比热 — CAE术语解说
比热
在热分析中输入材料物性时,我们设置「比热」的值,但这到底是什么意思呢?
比热c_p是「将1kg物质的温度提高1℃(1K)所需的热量」。水约为4186 J/(kg·K),非常大;铁约为450 J/(kg·K)。因此即使加入相同热量,铁的温度上升速度也比水快约9倍。在电子设备冷却设计中,使用比热来估计散热器铝(约900 J/(kg·K))在瞬态过程中能吸收多少热量。
定义
c_p和c_v的区别是什么?我听说过定压和定积…
c_p是定压加热时的比热,c_v是定容加热时的比热。对于固体和液体,c_p ≈ c_v,基本可以不用考虑;但对于气体,c_p > c_v的差异很大。对于理想气体,c_p - c_v = R(气体常数)。在可压缩CFD中,比热比γ = c_p/c_v被用于音速的计算,所以这个区别很重要。
热解析中的作用
比热的值会随温度变化吗?在分析中应该用常数吗?
会变的。特别是在高温范围内不能忽视。例如,不锈钢的c_p在室温时约为500 J/(kg·K),但在800℃时增加到约600 J/(kg·K)。对于像焊接模拟这样的温度范围很宽的问题,如果不输入温度依赖表,瞬态温度历史会偏离很多。
热传导方程的左边有ρc_p,这决定了温度变化的快慢。
ρc_p越大,温度变化就越慢,是吧。这和热容量的概念很相似吗?
完全同意。比热是单位质量的值,热容量C = m·c_p是整个物体的值。在瞬态热分析中,ρc_p(单位体积的热容量)决定了温度响应的时间常数。因此即使质量很小,但比热很大的材料(水或聚合物)温度也很难上升。
相关术语
和比热一起需要记住的热物性还有什么?
热传导率和热容量是三位一体的。这三个共同决定了热扩散率α = k/(ρc_p),瞬态热分析的特性基本上由它决定。
我之前一直把比热设置成常数,需要重新检查。让我先试试输入温度依赖表。
如果温度范围在100℃以内,用常数值通常也没问题,但超过这个范围的话,建议输入表格数据。可以从材料数据库(MPDB等)查证。
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