第二章 导热微分方程式PPT讲稿.ppt
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1、第二章 导热微分方程式第1页,共27页,编辑于2022年,星期二2-1 温度场和温度梯度温度场和温度梯度一、温度场(Temperature field)各时刻物体中各点温度分布的总称各时刻物体中各点温度分布的总称各时刻物体中各点温度分布的总称各时刻物体中各点温度分布的总称 温度场是温度场是温度场是温度场是时间时间时间时间和和和和空间空间空间空间的函数的函数的函数的函数t t t t为温度为温度为温度为温度;x,y,zx,y,zx,y,zx,y,z为空间坐标为空间坐标为空间坐标为空间坐标;-时间坐标时间坐标时间坐标时间坐标 稳态温度场稳态温度场稳态温度场稳态温度场 非稳态温度场非稳态温度场非稳态
2、温度场非稳态温度场非稳态导热非稳态导热非稳态导热非稳态导热 一维温度场:一维温度场:一维温度场:一维温度场:二维温度场:二维温度场:二维温度场:二维温度场:三维温度场:三维温度场:三维温度场:三维温度场:一维稳态温度场一维稳态温度场一维稳态温度场一维稳态温度场:稳态导热稳态导热稳态导热稳态导热第2页,共27页,编辑于2022年,星期二二、等温面与等温线二、等温面与等温线(1)(1)(1)(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交温度不同的等温面或等温线彼此不能相交 等温面:等温面:等温面:等温面:同一时刻、温度场中所有同一
3、时刻、温度场中所有同一时刻、温度场中所有同一时刻、温度场中所有 温度相同的点连接起来所构成的面温度相同的点连接起来所构成的面温度相同的点连接起来所构成的面温度相同的点连接起来所构成的面 等温线:等温线:等温线:等温线:用一个平面与各等温面相用一个平面与各等温面相用一个平面与各等温面相用一个平面与各等温面相 交,在该平面上得到一个等温线簇交,在该平面上得到一个等温线簇交,在该平面上得到一个等温线簇交,在该平面上得到一个等温线簇 等温面与等温线的特点等温面与等温线的特点等温面与等温线的特点等温面与等温线的特点(2)(2)(2)(2)在连续的温度场中,等温面或等温线不会中断,在连续的温度场中,等温面
4、或等温线不会中断,在连续的温度场中,等温面或等温线不会中断,在连续的温度场中,等温面或等温线不会中断,它们要么封闭它们要么封闭它们要么封闭它们要么封闭,要么终止于物体表面上要么终止于物体表面上要么终止于物体表面上要么终止于物体表面上(3)(3)(3)(3)等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流 密度的相对大小密度的相对大小密度的相对大小密度的相对大小(4)(4)(4)(4)等温面一般都不彼此平行等温面一般都不彼此平行等温面一般都不彼此平行等温面一般都不彼此平行第3页
5、,共27页,编辑于2022年,星期二三、温度梯度(Temperature gradient)等温面上没有温差,不会有热传递等温面上没有温差,不会有热传递等温面上没有温差,不会有热传递等温面上没有温差,不会有热传递 温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量 不同的等温面之间,有温差,有导热不同的等温面之间,有温差,有导热不同的等温面之间,有温差,有导热不同的等温面之间,有温差,有导热系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间系统中某一点所在的等温面
6、与相邻等温面之间系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度梯度,记为温度梯度,记为温度梯度,记为温度梯度,记为gradtgradt 温度梯度是矢量;正方向朝着温度增加最大的方向温度梯度是矢量;正方向朝着温度增加最大的方向温度梯度是矢量;正方向朝着温度增加最大的方向温度梯度是矢量;正方向朝着温度增加最大的方向第4页,共27页,编辑于2022年,星期二四、热流密度矢量四、热流密度矢量(Heat fl
7、uxHeat flux)直角坐标系中:直角坐标系中:直角坐标系中:直角坐标系中:热流密度矢量:等温面上某点,以通过该点处热流密度矢量:等温面上某点,以通过该点处热流密度矢量:等温面上某点,以通过该点处热流密度矢量:等温面上某点,以通过该点处最大最大最大最大热流密度热流密度热流密度热流密度 的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度不同方向上的热流密度的大小不同不同方向上的热流密度的大小不同不同方向上的热流密度的大小不同不同方向上的热流密度的大小不同 热流
8、密度:单位时间单位面积上所传递的热量热流密度:单位时间单位面积上所传递的热量热流密度:单位时间单位面积上所传递的热量热流密度:单位时间单位面积上所传递的热量温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的法线方向。由于热流是从高温处流向低温处,法线方向。由于热流是从高温处流向低温处,法线方向。由于热流是从高温处流向低温处,法线方向。由于热流是从高温处流向低温处,因而温度梯度和热流密度的方向正好因而温度梯度和热流密度的方向正好因而温度梯度和热流密度的方向正好因而温度梯度和热流密度的方向正好相反
9、相反相反相反。t+ttt-t第5页,共27页,编辑于2022年,星期二2-2 导热基本定律和导热系数导热基本定律和导热系数一一一一、傅傅傅傅里里里里叶叶叶叶定定定定律律律律(Fouriers Fouriers Fouriers Fouriers lawlawlawlaw):18221822年年,法法国国数数学学家家傅傅里叶里叶(FourierFourier)在实验研究基础上,发现导热基本规律在实验研究基础上,发现导热基本规律 导热基本定律:系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度导热基本定律:系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度导热基本定律:系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度导热基本定律:
10、系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度 成正比而方向相反成正比而方向相反成正比而方向相反成正比而方向相反 热导率(导热系数)热导率(导热系数)热导率(导热系数)热导率(导热系数)傅里叶定律只适用于均质各向同性材料的纯导热现象傅里叶定律只适用于均质各向同性材料的纯导热现象傅里叶定律只适用于均质各向同性材料的纯导热现象傅里叶定律只适用于均质各向同性材料的纯导热现象:热导率在各个方向是相同的热导率在各个方向是相同的热导率在各个方向是相同的热导率在各个方向是相同的矢量形式矢量形式标量形式标量形式第6页,共27页,编辑于2022年,星期二二、导热系数(二、导热系数(Thermal conductivit
11、yThermal conductivity)p p 由傅利叶定律得到由傅利叶定律得到由傅利叶定律得到由傅利叶定律得到(标量形式标量形式标量形式标量形式):):):):p p 物理意义物理意义物理意义物理意义:在数值上等于单位温度梯度作用下单位时:在数值上等于单位温度梯度作用下单位时:在数值上等于单位温度梯度作用下单位时:在数值上等于单位温度梯度作用下单位时 间内通过单位面积的热量。间内通过单位面积的热量。间内通过单位面积的热量。间内通过单位面积的热量。表征物质导热能力大小表征物质导热能力大小表征物质导热能力大小表征物质导热能力大小,由实验测定。,由实验测定。,由实验测定。,由实验测定。影响热导
12、率的因素影响热导率的因素影响热导率的因素影响热导率的因素:物质的种类、材料成分、温度、物质的种类、材料成分、温度、物质的种类、材料成分、温度、物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等湿度、压力、密度等湿度、压力、密度等湿度、压力、密度等p p 导热系数反映了物质微观粒子传递热量的特性。导热系数反映了物质微观粒子传递热量的特性。导热系数反映了物质微观粒子传递热量的特性。导热系数反映了物质微观粒子传递热量的特性。第7页,共27页,编辑于2022年,星期二u 不同物质导热机理不同物质导热机理 气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数依靠分子依靠分子依靠分子依靠分子无规则的热运动
13、无规则的热运动无规则的热运动无规则的热运动和相互碰撞实现热量传递和相互碰撞实现热量传递和相互碰撞实现热量传递和相互碰撞实现热量传递 液体的导热系数液体的导热系数液体的导热系数液体的导热系数主要依靠晶格的振动也有分子的无规则运动和碰撞主要依靠晶格的振动也有分子的无规则运动和碰撞主要依靠晶格的振动也有分子的无规则运动和碰撞主要依靠晶格的振动也有分子的无规则运动和碰撞 固体的热导率固体的热导率固体的热导率固体的热导率依靠依靠依靠依靠自由电子自由电子自由电子自由电子的迁移和晶格的振动,主要依靠前者的迁移和晶格的振动,主要依靠前者的迁移和晶格的振动,主要依靠前者的迁移和晶格的振动,主要依靠前者 a)a)
14、金属的热导率:金属的热导率:金属的热导率:金属的热导率:依靠依靠依靠依靠晶格的振动晶格的振动晶格的振动晶格的振动传递热量;传递热量;传递热量;传递热量;b)b)非金属的热导率:非金属的热导率:非金属的热导率:非金属的热导率:T T 导热系数导热系数导热系数导热系数 T T 导热系数导热系数导热系数导热系数 T T 导热系数导热系数导热系数导热系数 T T 导热系数导热系数导热系数导热系数第8页,共27页,编辑于2022年,星期二u u 不同物质的导热系数不同物质的导热系数不同物质的导热系数不同物质的导热系数当当当当0.12 W/(m)(GB4272-92)0.12 W/(m)(GB4272-9
15、2)0.12 W/(m)(GB4272-92)0.12 W/(m)(GB4272-92)时,这时,这时,这时,这种材料称为保温材料。高效能的保温材种材料称为保温材料。高效能的保温材种材料称为保温材料。高效能的保温材种材料称为保温材料。高效能的保温材料多为蜂窝状多孔结构。料多为蜂窝状多孔结构。料多为蜂窝状多孔结构。料多为蜂窝状多孔结构。1.1.1.1.防潮防潮防潮防潮 2.2.2.2.避免挤压避免挤压避免挤压避免挤压 3.3.3.3.在中低温中在中低温中在中低温中在中低温中 第9页,共27页,编辑于2022年,星期二 导热系数的取值const,不考虑温度对其影响 ,认为是温度的线性函数第10页,
16、共27页,编辑于2022年,星期二2-3 导热微分方程式及定解条件导热微分方程式及定解条件傅里叶定律:傅里叶定律:傅里叶定律:傅里叶定律:确定热流密度的大小,应知道物体内的温度场确定热流密度的大小,应知道物体内的温度场确定热流密度的大小,应知道物体内的温度场确定热流密度的大小,应知道物体内的温度场 理论基础:傅里叶定律理论基础:傅里叶定律理论基础:傅里叶定律理论基础:傅里叶定律 +能量守恒定律能量守恒定律能量守恒定律能量守恒定律一、导热微分方程式 假设:假设:假设:假设:(1)(1)所研究的物体是各向同性的连续介质所研究的物体是各向同性的连续介质所研究的物体是各向同性的连续介质所研究的物体是各
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