PTC加热的温度、热量、能量与热传导
2014-08-11 16:26阅读：
PTC加热的温度、热量、能量与热传导
朱小荣2014/8/11
1. 分子（或离子）热运动。
1.1
物质一般由分子构成，也有由离子和电子构成；分子和离子又由原子核和电子构成。多数情况下，带负电的电子被束缚在带正电的原子核周围做运动。可以脱离原子核的束缚做相对自由运动的电子，称为自由电子。物质的分子或离子和电子存在热运动，如气体、液体分子的不规则运动（也叫做布郎运动），固体中的离子的振动等。
1.2 温度。温度是分子（或离子和电子）热运动的表现。分子的热运动越剧烈，则物质的温度越高。在绝对0度，（－273℃，0
K），分子的热运动停止。宇宙中的任何物质都有热运动，没有物质的温度能够降低到绝对0度。
1.3
温度的定义。在1个大气压下，冰、水、水蒸气的平衡温度为0℃；水沸腾时，水、水蒸气的平衡温度为100℃。0℃~100℃的一个间隔为1℃，也是1K。
1.4温度的换算。0 K = －273℃，0℃ = 273K。
绝对温度K = 摄氏度℃ +273K；摄氏度℃ = 绝对温度K－273K
摄氏度℃=（华氏度F－32）÷1.8；华氏度F = 摄氏度℃×1.8 + 32
2. 热量。热量为分子（或离子、电子或其他粒子）热运动的能量。
2.1热量的定义。
2.1.1 每1g的水温度上升（或降低）1℃，所吸收（或放出）的热量为1cal（卡）。
热量Q = 比热C×物质质量W×温差ΔT
2.1.2 每1W的电功率，在1s时间所产生的热量为1 J（焦耳）。焦耳为现行国际标准单位。
热量Q = 功率P×时间t
2.2 热量的换算。1 J = 0.238 cal， 1 cal = 4.20 J
3. 比热（或比热容）。
3.1 比热的定义1。每1g物质温度上升（或降低）1℃，所吸收（或放出）的热量的cal数，既是该物质的比热。显然纯水的比热为1 cal
/（g·℃），其他物质的比热为与水的比热的相对值。比热的单位为：cal /（g·℃）。
比热的定义2。每1kg物质温度上升（或降低）1℃，所吸收（或放出）的热量的J数，即是该物质的比热。比热的单位为：
J/（kg·℃）。此为现行国际标准单位。水的比热为4200 J/（kg·℃）。
3.2 相同质量（重量）的物质，上升（下降）相同的温度，比热大的物质吸收（放出）的热量多。
3.3 热量计算。热量Q = 比热C×物质质量W×(T－T0)
物体温度上升（下降）所需要（放出）的热量等于物体的比热乘物体质量乘上升（下降）的温度差。
3.4 常见的几种物质的比热。J/（kg·℃）
物质
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水
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空气
|
铝
|
不锈钢
|
铁
|
铜
|
砂石
|
酒精
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冰
|
比热
|
4200
|
1000
|
902
|
504
|
455
|
386
|
920
|
2400
|
2100
|
4. 热传递。
4.1 导热。
4.1.1导热的定义和计算。热量由高温区域转移到低温区域。导热与导电类似，对于热量在同种物质中转移导热，可用类似电学的欧姆定律来表示：
Q = ΔT / R =ΔT / (H/（λS）)
Q 为传导的热量，ΔT
为高低（热源温度T2－散热环境温度T1）温度差，R为热阻，H为传热厚度或距离，λ为材料的导热系数，S为传热面积。
温差越大，导热的热量越大；热阻越大，导热的热量越小；传热厚度越大，导热的热量越小；导热系数越大，导热的热量越大；传热面积越大，导热的热量越大。
所以若要增加导热的热量，则应增加高低温度差，减少传热厚度，增加传热面积，选用导热系数大的物质。
4.1.2 常见物质的导热系数。单位W/（m · K），瓦特/（米· K），25℃温度下。
物质
|
水
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空气
|
纯铝
|
不锈钢
|
轻质
耐火砖
|
紫铜
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黄铜
|
96%氧化铝瓷
|
聚酰
亚胺
|
导热
硅脂
|
导热系数
|
0.54
|
0.022
|
238
|
14
|
0.3
|
400
|
120
|
34
|
0.16
|
1.1
|
4.1.3
分子碰撞导热。对于气体和液体，其分子在温度比较高的情况下，无规则运动加快，并带动相邻的其他分子的运动，形成导热。
4.1.4
电子导热。对于许多金属材料，因为其存在自由电子。温度加速自由电子的运动，并带动相邻的其他自由电子的运动，使热量得于传导。自由电子比较多的物质，其导热系数往往比较大，因此电导率大的物质往往导热系数也大。
4.1.5
晶格振动导热。对于许多绝缘材料，其自由电子很少，不能由自由电子导热，而靠固体结构的晶格（离子）振动的传递来导热。物质内部结构越牢固、材料越纯、晶体结构越完整、组成的离子的质量越小，则导热系数越大。
4.2对流换热。温度高的气体或液体，由于密度小而向上移动、同时温度低的气体或液体向下移动，或用其他方式强迫移动，把热量从高温区域传导到温度低区域。如平时烧水，热水管传送热水，北方城市的水管（或气管）供热，地球表面的风产生的热流、冷流等就存在热对流。对流是比较有效的传导热量的方式，可以远距离传送比较大的热量。
4.3 辐射换热。
4.3.1
物体之间相互进行热的辐射和吸收所形成的换热过程。任何物质的表面，都会向外发射电磁波（也叫光子），电磁波带有能量。一个物体发射的电磁波，到达另一个物体时，能量被吸收，光子同时消失，使另一个物体的热量增加。温度高的物体发射的电磁波强度大，发射大于吸收，热量将会减少，热量向温度低的物体转移。通过辐射，热量可以传送到极其遥远的地方，如太阳将热量传送到地球。
4.3.2 电磁波（光子）的波长分类。
波长μm
|
10-5
|
10-4
|
10-3
|
10-2
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10-1
|
1
|
10
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102
|
103
|
104
|
105
|
106
|
107
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分类
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X射线
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紫外线
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可见光
|
红外线
|
无线电波
|
一般波长0.1~100μm的电磁波能投射到物体上后，能够被吸收而产生热能。
c =λ×ν；λ = c / ν；ν= c /λ
c为光速，是光传播的速度，为300,000,000m/s；λ为光的波长，是光传播一个周期所传送的距离；ν为光的频率，是单位时间内光波动周期数，如频率为5000Hz，表示每秒钟光波变动5000个周期。
4.3.3 表面的吸收、反射与穿透。辐射能投射到物体表面后，可能部分被吸收，部分被反射，还有部分被穿透过去。
Q
A + Q
R + Q
D = Q
A +R +D =1
Q
A
为吸收部分，Q
R为反射部分，Q
D为透射部分，Q为投射到物体的辐射能。
A为吸收系数，R为反射系数，D为透射系数。
4.3.4 白体与黑体。R =1的物体称为白体，它能反射所有投射到其表面的热射线。A
=1的物体称为黑体，它能吸收所有投射到其表面的热射线。D =1的物体当然是透明体。
4.3.5
辐射。热振动的作用，使原子的外层电子受激发而从低能量跃迁到更高的能量，然后回到原来的低能量时，将发射一个光子（发射电磁波），光子能量为E
= h· c / λ= h×ν。h为常数，λ为光的波长，ν为光的频率。光子的波长越短、或频率越高，则光子的能量越大。
物质辐射力是随温度而变化的。在一个温度下，辐射的波长原则上从0 ~
∞。下图为黑体在不同温度下，辐射的波长分布图。存在一个最大值波长λmax，λmax遵从维恩定律：
λmax = 0.002898 /T
(波长单位为m，T为
绝对温度 =摄氏温度+273
)
物体发出辐射的能力与吸收能力成正比。黑体的发射能力最强。为了获得比较强的辐射，可以选择颜色比较深的材料涂覆在表面；选择比较粗糙的表面；避免使用金属表面。为了获得波长比较短的发射，应提高发射体的温度。为了获得波长比较长的发射，应降低发射体的温度。
5. 电加热。
5.1 电流的热效应。当电流流经电阻体时，会消耗电能，W =
I
2×R×t，同时产生热能（假设所有消耗的电能都转变为热能），则Q =
I
2×R×t
其中W为消耗的电能，单位为焦耳J，（或瓦特秒W·s）；I为电流，单位为安培A；R为电阻，单位为欧姆Ω；t为时间，单位为秒s。
5.2
电-热转换效率。以上是假设所有消耗的电能都转变为热能。但是实际上，消耗的电能有部分会转变为电磁波（可见光和非可见光）。发热体所转换的热能与消耗的电能的比值称为电-热转换效率。如果电-热转换效率为100%，则所有的消耗的电能都转变为热能。
5.3
热利用率。由电能转变为热能或由其他能量转变为热能，被利用来加热物体，使物体温度上升或将物体熔化、汽化等。但是所产生热能往往不能全部用在指定的用途，而是被非预期消耗掉，如：热量被外壳或空气带走损失，使热利用率下降。一支电热管，通过加热锅底来煮水，比起将电热管直接浸在水中，前者的热利用率要低得多。
6. 热力学第一定律。即能量守恒定律。
U2-U1＝A＋Q
系统的内能的增加（或减少），等于其吸收（放出）的热量，加上外界对其（其对外界）所作的功。
对一个热力学系统来说，表征它的热运动状态的能量，就是系统的内能。从微观角度看来，热力学系统的内能包括物体内部分子无规则运动的动能，分子间的相互作用能，原子与电子的能量，原子核内的能量，等等。概括地说，内能就是热力学系统由其内部状态所决定的全部能量的总和，它并不包括系统整体作宏观机械运动的动能以及系统整体在外力场中的势能。
7. 热力学第二定律。
热力学第二定律总结了热运动的方向。自觉的热力学过程，将向无序、均匀的方向进行。自热力学第一定律被发现以后，人们注意到许多自行发生的过程都是单方向的，例如热量从高温物体传到低温物体，液体由高处向低处流动，气体的扩散与混合，内能向减少方向进行，其反向自行发生的过程虽然没有违反第一定律，却从来还没有发现过。它实质上指出了宏观热现象的不可逆性。
克劳修斯表述。热量总是自动地从高温物体传到低温物体，不可能自动地由低温物体向高温物体传递。若想让热传递方向逆转，则必须消耗功才能实现。
利用热泵，可以驱动热量从低温向高温转移，消耗的功可以比获得的热量小，即能效比大于100%。热泵热水器是热泵原理主要的用途。
