background image

Rate of heat conduction

in a specified direction:

- proportional to the temperature gradient

- three-dimensional (3D) 

Heat conduction

in a medium:

steady (T = const with time at any point within the 

medium) or unsteady (transient)  (T

≠ const)

- one-dimensional (when conduction is significant only 

in 1D) or 2D / 3D

Heat transfer

has direction and magnitude 

vector character

HEAT TRANSFER – HEAT CONDUCTION  EQUATION

background image

Heat transfer has vector features 

→ direction and 

magnitude at a point. 

Temperature is a scalar quantity.

background image

Indicating directions for heat transfer rate:
- positive (negative) in the positive (negative) x direction

background image

Different coordinate systems for describing the location 

of a point P

background image

(a)

Transient (real) and 

(b)

steady (often used in modelling) heat 

conduction  

→ usual assumption in the case of a typical house:
-

maximum

rate of heat loss under 

worst

conditions for an 

extended period of time.

(b) Steady-state

(a) Transient

1D heat transfer 
in a plane wall

background image

2D heat transfer in a long rectangular bar

MULTIDIMENSIONAL HEAT TRANSFER

x

Q

y

Q

background image

1D heat transfer through the window of a house

In practice – 3D heat transfer often simplified to 1D case

background image

1D Fourier`s law of heat conduction

dx

dT

A

Q

Λ

=

(W)

where:

Λ

Λ

Λ

Λ

- thermal conductivity 

of the material

dT/dx

- temperature 

gradient 

→ slope of the 
temperature curve on 
the T-x diagram 

background image

3D Fourier`s law of heat transfer at point P 

Isothermal surface with 

a normal heat transfer 

vector 

n

Q

n - direction of decreasing T

n

T

A

n

Q

Λ

=

(W)

background image

In rectangular coordinates, the heat conduction vector:

k

z

j

y

i

x

n

Q

Q

Q

Q

r

r

r

+

+

=

where - i, j, k are the unit vectors            

z

y

x

Q

Q

Q

,

,

are the magnitudes of heat transfer rates 
in the x-, y- 
and z-directions, which can 
be determined from Fourier`s law as: 

dy

dT

A

y

y

Q

Λ

=

dz

dT

A

z

z

Q

Λ

=

dx

dT

A

x

x

Q

Λ

=

where A

x

, A

y

, A

z

are heat conduction areas normal to the 

x-, y- and z-directions, respectively. 

For isotropic materials: A

x

= A

y

= A

z

For anisotropic materials: A

x

A

y

A

z

background image

HEAT  GENERATION

- Conversion of electrical, chemical, or nuclear energy 
into heat (or thermal) energy in solid

• Resistance wire 

→ electrical energy generation 

of heat at a rate of 

I

2

R

,

where: 

I

- current

R

- electrical resistance of the wire

→ electronic cooling

• Exothermic chemical reactions 

→ heat source

Endothermic chemical reactions 

→ heat sink

• Fuel elements of nuclear reactors 

→ nuclear fission

→ heat source for the nuclear power plants

Sun

→ nuclear reactor (fusion of hydrogen to helium)

background image

Modelling of absorption of radiation (solar energy or 
gamma rays) 

heat generation

Heat generation - volumetric phenomenon

Thus the heat generation rate       
- specified 

per unit volume 

in W / m

3

g

Total rate of heat generation

in a medium of volume V
can be determined from

dV

V

g

=

In the case of uniform 
heat generation:

V

g

G

=

background image

ONE-DIMENSIONAL  HEAT  CONDUCTION  EQUATION

in a large plane wall

x – thickness

ρ

ρ

ρ

ρ - material density

C - specific heat

A - area normal to 

the direction of 
heat transfer

We consider a thin volume element
with the parameters:

background image

Energy balance

for the thin element during 

a small time interval

t

Rate of heat

conduction

at x

Rate of heat

conduction

at x+

x

Rate of heat

generation

inside the

element

Rate of change 

of the energy 

content of the 

element

_

+

=

t

E

x

x

x

G

Q

Q

=

+

+

or:

x

A

V

T

T

x

CA

T

T

mC

E

E

E

g

g

G

t

t

t

t

t

t

t

t

t

=

=

=

=

=

+

+

+

)

(

)

(

ρ

After substitution and division by A

x:

t

T

T

C

x

x

x

x

A

t

t

t

g

Q

Q

=

+

+

+

ρ

1

background image

In the limit 

→ 0 and 

→ 0:

From Fourier`s law

Λ

=

=

+

x

T

A

x

x

x

x

x

x

Q

Q

Q

x

lim

0

Thus:

t

T

C

x

T

A

x

A

g

=

+

Λ

ρ

1

Since A = const, for 

variable conductivity

Λ

Λ

Λ

Λ:

t

T

C

x

T

x

g

=

+

Λ

ρ

- differential 
equation with 
2 variables (x and t)

background image

Assumption in most practical applications: 

Λ

Λ

Λ

Λ = const

Thus:

t

T

x

T

g

=

Λ

+





α

1

2

2

Under special conditions:

(1) Steady-state (

∂∂

/

∂∂

t = 0):

0

2

2

=

Λ

+





g

x

d

T

d

(2) Transient, no net 

generation (g = 0):

t

T

x

T

=





α

1

2

2

0

2

2

=





x

d

T

d

(3) Steady-state, no heat 
generation (

∂∂

/

∂∂

t = 0 and g = 0):

where: 

α

α

α

α Λ

Λ

Λ

Λ/(ρ

ρ

ρ

ρC)

-

thermal diffusivity

)

/

(

2

s

m

background image

Summary: Simplification of the 1D heat conduction equation 
in a 

plane wall

for the case of constant conductivity for 

steady conduction with no heat generation:

background image

HEAT  CONDUCTION  EQUATION

in a long cylinder

background image

1D steady heat conduction equation (variable r) in 

cylinder

with no heat generation:

background image

HEAT  CONDUCTION  EQUATION

in a sphere

background image

1D steady heat conduction equation (variable r) in 

sphere 

with no heat generation:

2

2

background image

t

T

C

r

T

r

r

r

g

n

n

=

+

Λ

ρ

1

COMBINED 1D HEAT  CONDUCTION  EQUATION

where:
n = 0 for a plane wall

n = 1 for a cylinder

n = 2 for a sphere

background image

Example: Modelling of the heat conduction through the 

bottom of a pan

• Assumption of the large plane wall, 

because

Thus:

1D steady heat conduction 
equation with no heat 
generation:

D = 18 cm

L = 4 cm

x

0

2

2

=





x

d

T

d

L<<

<<

<<

<< D

background image

GENERAL   3D HEAT  CONDUCTION  EQUATION

t

T

C

z

T

z

y

T

y

x

T

x

g

=

+

Λ

+





Λ

+

Λ

ρ

background image

BOUNDARY  AND  INITIAL  CONDITIONS

• Heat transfer in a medium depends on the surface
thermal conditions 

→ importance of 

boundary and initial 

conditions

for a unique solution of a differential equation

• Solving a differential equation 

→ removing derivatives 

(integration)

→ introducing arbitrary constants

Example: steady heat flux

0

2

2

=





x

d

T

d

General solution:

2

1

)

(

C

x

C

x

T

+

=

where C

1

and C

2

are arbitrary constants

• Some specific solutions:

3

)

(

12

)

(

5

2

)

(

=

+

=

+

=

x

T

x

x

T

x

x

T

background image

Problem: Distribution of T along the brick wall 

→ dependence on conditions at the two surfaces:

- air temperature of 

the house

- velocity and direction 

of the wind (convection)

- solar energy incident 

on the outer surface 
(radiation
)

Solving the heat 
conduction equation:

Steady heat flow

boundary conditions

:

T(x=0, t) and T(x=L, t)

Unsteady flow

→ boundary conditions

and 

initial conditions

: T(x, y, z, t = 0)

background image

Special case

Insulated boundary

Insulation

- reducing heat transfer through the wall to 

the negligible level 

0

=

q

Thus: 

0

)

,

0

(

=

Λ

x

t

T

const

t

x

T

=

)

,

(

Problem: Temperature distribution in the wall 

background image

Superinsulations

- by  using  layers  of  highly  reflective  sheets 

separated by glass fibers in an evacuated space.  

Radiation heat transfer between two surfaces is inversely proportional 
to the number of sheets used and thus heat loss by radiation will  be 
very low by using this highly reflective sheets. 

At  the  same  time,  evacuating  the  space  between  the  layers  forms  a 
vacuum  under  0.000001 atm pressure  which  minimize  conduction  or 
convection through the air space between the layers.

Technology of insulation

Ordinary  insulations

- by  mixing  fibers,  powders,  or  flakes  of 

insulating materials with air. 

Heat  transfer through  such  insulations  is  by  conduction  through 
the  solid  material,  and    conduction  or  convection  through  the  air 
space as well as radiation. 

Such  systems are  characterized  by 

apparent  thermal  conductivity

instead of the ordinary thermal conductivity in order to incorporate 
these convection and radiation effects.

background image

Special case

Thermal symmetry

Example: hot plate of thickness L suspended in air 

background image

Combined convection, radiation and heat flux

Example:

The south wall of a house

Data for quantitative modelling

:

L=0.2 m
α

α

α

α = 0.5 - absorptivity for solar energy
T

= 20

o

C, T

1

= 5

o

C

T

sky

= 255 K

h

1

=6 W/(m

2

·

o

C), h

2

= 25 W/(m

·

o

C) - convection 

coefficients (inner and outer surfaces)
Λ

Λ

Λ

Λ = 0.7 W/(m

o

C)

εεεε

2

= 0.9 - emmisivity of the outer surface

Assumption: 
1D steady heat transfer

background image

solar

T

L

T

T

L

T

h

dx

L

dT

q

ky

+

=

Λ

α

σ

ε

]

)

(

[

]

)

(

[

)

(

4

4

2

2

2

- outer - convection, radiation and heat flux

Modelling: T = T(x)

Boundary conditions

:

- inner - only convection

)]

0

(

[

)

0

(

1

1

T

T

h

dx

dT

=

Λ

background image

SUMMARY