热传递计算器

热传递计算器可以计算热量通过导热、对流或辐射在系统中移动的速率。输入材料或表面特性、面积以及热侧和冷侧的温度，该工具将返回以瓦特为单位的热传递速率、热通量、热阻以及随时间转移的总能量，同时提供动画效果的热流图和逐步公式拆解。它专为学生、工程师、建筑人员以及任何对热量传播速度感兴趣的人群设计。

热传递的三种模式

热量总是从较热的区域流向较冷的区域，但它可以通过三种不同的方式到达目的地。此计算器根据各自的物理定律来处理每种模式。

热传递公式

其中：

• \(Q\) — 热传递速率，单位为瓦特（W）
• \(k\) — 材料的导热系数，单位为 W/m·K
• \(h\) — 对流换热系数，单位为 W/m²·K
• \(\varepsilon\) — 表面发射率（0 到 1，无量纲）
• \(\sigma\) — 斯特藩–玻尔兹曼常数，\(5.67\times10^{-8}\) W/m²·K⁴
• \(A\) — 表面积，单位为 m²
• \(\Delta T\) — 两侧之间的温差
• \(d\) — 材料厚度，单位为米
• \(T_h, T_c\) — 热侧和冷侧的绝对温度，单位为开尔文

常见导热系数表 (k)

常见对流系数 (h) 和发射率 (ε)

发射率的范围从抛光金属 transition 的约 0.05 到油漆、砖块、水、皮肤和其他哑光表面的 0.90–0.98 不等，理想黑体则恰好为 1.0。

什么是热通量、热阻和R值？

热通量是单位面积的热传递速率（\(Q/A\）），单位为 W/m²。它告诉你热流的集中程度，与表面大小无关。热阻是对热流的阻碍（单位为 K/W）；热阻越高，意味着在相同温差下移动的热量越少。对于建筑材料，这通常用 R值 来表示——R值越高，绝热性能越好。该计算器同时提供国际标准R值（RSI，单位为 m²·K/W）和绝热材料包装上常用的美制R值。

为什么辐射使用绝对温度

导热和对流仅取决于温度的差值，无论是用摄氏度还是开尔文衡量，10° 的差值都是相同的。辐射则不同：它取决于绝对温度的四次方，因此必须用从绝对零度（−273.15 °C）开始的开尔文进行计算。这种四次方关系正是为什么绝对温度变为两倍的表面会辐射出 16倍 的热量，也是为什么在火焰和熔炉等高温下辐射占据主导地位的原因。

如何使用此计算器

1. 选择热传递模式： 使用表单顶部的选项卡选择导热、对流或辐射。
2. 输入材料和几何参数： 从内置数据库中选择一种材料、条件或表面（或选择“自定义值...”自行输入），然后输入表面积，如果是导热还需要输入厚度。
3. 输入温度： 输入热侧和冷侧的温度，并选择 °C、°F 或 K。还可以输入以小时为单位的可选持续时间，以查看转移的总能量。
4. 点击计算： 查看以瓦特为单位的热传递速率、热通量、热阻、随时间消耗的能量、动画热流图以及完整的逐步计算过程。

常见问题

热量损失会花多少钱？

将以千瓦计的热流乘以小时数和每 kWh 的价格。例如，500 W 持续 24 小时为 12 kWh，按每 kWh 0.15 计价，每天费用为 1.80。输入能源价格后，计算器会显示所选时长、每天和每 30 天的费用。

如何计算多层墙体的热损失？

将每层的热阻 R = 厚度 ÷ k 相加，并计入内外表面的空气膜，然后计算 U = 1 ÷ 总 R，热损失为 Q = U × A × ΔT。将第一层作为材料输入，其余层填入“更多层”，并勾选空气膜选项。计算器会显示总 R 值、U 值、热损失以及每层交界处的温度。

热传递的三种模式是什么？

热量通过三种方式移动。导热是热量通过直接接触在固体材料中传递，例如热量穿过墙壁。对流是热量被移动的流体（如空气或水）带走，例如风扇冷却发热的表面。辐射是以红外电磁波的形式发射热量，例如你从火堆或太阳感受到的温暖，它完全不需要任何介质。

如何计算导热引起的热传递？

导热使用傅里叶定律：Q = k × A × ΔT / d，其中 k 是材料的导热系数（单位为瓦特每米-开尔文），A 是以平方米为单位的面积，ΔT 是温差，d 是以米为单位的厚度。计算结果 Q 即为以瓦特为单位的热传递速率。

如何计算对流引起的热传递？

对流使用牛顿冷却定律：Q = h × A × ΔT，其中 h 是对流换热系数（单位为瓦特每平方米-开尔文），A 是表面积，ΔT 是表面温度与流体温度之间的差值。h 值越大，意味着流体流动越快，带走热量的速度也越快。

如何计算辐射引起的热传递？

辐射使用斯特藩–玻尔兹曼定律：Q = ε × σ × A × (Th⁴ − Tc⁴)，其中 ε 是介于 0 和 1 之间的发射率，σ 是 5.67 × 10⁻⁸ 瓦特每平方米-开尔文四次方，A 是面积，Th 和 Tc 是以开尔文为单位的绝对温度。因为温度被提升到了四次方，所以随着物体变热，辐射会增长得非常快。

热传递速率使用什么单位？

热传递速率 Q 是一个功率，单位为瓦特（焦耳每秒）。1 瓦特意味着每秒有 1 焦耳的热量发生移动。该计算器还会显示以瓦特每平方米为单位的热通量，以及在选定时间内转移的总能量（以千瓦时和焦耳为单位）。

为什么计算辐射时必须将温度转换为开尔文？

斯特藩–玻尔兹曼定律取决于绝对温度的四次方，因此它只适用于从绝对零度开始的开尔文。对于导热和对流，只有温差起作用，而摄氏度的温差等于开尔文的相同温差，因此这两种模式不受选择摄氏度还是开尔文的影响。

如果窗户的 U 值为 2 W/m²·K，温差为 15°C，每秒有多少热量通过 2 m² 的窗户？

如果窗户的 U 值代表整扇窗户，且条件稳定，热流约为 60 瓦：2 W/m²·K × 2 m² × 15 K = 60 W。U 值已经包含窗户的整体热阻，因此在传导模式中不要把它当作材料导热系数输入。计算器列出的材料使用导热系数 k；对于多层窗户，应分别输入每一层及其厚度。

为什么金属表面在相同温度下辐射的热量可能比涂漆表面少？

关键在于发射率：在面积和温度相同的情况下，发射率较低的表面辐射出的热量较少。例如，抛光金属的发射率通常远低于油漆，而表单中氧化或粗糙金属的发射率为 0.70，白漆为 0.90。请选择符合实际表面状态的数值。仅凭材料颜色无法可靠判断其发射率。

传导和辐射计算应该使用相同的温差吗？

传导计算使用热端与冷端之间的温差，辐射计算则需要输入以开尔文表示的绝对温度。例如，温度为 100°C 的表面面对温度为 20°C 的环境时，传导计算使用 80°C 的温差；辐射公式则使用 373.15 K 和 293.15 K。辐射取决于绝对温度的四次方，因此代入摄氏温度会得出错误结果。

附加资源

• 热传递 - 维基百科
• 热传导 - 维基百科
• 斯特藩–玻尔兹曼定律 - 维基百科