一. 散热原理
图1 散热三大方式
1. 热传导
当不同物体之间或同一物体内部存在温度差时，就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象。利用这种热传递现象散热就是传导散热。
2. 热对流
对流散热是指流体中发生相对位移而引起的热量传递过程。
流体无相变化时，根据产生的原因不同，可分为自然对流和强制对流两种，其中强制对流根据流动状态不同，又可分为层流传热和湍流传热。
液体有相变化时，包括蒸汽冷凝对流和液体沸腾对流。
3. 热辐射
物体由于具有温度而辐射电磁波的想象，称之为热辐射、一切温度高于绝对零度的物体都能产生辐射，温度越高，辐射出的总能量就越大。一个物体向外辐射能量的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。如果物体辐射出去的能量恰好等于在同一时间内所吸收的能量，则辐射过程达到平衡，称为平衡辐射，此时物体具有固定的温度。
热辐射的光谱是连续的，但一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外传播。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射；当温度为300℃时，热辐射中最强的波长在红外区；当物体的温度在500℃~800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。
二. 散热公式
1. 热传导公式
1）公式
图2 热传导示意图
热传导公式：Q=kA( T 2 - T 1 )L 
其中k：导热系数，W/(m.K)
A：导热面积，m2
T1、T2：两侧温度，K
L：厚度，m
2）影响因素
物体的热传导系数与材料的组成、结构、温度、湿度以及压强等因素有关。一般来说，金属的热导率最大，非金属次之，液体的较小，气体的最小；固体金属材料的热导率与温度反比，固体非金属材料与温度成正比；金属液体的热导率很大，而非金属液体的热导率很小；气体的热导率随温度升高而增大。
- 材料的导热性质是影响热传导的关键因素之一，其导热性能与其内部的晶体结构、分子排列密度和键合方式有关。
金属材料内部晶格结构高度有序，电子自由度高，因此能够快速传导热量。常见的金属材料铜和铝，因其导热性能优异，广泛应用于热传导领域。
非金属材料导热相对性能相对较差，其内部晶格结构比较松散，原子间键合力较弱。比如常见的塑料、橡胶和陶瓷等，其导热性能就较差。但金刚石和石墨烯是个例外。
金刚石是由碳原子以共价键结合而成的正四面体结构晶体，具有极高的稳定性和独特的物体性质。在金刚石晶体中，碳原子的振动以声子的形式传递热量。由于金刚石的共价键强且晶体结构规整有序，声子在其中传播时遭遇的散射几率极低，能够以极快的速度将热量传递出去。
石墨烯与金刚石类似，在平面方向由强化学键构成，碳原子的振动以声子的形式传递热量，并且由于碳原子较轻，具有极高的声速，从而在平面方向具有很高的热导率。
- 具有相同化学组成的材料，可能会形成不同的晶体结构。这些晶体结构中，构成晶体质点的大小和性质会有所差异，从而导致它们的晶格振动状态以及传导热量的能力各不相同。
- 温度是影响热导率的重要因素之一，一般来说，随着温度升高，物体的导热系数会有所变化。
气体的导热系数随着温度的增加而增加。对于一些非金属和液体，温度的影响可能比较复杂，比如甲醛、甲烷的导热系数随着温度的升高而降低，在大概130℃的范围内，饱和水的导热系数随着温度的升高而升高，超过该温度范围，导热系数随着温度的升高反而会降低。对于金属材料而言，纯金属的导热主要依靠自由电子的运动导热，高温会干扰自由电子的运动，从而降低导热系数。而合金的导热依靠自由电子的运动和晶格振动，但晶格振动起主导作用，温度升高，其导热系数会加大。
- 湿度主要影响多孔材料的导热系数。
湿度越大，会有越多的材料微孔中的空气被液态水替代，而水的导热率远大于空气，因此湿度越大，多孔材料的导热系数也越大。
- 压强主要影响气体的导热系数
在低压下，气体分子间距较大，分子间的碰撞频率相对较低，热量的传递主要依靠分子的自由运动。当压强逐渐升高，分子间距变小，碰撞概率增加，从而使得热量传递更加频繁，即气体导热系数随压强增大而增大。
在常压下，气体的导热系数对压强的变化相对不敏感。
在高压下，气体分子之间的相互作用开始显著影响气体的导热性能。随着压强的进一步增加，气体分子间距继续减小，分子间的相互作用增强，可能会导致分子运动收到一定阻碍，从而使导热系数的增加趋势变缓，甚至可能出现减小或者趋于稳定。
3）主要材料热传导导热系数
表1 常见材料的热传导系数
2. 热对流公式
1）公式
图3 热对流示意图
热对流公式：Q=h A ( t s - t ∞) 
其中h：导热系数，W/(m2.K)
A：对热面积，m2
Ts：固体表面温度，K
T∞：流体表面温度，K
2）影响因素
表面对流换热系数大小与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位以及流体的流速等有密切关系。
- 流体的物理性质
导热系数：物体的导热系数越高，流体的传热能力越强，对流传热系数就越大。
粘度：粘度越大，流体流动阻力越大，对流传热系数就越低
比热容：比热容越大，流体携带热量的能力越强，对流传热系数就越大；
密度：密度与体积膨胀系数相关，影响自然对流的强度，从而影响对流传热系数。体积膨胀系数越大，自然对流越强，即对流传热系数就越大。
- 流体的流动状态
层流：流体层层流动，速度梯度小，对流传热系数低
湍流：流体无规则流动，速度梯度大，对流传热系数高
- 流体的流动特征
流速：流速越大，流体与固体的接触越充分，对流传热系数就越大；
流动方向：流体垂直于传热面流动时，对流传热系数大于平行流动时；
流动原因：强制对流由外力驱动，对流传热系数较高。自然对流由温差驱动，对流传热系数较低；
- 传热面的形状和表面性质
形状：传热面形状影响流体的流动模式和接触面积，从而影响对流传热系数；
粗糙度：传热面粗糙度越大，表面积越大，对流传热系数就越大；粗糙的表面会增大流体的湍流程度，从而增强热量传递效率。
表面处理方式：表面处理方式影响流体的附着能力，从而影响对流传热系数。减小流体在传热面上的附着，可减小热阻，提高传热效率。
- 其他因素
流体的温度：流体温度对流体的物理性质和流动状态有影响，从而影响对流传热系数
传热面表面温度：固体表面温度与流体温度之间的温差越大，对流传热系数就越大
相变：相变过程（如沸腾、凝结）会显著增加对流传热系数。
3）主要材料热对流导热系数
表2 常见材料的热对流系数
3. 热辐射公式
1）公式
图4 热辐射示意图
热辐射公式：Q rad = εδ A( T 1 4 - T 2 4) 
其中ε：热辐射系数，0~1
δ：斯特潘玻尔兹曼常数，5.667*10-8W/(m2K4)；
A：辐射面面积，m2
T1：辐射表面1温度，K
T2：辐射表面2温度，K
2）影响因素
物体辐射系数的相关影响因素有物体表面温度、表面涂层类型以及表面粗糙度等。
黑度用来表征物体表面吸收和发射辐射能的能力，黑度越大，热辐射系数越高。物体表面涂层不同，黑度也不一样。通常表面越粗糙或颜色越深，黑度也越大。
物体的表面温度会直接影响热辐射强度。温度越高，热辐射系数越大。
物体的表面粗糙度也是物体辐射系数的重要影响因素。物体表面越粗糙，热辐射就越分散，辐射系数就越高。反之，光滑表面辐射集中，辐射系数低。
3）主要材料热辐射导热系数
表3 常见材料的热辐射系数
三. 参考文献
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