功率单位相同。可见，辐射通量是辐射能量随时间的变化率，即 (120)式中 辐射通量，W；Q辐射能量，J;t时间，C、辐射出度辐射出度M和辐射照度和辐射照度E a、辐射出度辐射出度 一个具有一定表面积的辐射源，如其表面上的某一面积A在各个方向上的总辐射通量为中，则该辐射表面积A的辐射出度为 (121)式中 M辐射出度，Wm2；A辐射源的辐射面积，m2。从式(1-21)可见，辐射源的辐射出度，有的书（*注）又将其称为(半球)辐射力，在数值上等于辐射源单位表面积所发出的辐射通量。由于辐射源表面各处的辐射出度通常是不相同的，所以常取辐射源某一面积元的辐射出度来研究辐射源某点

41、的辐射出度，即 (122)式中 d辐射源某一面积元所发射的辐射通量，w；dA辐射源某一面积元的面积，m2。（*注）由于辐射换热与光学、光谱学、电磁学有较多的交叉，因此热辐射的术语比较混乱。这里按国家标准光及有关电磁辐射的量和单位给出，并适当提及相关称谓。可见，辐射源某一面积元的辐射出度是指单位时间内从单位面积向半球空间各方向发射的全部波长的总辐射能。辐射出度与物体温度及其性质有关，它包含波长从0所有波长的总辐射能。b、单色辐射出度材单色辐射出度材M在某一波长附近取一单位波长间隔(包含此波长)：+d，则在此单位波长间隔内的辐射出度为光谱辐射出度，或称为单色辐射出度，有的书又将其称为单色(光谱)辐

42、射力。它表示单位时间内从单位面积上，在波长+d间隔内，向半球空间发射的辐射能，即 (123)式中 M单色辐射出度，W/m3；A波长，m。显然，辐射出度和单色辐射出度存在如下关系：(124)c、辐射照度辐射照度E与辐射出度相对应的物理量是辐射照度，它是指外界辐射源投射到接收物体单位面积上的辐射通量，即 (125)式中 E辐射照度，Wm2；d接收物体某一面积元所接收到的辐射通 量，w；dA接收物体某一面积元的面积，m2。注意：尽管辐射出度M和辐射照度E二者表达式相同，但二者的物理意义不同。辐射出度是描述离开辐射源表面的辐射通量，它包括了该辐射源向整个半球空间辐射的通量；辐射照度是指外界入射到接收面

43、上的辐射通量，它可以包括一个或几个辐射源投射来的辐射通量，与被照面的位置、辐射源的特性和被照面与辐射源的相对位置有关。一个能反射或散射到其他物体的辐射体，其辐射出度取决于辐射照度，且存在如下关系 (126)式中，k为物体表面的反射或散射系数，无量纲，取值通常小于1。对于具有不同散射或反射系数的物体来说，同一辐射照度的条件下，它们的辐射出度也各不相同。D、辐辐射射亮亮度度上上和和单单色色辐射亮度辐射亮度L 前面讨论的各个概念都是向整个空间的辐射，而投有指明各个方向上的能量分布。为了描述辐射能在空间不同方向上的分布规律，引入辐射亮度的概念。如图1-2所示，有一辐射源的面积元dA，从dA发出的辐射能

44、向该表面的上方所有方向传播出去。如以dA为中心作一半径为r的半球，则从dA发射到各个方向的辐射能必定经过该半球表面。要比较某面积元在空间某些方向上单位时间发射出的辐射能的强弱，只有在相同立体角范围内比较才有意义。a、立体角立体角 立体角是以球面中心为顶点的圆锥体所张的球面角，等于圆锥体在球面上所截面积除以半径的平方，即 (127)式中 立体角，sr；A球面上所截面积，m2；r球的半径，m。对半球空间，。同理，对应球面积元的立体角d为 式中 球面积元的面积，m2。(128)如图1-2所示，球面积元可近似为平面矩形来考虑，其两个边长分别为：rd和rsind，则球面积元的面积为：，对应的立体角为 (

45、129)式中 球面积元 与面积元dA法线方向的夹角；球面积元 在水平面投影与x轴的夹角。从图1-2可见，辐射方向不同，不同，从该方向所看到的同一辐射源面积元dA的有效辐射面积也不同。越大，所看到的有效面积越小，它等于面积元dA在辐射方向上的投影，即dAcos。在某个方向上的单位有效面积和单位立体角内发出的辐射通量称为辐射亮度，即 (130)式中 L(，)与辐射源面积元dA的法线成角口方向上的辐射亮度，W(m2sr)；d2辐射源面积元dA在与其法线成角方向上，在立体角d 内发射的辐射通量，W；d辐射源面积元dA的立体角，sr。c、朗伯特定律朗伯特定律 在半球空间，各个方向上的辐射亮度都相等，即

46、(131)这种辐射亮度与方向无关的规律称为朗伯特定律。符合此定律的物体称为朗伯特辐射体，黑体是完全符合朗伯特定律的辐射体。式(1-30)还可写成 (132)上式表明，黑体单位面积，单位立体角内向空间不同方向发射的辐射能并不相等，而是与该方向和法线的夹角的余弦成正比。因此朗伯特定律又被称为余弦定律。假设图1-2所示的物体为朗伯特辐射体，其面积元dA上的亮度为L，则该面积元的辐射出度为 (133)由式(1-33)可知，服从朗伯特定律的辐射体，其辐射出度和辐射亮度之间的关系，可根据式(1-29)和式(1-33)在半球范围内(=2)的积分求得 可见，对朗伯特物体，其辐射出度在数值上等于任何方向上的辐射

47、亮度的倍。(134)d、单色辐射亮度单色辐射亮度L 与单色辐射出度的概念类似，在某一波长附近取一单位波长间隔(包含此波长)：+d，则在此单位波长间隔内的辐射亮度为光谱辐射亮度，或称为单色辐射亮度L。它表示辐射物体在某一特定方向上，在波长+d间隔内，单位时间内从单位有效面积上，向单位立体角内发射的辐射能，即 (135)式中 L单色辐射亮度，W(m3sr)。在热辐射测温领域内，单色辐射亮度是一个最基本的辐射量，是亮度温度计所测得的物理量。显然，辐射亮度和单色辐射亮度存在如下关系 (136)在1到2的有限波长范围内，其辐射亮度为 (137)1.2.3.3 辐射测温的基本定律辐射测温的基本定律 辐射测

48、温的基本定律均是对黑体辐射的定量描述，故又称为黑体辐射定律。它们主要包括普朗克(Planck)定律、维恩(Wein)位移定律和斯忒藩-玻耳兹曼(stefan-Boltzmann)定律，下面分别予以介绍。A、普朗克定律及其推论普朗克定律及其推论 a、普朗克定律普朗克定律 1990年，普朗克根据量子统计理论导出了黑体在不同温度下单色辐射出度Mb随波长和温度T的变化规律，即所谓普朗克定律，其公式如下 (138)式中 Mb（，T）黑体的单色辐射出度，Wm3；辐射波长，m；T黑体的热力学温度，K；c1普朗克第一辐射常数，cl=3.741810-16 Wm2；c2普朗克第二辐射常数，c2=1.438810

49、-2 mK。式(1-38)是普朗克定律的一般表达式，它准确地描述了黑体的单色辐射出度与波长和热力学温度T的关系，是黑体辐射的理论基础。严格地说，式(1-38)涉及到的波长应该是指真空中的波长。把它用于空气环境中的测量，须受空气折射率的影响。如考虑空气折射率，则普朗克定律的准确形式就变为 (1-39)式中 n n空气的折射率，等于1.00291.0029。除非在非常高准确度的测量中，一般仍采用式(1-38)所表示的较为简单的函数形式。普朗克定律还可用单色辐射亮度表示，即 (140)式中 Lb（，T）黑体的单色辐射亮度，W(m3sr)。普朗克定律在不同温度下按波长分布的曲线示于图1-3中。从中可见

50、：(1)黑体发射的光谱是连续的。(2)所有波长下的单色辐射出度肘Mb（，T）都随温度升高而增大。曲线下的面积表示辐射出度。温度升高，辐射出度迅速增大，且短波区增大的速度比长波区的大。(3)在同一温度下黑体单色辐射出度Mb（，T）随波长变化很大：当=0时，Mb（，T）=0；接着Mb（，T）随波长的增加而增加，当波长增加至某一数值m时，单色辐射出度Mb（，T）达到最大值Mbm（，T）；过了最大值以后，Mb（，T）又随波长的增大而减小，直至当时，Mb（，T）又重新变为零。(4)一定温度下，黑体单色辐射出度随波长的变化有峰值，记为M Mbmbm（，T T）。对应的波 长叫峰值波长m m。温度升高时，m