什么是热阻？

什么是热阻

一 热阻（Thermal resistance）定义

在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射三种方式进行。传导是通过物体的接触，将热流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好；对流是通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多；辐射不需要具体的中间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。

导热率不好，就是热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小。

当热量在物体内部传输时（通常是从高温传递到低温），遇到的阻力称为导热热阻。

当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。

在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻称为对流换热热阻。

两个温度不同的物体相互辐射换热时的热阻称为辐射热阻。

二 热阻产生的原因

热阻产生的原因主要有以下几个方面：

材料的导热性能：不同的材料具有不同的热导率。热导率低的材料，如某些绝缘材料，会对热流产生较大的阻碍，从而导致热阻增大。例如，空气的热导率较低，在存在空气层的情况下，热传递会受到明显阻碍。

接触热阻：当两个固体表面接触时，由于表面粗糙度、压力不足、存在杂质或氧化层等因素，实际接触面积小于表观接触面积，从而产生接触热阻。比如，在电子设备中，芯片与散热器之间的接触不完全紧密就会导致接触热阻。    几何形状和尺寸：物体的形状、厚度和长度等几何因素会影响热传递路径，从而产生热阻。较长、较细的物体，热流通过的路径更长，热阻也就相对较大。

热辐射阻碍：在高温环境中，热辐射是一种重要的传热方式。但如果存在阻挡热辐射的物体或表面，就会产生热阻。

流体流动阻力：在涉及流体（液体或气体）传热的情况下，流体的流动速度、粘度、通道的形状和尺寸等因素会影响传热效果，产生热阻。

例如，在一个多层结构的隔热材料中，各层材料的热导率不同以及层与层之间的接触问题都会导致整体热阻的增加；在热管中，如果热管内部的工作流体流动不畅或存在堵塞，也会增加热阻，降低传热效率。

        三 热的欧姆定律

电阻是描述导体导电性能的物理量，用R表示。电阻由导体两端的电压U与通过导体的电流I的比值来定义。那么类似于电阻，热阻由两端温度的差ΔT与通过两端的热量的比值P来定义。

      [℃/W or K/W]

Heat flow P

热阻可以按照等同于电阻的方式进行考虑，热计算的基本公式可以按照等同于欧姆定律的方式进行处理。下表是上述对应关系的总结。    

四 热传导的热阻

          热传导的热阻（Thermal Resistance for Heat Conduction）是指在热传导过程中，对热流传递起到阻碍作用的大小度量。如下图与电阻类似，横截面积越大热阻越小，长度越长热阻越大，材料本身导热率越大热阻越小。所以热阻与材料本身的性质有关。

    [K/W]

L 表示热传导路径的长度，k为材料热导率，A表示垂直于热流方向的截面积。从 Rth 的公式可以看出，为了减小热传导的热阻，需要增大物体的截面积、或者减小物体的长度、或者选择热导率大的材料。

例如：

1）在建筑物的保温层中，如果使用了热导率较低的材料并且增加其厚度，就会显著增大热传导热阻，减少室内外的热交换，起到保温节能的效果。

2）电脑 CPU 与散热器之间，如果涂抹的导热硅脂不均匀或质量不佳，导致接触不充分，就会增大热传导热阻，影响 CPU 的散热性能。    

五 对流热阻

对流热阻是衡量对流传热过程中热流传递阻力大小的物理量。

对流传热包括自然对流和强制对流两种情况。对流热阻的大小与流体的性质（如密度、粘度、热导率等）、流动状态（层流或湍流）、流速、换热表面的几何形状和尺寸等因素有关。

对流热阻的计算公式通常为：，

   [K/W]

其中表示对流热阻，是对流换热系数，是换热面积。从公式可以得出，物体的表面积越大，则对流的热阻就越小。对流换流系数 hm 根据对流类型不同而不一样。对于自然対流，温度差越大，对流得到促进，热阻越小。对于强制对流，风速越快，热阻越小。

自然对流

   [W/m2K]

 为常数，取决于流体的边界条件。是温差，L是长度。

强制对流：层流    

   [W/m2K]

强制对流：湍流

   [W/m2K]

是风速。

对流热阻产生的原因主要有：

流体的粘性：粘性较大的流体在流动时内部摩擦力大，热传递效率相对较低，导致热阻增大。

边界层的影响：在流体与固体表面接触的区域会形成边界层，边界层内的流体流速和温度分布会影响热交换，从而产生热阻。

流动状态：层流时流体的混合程度较低，热传递效果不如湍流，热阻相对较大。

例如，在汽车发动机的冷却系统中，如果散热器的翅片间距不合理或者风扇转速不足，导致冷却空气的流速不够，就会增大对流热阻，使发动机散热不良；在空调系统中，如果换热器表面脏污，影响空气与换热器的热交换，也会增加对流热阻，降低空调的制冷或制热效果。

六 辐射热阻

辐射热阻是用于描述辐射传热过程中热流传递阻力的物理量。热辐射的原理与通过分子进行热转移的热传导和对流的原理不同。即使在没有物体或者流体的真空之中，也可以通过热辐射实现热转移。    

在辐射传热中，辐射热阻的表达式为：

   [K/W]

其中  是物体的辐射率，A是物体的表面积。

辐射热阻产生的原因主要是由于物体的辐射率小于 1 ，导致辐射能量的传递不完全。辐射率越高，辐射热阻越小，辐射传热的效果就越好。

例如，在一个封闭的空间中，两个物体进行辐射传热，如果其中一个物体的辐射率较低，那么它的辐射热阻就较大，与另一个物体之间的辐射传热就相对较弱。

又比如，在一些高温工业设备的隔热设计中，通过选择辐射率低的材料来增加辐射热阻，从而减少热量的散失。

从 R公式可以得出为了减小热辐射的热阻，需要增大物体的表面积、或者选择辐射率大的材料。