传热方式

引言

在日常生活中，我们发现许多实例可以感受到和观察到热量传递。从冬天捧着一杯茶感到温暖，到用微波炉加热一杯冷咖啡，这些都归功于热量传递的基本原理。

由于原子和分子的存在，每种物质都能够传递热量。这些原子和分子的运动负责热能的传递，每种物质都有其自身的热能。分子运动越大，物质的热能就越高。

分子本身不一定要改变位置，它们可以简单地相互振动得更快或更慢来传递热量。因此，热量传递只不过是从高温物体向低温物体传递热量的过程。

为了完全理解热流的概念，我们必须了解一些与之相关的术语。这些术语将在下面讨论

i）热

热是一种能量形式，用Q表示，其单位是焦耳和卡路里。焦耳（J）是国际单位制中热的SI单位。它产生温暖的感觉，并能够通过各种介质在物体之间流动。热能可以在能量形式之间相互转换，例如动能、机械能等。热不仅有助于维持生命，还能让我们感到舒适，并帮助生物准备食物，通过理解热的性质，在科学研究领域发现了许多应用。

科学领域中常用的计算热量公式

Q= m.c.ΔT

其中，Q = 传递到物体或从物体传递出来的热量，

m = 物体的质量，

C = 物体所用材料的比热容

ΔT = 物体产生的温度变化。

ii）热量传递

热量是一种能量形式，它根据物体之间的温度差异从一个物体传递到另一个物体。如果将两个不同温度的物体放在一起，能量就会通过热流传递。这种热流的方向是从较热的物体流向较冷的物体。

热量是如何传递的？

传热方式

热量可以通过四种不同的方式传递：传导、对流、辐射和平流。这些方法下面将通过示例和关于它们的特殊事实进行讨论。

i）通过传导

传导是通过触摸或两个部件之间的接触进行的。它是一种通过物理接触传递热量的类型。它是热量由于温度差异而从物体的一个部分传递到另一个部分的过程，因此热流从较热的区域流向较冷的区域。这种热流是通过身体粒子到身体粒子的能量传递，而粒子本身不一定改变位置。通过传导的热量传递方式是一种静态过程。

例如

传导可能是所有形式中最常见的，它在自然界中经常发生。即使你把手按在玻璃窗上，把一锅水放在加热元件上，或者把铁放在火里，都可以观察到。

金属是很好的热导体，在金属的情况下，有大量的自由电子，它们被称为自由流动的传导电子。在金属分子中，原子通过共享它们的价电子而结合。这种电子的共享创造了一个由自由移动的传导电子组成的海洋，它们积极地携带热量。因此，在一端加热金属主要会导致热传导。在金属中，自由电子可以在固体中自由移动，因此与任何其他非金属物质相比，热能的传递速率非常高。即使是最简单的金属导电体，与非金属相比，其导热性也是最好的。

ii）通过对流

它是通过流体粒子的实际运动将热量从流体的一部分传递到另一部分的过​​程。这种热流是通过身体粒子到身体粒子的能量传递，而粒子则实际地从其平衡位置移动。液体和气体通过对流过程加热。

对流过程提供了关于表面与运动的液体或气体之间热量传递的信息。流体或气体移动得越快，通过对流传递热量的速率就越大。

对流有两种类型

• 自然对流

自然对流是一种热量输送机制，其中流体运动不是由外部源产生的。相反，由于温度梯度引起的流体密度差异，流体运动是由浮力引起的。

这是通过一个基本的密度原理发生的，即，当流体接触到任何热表面或大气的时​​候，分子会散开并扩散，从而降低流体密度。通过这种方式，产生密度差，从而产生导致热流的浮力。

下面解释一些日常生活中的对流例子

1. 火周围的热空气：它会产生温暖的大气。当空气或水等流体接触到任何热物体时，它们可以通过对流被加热并上升到物体上方，从而将热量从物体快速传递到周围环境。
2. 冰融化是自然对流的一个很好的例子。靠近冰表面的水粒子通过周围大气向冰传导热量，然后融化。这些“较暖”的水粒子现在比冷粒子密度小，因此会下沉。新的、较冷的粒子会取代它们的位置，准备将更多的热能传递到冰表面并重复该过程。这样，一块冰就通过对流自然完全融化了。
3. 海风或陆风的产生和运动：它是由压力差引起的。由于海水比加热的陆地表面辐射的热量相对较少，因此它比陆地部分保持更热。因此，陆地上的冷空气通过空气的对流过程流向海水，这种气流称为陆风。如前所述，陆地表面从太阳吸收的热量比海面多。在白天，由于水的比热容比陆地大，陆地比水温高。因此，陆地表面的空气因炎热而轻，上升到地面上方。为了填补地面上的这些空白区域，来自海上的冷空气通过空气的对流过程流向陆地表面，这种气流称为海风。因此，海风和陆风是由空气对流的自然过程引起的。
4. 动物的血液循环：有助于减少热量损失。这个例子说明了如何利用对流原理来节省代谢热量。在这种循环类型中，存在逆流机制，其中肺周围的血管以空间组织的方式紧密地排列在一起，形成网状结构。在这些网中，动脉和静脉中的血液以相反的方向流动，结果是向外流动的动脉血将其大部分热量散失给较冷的向内流动的静脉血。由于自然形成的对流，动脉血和静脉血之间的热传递非常高效，它维持了动脉和静脉之间的温度梯度。因此，当动脉血到达体表时，它的温度已经降低，使得血液与环境之间的温差远小于核心体温与环境之间的温差，并且由于从身体到环境的热传递而导致的热量损失减​​少。

• 强制对流

这是一种人工过程。在强制对流过程中，热量在流体中传递，使得流体被外部装置（如泵、热水器或风扇）强制流过表面或管子。

例如

• 热水器：在热水器的过程中，冷水通过管道进入加热器水箱底部，然后被电加热器加热。随着水的加热，它由于对流而上升到水箱顶部，并通过热水出口排出以供进一步使用。
• 汽车散热器：汽车散热器中的冷却液流经发动机内部的管道，吸收发动机的热量，并反过来被加热。流动的空气通过对流从冷却剂中吸收热量，结果是加热的空气被风扇吹走，较冷的空气取而代之。
• 空调：空调用于通过在安装的房间中建立对流来允许空气流通。它们向房间释放凉爽干燥的空气，这种冷空气密度较大，因此容易沉入房间。房间中已有的暖空气密度较小，会上升。这样，空气通过产生的对流而循环，并且空气的温度最终会下降到所需值。
• 对流烤箱：在这些烤箱中，产生对流的力来自风扇。风扇产生的热量循环在烤箱腔内均匀分布热量和温度。这有助于更快、更好地烹饪食物。

iii）通过辐射

所有物体，无论是热的还是冷的，都会持续辐射某种类型。辐射是从一个地方到另一个地方传递热量的过程，而不会加热中间介质，这意味着没有直接接触的两个物体之间没有热量传递的点。辐射是所有热量传递方式中最快的。物体的表面温度会影响其辐射的波长。这种热流是通过任何介质都不存在的身体粒子到身体粒子的能量传递。

例如

• 这在太阳射线（本质上是电磁波）穿过真空空间并照射到地球表面时很常见。辐射中的光子粒子与大气中的空气分子碰撞并将能量传递出去。

iv）通过平流

空气水平运动引起的热量流动称为平流。空气的水平运动比垂直运动更显著。它在季节变化期间尤其明显，大部分天气日变化是由平流引起的（仅在中纬度地区）。在热带地区，在夏季，尤其是在印度北部，会出现一种称为“卢”（Loo）的地方性风，这是平流过程的结果。

传导、对流和辐射之间的区别

这三种热量传递方式是最常见的，但它们之间存在一些基本区别，这些区别将在下表简要讨论

影响传导式热传递的因素

热传导过程基本上取决于四个因素。这些因素将在下面讨论

1. 温度梯度

寒冷只是热能的缺乏，热量总是从较热的区域流向较冷的区域，这是由于两个位置之间产生了温度梯度。物体之间的热传递持续进行，直到温度差消除，并出现称为热平衡的状态。

2. 横截面和路径长度

参与传递过程的材料尺寸越大，加热所需的热量就越多。暴露在空气中的表面积越大，热量损失的可能性就越大。因此，横截面积较小的较短物体是最佳的热传递方式，因为它们可以最大程度地减少热量损失。

3. 导电装置材料的物理特性

在热传导方面，并非所有物质都表现相同。金属和石头被认为是良好的导体，因为它们可以轻松传递热量，而木材、纸张、空气和布料等材料是热的不良导体，因为它们传递热量可能需要很长时间。

材料的导电性根据“导热系数”进行评级，该系数相对于银金属测量。银的导热系数为 100，这是一个标准值，而其他材料的排名则低于此。例如，铜的导热系数为 92，铁为 11，水为 0.12，木材最低为 0.03 等。

导热性差的材料通常被称为绝缘体。空气的导热系数为 0.006，是一种出色的绝缘体，因为它能够被容纳在封闭空间内。这就是为什么人造绝缘体使用空气隔间，例如用于减少供暖费用的双层玻璃窗。基本上，它们充当防止任何热量损失的缓冲器。塑料和橡胶是一些良好的热绝缘体。

热传递在日常生活中的应用

1. 传导的应用

• 烹饪的基本方法是在金属炊具上加热食物。烹饪食物时使用金属锅，铝锅最常用于此目的。
• 金属炊具的把手通常由塑料、高质量橡胶制成，甚至木材也用于此，因为这些物体不能导热，因此在烹饪时更容易安全地握住炊具的把手。
• 通过加热的金属熨斗熨烫衣服也是基于热的传导。
• 建筑中最常用的铁焊接过程也基于传导的一般原理。
• 茅草屋顶的房间比铁皮屋顶的房间内部凉爽，这是因为铁容易导热，而茅草是绝缘体，可以阻止热量进入房间。
• 在冬天，羊毛衣服由于导热性差，可以防止身体热量散失，因为它们是良好的热绝缘体。

2. 对流的应用

自然对流作为一种热量传递方式，在许多应用领域得到了广泛应用，这些领域的热量传递很大程度上取决于热流体密度差异。热对流已应用于工业、太阳能集热器、农业、核能电站、通信、航空、地球物理学、发电、电子冷却以及更多生产领域。一些例子如下

• 对流用于冷却集成电路的散热片、发动机燃烧室以及所有工业换热器，包括工厂和家庭中使用的锅炉管；在家用冰箱中，对流的作用得到了广泛观察。
• 它用于烹饪食物，如我们在对流烤箱中所见，在这种设备中，有一个风扇在烤箱内循环热空气，这有助于通过将热空气分布在食物的顶部、底部和侧面来更快地烹饪食物，而无需将加热线圈直接接触食物。烤箱腔内的热空气循环也有助于减少热点和冷点，并为多层烹饪带来更均匀的结果。

3. 辐射的应用

辐射应用于医学、学术界和工业，以及发电。此外，辐射在农业、考古学（碳测年）、太空探索、执法、地质学（包括采矿）等领域也有广泛应用。其中一些应用列于下

• 最常见的医疗程序涉及 X 射线的应用，这是一种可以穿透我们皮肤的辐射。当通过 X 射线进行放射检查时，我们的骨骼和其他固体结构会投下阴影，因为它们的密度比我们的皮肤大，并且这些阴影可以在感光胶片上检测到。这有助于医生更好地了解损伤情况。
• 核裂变产生的电力，而核裂变实际上是原子分裂的过程，是辐射的最大用途之一。这是最可靠和最可持续的发电形式之一。