传热三法：导·流·辐

hdy

1

热传导（Conduction）

No.1

定义与微观机理

热传导就像是一场微观世界里的接力赛，热量通过物质内部的微观粒子，如分子、原子或自由电子的振动与碰撞，从高温区域传递到低温区域 ，这个过程中，物质本身并没有发生宏观的位移。

在固体中，热传导的过程尤为有趣。以金属为例，金属内部存在大量自由电子，这些自由电子就像一群活跃的小运动员，在不停地做无规则热运动。当金属一端受热时，自由电子获得能量，运动速度加快，它们会与周围的原子或分子发生频繁碰撞，将能量传递出去。就好比在接力赛中，跑得飞快的运动员迅速把接力棒传递给下一位选手。所以，金属是热的良导体，导热性能很强。而像木材这样的非金属固体，没有大量自由电子，主要依靠晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来传递热量 。这种振动传递能量的方式相对较慢，就像接力赛中传递速度稍慢的选手，因此木材的导热性较差，是热的不良导体。

在液体里，分子间距离比固体大，但又不像气体那么松散。液体分子在温度高的区域热运动比较剧烈，由于分子间存在相互作用，热运动的能量会逐渐向周围层层传递，从而引发热传导现象 。想象一下，液体分子像是一群紧密相连的舞者，一个舞者的热情舞动会带动周围舞者跟着动起来，热量就这样传递开了。不过，液体的热传导系数较小，传导速度相对较慢。

气体中的热传导则是依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞来实现能量迁移。气体分子间距大，就像在广阔操场上自由奔跑的孩子，它们在运动过程中相互碰撞，把热量从高温处传递到低温处 。但由于分子间距离大，碰撞频率相对较低，所以气体的热传导效率在三者中是最低的。

No.2

核心原理与公式解读

热传导遵循着傅里叶定律，它就像是热传导这场接力赛的规则手册。傅里叶定律指出，热流密度（单位时间内通过单位面积传递的热量）与温度梯度成正比，公式表达为q=−kdxdT。这里的q代表热流密度，k是热导率，它可是衡量材料导热能力的关键参数，k值越大，材料的导热性能就越强，就如同接力赛中能力超强的选手，能快速传递热量；dxdT表示温度梯度，也就是温度随空间位置的变化率，负号则表明热量传递方向与温度升高方向相反，总是从高温处传向低温处 。热导率k可不是一个固定不变的值，它受到材料性质、温度、密度等多种因素的影响。一般来说，金属材料的热导率较高，比如铜的热导率约为401W/(m⋅K)，这使得铜在各种需要快速导热的场景中备受青睐，像我们常见的铜质散热器、铜管等；而像木材、陶瓷这类非金属材料，热导率通常较低，木材的热导率大概只有0.13W/(m⋅K)，所以它们常被用于制作隔热物品。此外，对于同一种材料，温度变化时，其热导率也可能发生改变，比如大多数金属的热导率会随着温度升高而略有下降 。

ThermalLink

2

热对流（Convection）

No.1

定义与分类解析

热对流宛如一场充满活力的流体舞蹈，指的是由于流体（液体或气体）的宏观运动，使得流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混，进而产生热量传递的过程 。在这个过程中，流体就像一群欢快的舞者，它们的流动带动着热量一起传递。

根据流体运动的起因不同，热对流可分为自然对流和强制对流这两种有趣的类型。自然对流是一场自发的舞蹈表演，它是由冷、热流体的密度差不同而引起的流动 。比如，在寒冷的冬天，室内的暖气片附近，热空气因为温度高、密度小而上升，冷空气则因为温度低、密度大而下降，这样就形成了自然对流，使得整个房间逐渐暖和起来 。又比如，烧开水时，锅底的水受热温度升高，密度变小而上升，上方较冷的水则密度较大而下降，形成自然对流，让整壶水都能被加热。

强制对流则像是一场有外力指挥的舞蹈演出，它依靠外力，如风机、泵等设备造成的流体内压力不同而引起流动 。像我们日常生活中使用的空调，就是通过风机强制驱动空气流动，将制冷或制热后的空气送到室内各个角落，实现快速调节室内温度的目的 。在工业领域，许多设备需要强制对流来实现高效的热传递，比如工厂里的大型冷却系统，通过泵将冷却液循环输送，带走设备产生的大量热量 。

值得注意的是，热对流与热传导常常相伴相生。当热对流发生时，除了流体各部分间宏观相对位移引起的热对流，流体分子的热运动还会产生导热过程 。比如，当热空气在房间中对流时，空气分子之间也在进行着热传导，只不过在热对流过程中，热传导通常处于次要地位 。

No.2

核心原理与公式分析

热对流遵循着牛顿冷却定律，它就像是这场热对流舞蹈的节奏指南。牛顿冷却定律指出，当物体表面与周围流体存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比 。其公式表达为Q=hA(Ts−Tf)，其中Q代表传热速率，也就是单位时间内传递的热量；h是对流传热系数，它反映了流体与固体壁面之间传热能力的强弱，是一个非常关键的参数；A表示换热面积，面积越大，在相同条件下传递的热量就可能越多；Ts是固体表面温度，Tf是流体温度 ，两者的差值(Ts−Tf)就是传热的驱动力，温差越大，传热速率就越快 。

对流传热系数h可不是一个简单的常数，它受到众多因素的影响，包括流体的性质，如导热系数、黏度、比热容、密度等，以及换热表面的几何形式、流体的流动状态等 。一般来说，强制对流时，流体流速快，对流传热系数h较大，传热效率更高；而自然对流时，h相对较小 。例如，在强制对流的空调系统中，快速流动的空气使得对流传热系数较大，能够快速将室内热量带走或送入热量，实现快速制冷或制热；而自然对流的暖气片周围，空气流动相对缓慢，对流传热系数较小，加热房间的速度相对较慢 。

在研究热对流时，努塞尔数（Nu）、雷诺数（Re）等无量纲参数也发挥着重要作用 。努塞尔数反映了对流换热过程中对流作用与导热作用的相对大小，它与对流传热系数密切相关；雷诺数则用于判断流体的流动状态，当雷诺数较小时，流体呈层流状态，流动较为平稳，热传递主要靠分子扩散；当雷诺数较大时，流体呈湍流状态，流体内部混合强烈，热传递效率大大提高 。比如，在管道中流动的液体，如果雷诺数较小，液体流动缓慢且有规律，热传递相对较慢；当雷诺数增大，液体变为湍流，热传递速度会显著加快 。

ThermalLink

3

热辐射（Radiation）

No.1

定义与独特特性

热辐射就像是一位神秘的使者，能够穿越时空传递能量。它是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象 ，是热量传递的三种基本方式之一 。与热传导和热对流不同，热辐射传递热量无需任何介质，它可以在真空中畅行无阻，是真空中唯一的传热方式 。这意味着即使在浩瀚无垠、近乎真空的宇宙中，热辐射也能大显身手，将热量从一个天体传递到另一个天体 。

在我们的日常生活中，所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，都会不断地向周围空间发出热辐射 。温度越高，物体辐射出的总能量就越大，而且短波成分也会越多 。例如，当我们靠近一个高温的火炉时，能明显感觉到一股热浪扑面而来，这就是火炉发出的热辐射 。在温度较低时，物体主要以不可见的红外光进行辐射；当物体温度升高到 500℃以上，热辐射中最强的波长成分就会进入可见光区，像烧得通红的铁块，不仅能辐射出红外线，还会发出红色的可见光 。

No.2

核心原理与公式详解

热辐射遵循着斯特藩 - 玻尔兹曼定律，它揭示了热辐射的能量奥秘 。该定律表明，物体单位面积在单位时间内辐射出的总能量（即辐射功率）Q与物体热力学温度T（绝对温度）的四次方成正比 ，公式表达为Q=σϵAT4。

其中，σ是斯特藩 - 玻尔兹曼常数，其值约为5.670374419×10−8W⋅m−2⋅K−4；ϵ为物体的发射率，它反映了物体表面辐射能量的能力，取值范围在 0 到 1 之间，黑体的发射率为 1，而实际物体的发射率通常小于 1 ；A是物体的辐射面积 。发射率ϵ对辐射传热有着重要影响 。不同材质和表面特性的物体，发射率差异很大 。例如，表面粗糙、颜色较深的物体，如黑色陶瓷，发射率较高，接近 1，这意味着它能高效地辐射热量 ；而表面光滑、质地光亮的金属，如银，发射率较低，大约在 0.02 - 0.03 之间，辐射热量的能力相对较弱 。在实际应用中，我们可以根据需求选择合适发射率的材料 。比如，在太阳能热水器中，为了更好地吸收太阳辐射的热量，集热器表面会采用发射率较高的材料，以增强对太阳能的吸收；而在一些需要减少热量散失的场合，如保温瓶的内胆，会使用发射率低的材料，来降低热辐射造成的热量损失 。

4

三兄弟大比拼：异同全剖析

为了让大家更清晰地了解热传导、热对流和热辐射这三种传热方式的特点，我们不妨将它们看作是性格迥异的三兄弟，通过下面的表格来对比分析一下：

从介质需求来看，热传导这位沉稳的大哥，主要依靠固体或静止流体来传递热量，就像接力赛一样，在紧密相连的物质中传递热量；热对流这位活泼的二哥，离不开流动的流体，通过流体的流动来带动热量传递，如同一场热闹的集体舞蹈；而热辐射这位神秘的三弟，则最为独特，它不需要任何介质，能够在真空中自由穿梭，就像一位孤独的旅行者，穿越无尽的虚空传递能量 。

在传热速度上，热传导由于依赖材料的导热性能，热量传递相对较慢，就像一位稳健前行的行者；热对流借助流体的快速流动，传热速度较快，仿佛是奔跑的运动员；热辐射则以光速传播，速度极快，但它的能量密度相对较低，就像撒向远方的光芒，虽然传播迅速，但能量分散 。

对于温度的依赖性，热传导与温度梯度直接相关，温度梯度越大，传热越快；热对流与温差和流动状态紧密相连，温差越大、流体流动越剧烈，传热就越迅速；热辐射则遵循斯特藩 - 玻尔兹曼定律，与温度的四次方成正比，温度稍有变化，辐射传递的能量就会有显著改变 。

在典型应用方面，热传导常用于金属散热器，帮助电子设备快速散热，以及隔热材料，减少热量的传递；热对流在空调、汽车发动机冷却系统等场景中发挥关键作用，实现高效的热量交换；热辐射则在太阳能利用、高温工业设备等领域大显身手，如太阳能热水器吸收太阳辐射的热量，高温工业炉利用热辐射加热物料 。