第一章

緒論§1-0概述一、根本概念1、傳熱學(xué)

傳熱學(xué)是研討熱量傳送規(guī)律的學(xué)科。

1)物體內(nèi)只需存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；

2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。2、熱量傳送過(guò)程根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳送過(guò)程可分為兩類：〔1〕穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；〔2〕非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。1〕穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程〔定常過(guò)程〕凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳送過(guò)程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

2〕非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程〔非定常過(guò)程〕

凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化的熱傳送過(guò)程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

各種熱力設(shè)備在繼續(xù)不變的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熱傳送過(guò)程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改動(dòng)時(shí)的傳熱過(guò)程那么屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。二、講授傳熱學(xué)的重要性及必要性1、傳熱學(xué)是熱工系列課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一，是建環(huán)專業(yè)必修的專業(yè)根底課。能否可以熟練掌握課程的內(nèi)容，直接影響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。2、傳熱學(xué)在消費(fèi)技術(shù)領(lǐng)域中的運(yùn)用非常廣泛。如：(1)日常生活中的例子：a人體為恒溫體。假設(shè)房間里氣體的溫度在夏天和冬天都堅(jiān)持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？b夏天人在同樣溫度〔如：25度〕的空氣和水中的覺(jué)得不一樣。為什么？c北方冰冷地域，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？(1)日常生活中的例子：(2)特別是在以下技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)〔MEMS〕、新資料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…(3)幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的詳細(xì)運(yùn)用a航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器〔Ma=10〕冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭〔電火箭、化學(xué)火箭〕；太陽(yáng)能高空無(wú)人飛機(jī)b微電子：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑煟簧镄酒唤M織與器官的冷凍保管d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥儲(chǔ)存e制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵f新能源：太陽(yáng)能；燃料電池三、傳熱學(xué)的特點(diǎn)、研討對(duì)象及研討方法1〕實(shí)際性、運(yùn)用性強(qiáng)

傳熱學(xué)是熱工系列課程內(nèi)容和課程體系設(shè)置的主要內(nèi)容之一。是一門(mén)實(shí)際性、運(yùn)用性極強(qiáng)的專業(yè)根底課，在熱量傳送的實(shí)際分析中涉及到很深的數(shù)學(xué)實(shí)際和方法。在消費(fèi)技術(shù)領(lǐng)域運(yùn)用非常廣泛。傳熱學(xué)的開(kāi)展促進(jìn)了消費(fèi)技術(shù)的提高。1、特點(diǎn)2)有利于發(fā)明性思想才干的培育

傳熱學(xué)是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的主干專業(yè)課之一，在教學(xué)中注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體位置，啟迪學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在時(shí)間上給學(xué)生留有一定的思想空間。從而進(jìn)一步培育創(chuàng)新的思想才干。對(duì)綜合性、運(yùn)用性強(qiáng)的傳熱問(wèn)題都有詳細(xì)地分析討論。同時(shí)引見(jiàn)了傳熱學(xué)的開(kāi)展動(dòng)態(tài)和前景。從而給學(xué)生開(kāi)辟了寬廣且縱深的思索空間。3〕教育思想發(fā)生了本質(zhì)性的變化

傳熱學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的組織和表達(dá)方面從以往單純的為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)效力轉(zhuǎn)變到重點(diǎn)培育學(xué)生綜合素質(zhì)和才干方面，這是傳熱學(xué)課程實(shí)際聯(lián)絡(luò)實(shí)踐的中心。從實(shí)踐工程問(wèn)題中、科學(xué)研討中提煉出綜合分析題，對(duì)培育學(xué)生處理分析綜合問(wèn)題的才干起到積極的作用。2、研討對(duì)象

傳熱學(xué)研討的對(duì)象是熱量傳送規(guī)律。3、研討方法

研討的是由微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)所決議的宏觀物理景象，而且主要用閱歷的方法尋求熱量傳送的規(guī)律，以為研討對(duì)象是個(gè)延續(xù)體，即各點(diǎn)的溫度、密度、速度是坐標(biāo)的延續(xù)函數(shù)，即將微觀粒子的微觀物理過(guò)程作為宏觀景象處置。

由前可知，熱力學(xué)的研討方法仍是如此，但是熱力學(xué)雖然能確定傳熱量〔穩(wěn)定流能量方程〕，但不能確定物體內(nèi)溫度分布。4、學(xué)習(xí)目的經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)能熟練掌握傳熱過(guò)程的根本規(guī)律、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及分析計(jì)算方法，從而到達(dá)認(rèn)識(shí)、控制、優(yōu)化傳熱過(guò)程的目的。§1-2熱量傳送的三種根本方式一、導(dǎo)熱〔熱傳導(dǎo)〕1、概念定義：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依托分子、原子及自在電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳送稱導(dǎo)熱。如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳送。從微觀角度分析氣體、液體、導(dǎo)電固體與非金屬固體的導(dǎo)熱機(jī)理。〔1〕氣體中：導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果，溫度升高，動(dòng)能增大，不同能量程度的分子相互碰撞，使熱能從高溫傳到低溫處。〔2〕導(dǎo)電固體：其中有許多自在電子，它們?cè)诰Ц裰g像氣體分子那樣運(yùn)動(dòng)。自在電子的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱中起主導(dǎo)作用。〔3〕非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是經(jīng)過(guò)晶格構(gòu)造的振動(dòng)所產(chǎn)生的彈性波來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。〔4〕液體的導(dǎo)熱機(jī)理：存在兩種不同的觀念：第一種觀念類似于氣體，只是復(fù)雜些，因液體分子的間距較近，分子間的作用力對(duì)碰撞的影響比氣體大；第二種觀念類似于非導(dǎo)電固體，主要依托彈性波〔晶格的振動(dòng)，原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)產(chǎn)生的〕的作用。闡明：只研討導(dǎo)熱景象的宏觀規(guī)律。2、導(dǎo)熱的根本規(guī)律1〕傅立葉定律〔1822年，法國(guó)物理學(xué)家〕如圖1-1所示的兩個(gè)外表分別維持均勻恒定溫度的平板，是個(gè)一維導(dǎo)熱問(wèn)題。對(duì)于x方向上恣意一個(gè)厚度為的微元層來(lái)說(shuō)，根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)該層的導(dǎo)熱熱量與當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓始捌桨迕娣eA成正比，即式中是比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號(hào)表示熱量傳送的方向與溫度升高的方向相反。〔1-1〕2〕熱流量單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為，單位w。3〕熱流密度〔面積熱流量〕單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)單位面積的熱量稱為熱流密度，記為q，單位w/㎡。當(dāng)物體的溫度僅在x方向放生變化時(shí)，按傅立葉定律，熱流密度的表達(dá)式為:

闡明：傅立葉定律又稱導(dǎo)熱根本定律，式〔1-1〕、〔1-2〕是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。經(jīng)過(guò)分析可知：〔1-2〕〔1〕當(dāng)溫度t沿x方向添加時(shí)，＞０而q＜０，闡明此時(shí)熱量沿x減小的方向傳送；〔2〕反之，當(dāng)<0時(shí)，q>0，闡明熱量沿x添加的方向傳送。〔3〕導(dǎo)熱系數(shù)λ表征資料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，單位：w/mk。

不同資料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使同一種資料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等要素有關(guān)。金屬資料最高，良導(dǎo)電體，也是良導(dǎo)熱體，液體次之，氣體最小。二、對(duì)流1、根本概念1)對(duì)流：是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳送過(guò)程。對(duì)流僅發(fā)生在流體中，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱景象。2、對(duì)流換熱的分類1〕根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)能否發(fā)生相變分：有相變的對(duì)流換熱和無(wú)相變的對(duì)流換熱。2〕根據(jù)引起流動(dòng)的緣由分：自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。2)對(duì)流換熱：流體流過(guò)一個(gè)物體外表時(shí)的熱量傳送過(guò)程，稱為對(duì)流換熱。1〕自然對(duì)流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。

如：暖氣片外表附近受熱空氣的向上流動(dòng)。2〕強(qiáng)迫對(duì)流：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所呵斥的。3〕沸騰換熱及凝結(jié)換熱：

液體在熱外表上沸騰及蒸汽在冷外表上凝結(jié)的對(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱〔相變對(duì)流沸騰〕。3、對(duì)流換熱的根本規(guī)律<牛頓冷卻公式>流體被加熱時(shí)：流體被冷卻時(shí)：式中，及分別為壁面溫度和流體溫度，℃。〔1-3〕〔1-4〕假設(shè)把溫差〔亦稱溫壓〕記為，并商定永遠(yuǎn)取正值，那么牛頓冷卻公式可表示為其中h—比例系數(shù)〔外表傳熱系數(shù)〕單位。〔1-5〕〔1-6〕

h的物理意義：?jiǎn)挝粶夭钭饔孟陆?jīng)過(guò)單位面積的熱流量。外表傳熱系數(shù)的大小與傳熱過(guò)程中的許多要素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱外表的外形、大小相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。普通地，就介質(zhì)而言：水的對(duì)流換熱比空氣劇烈；就換熱方式而言：有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的；強(qiáng)迫對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流。對(duì)流換熱研討的根本義務(wù)：用實(shí)際分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場(chǎng)所下外表?yè)Q熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。三、熱輻射1、根本概念1〕輻射和熱輻射物體經(jīng)過(guò)電磁波來(lái)傳送能量的方式稱為輻射。因熱的緣由而發(fā)出輻射能的景象稱為熱輻射。2〕輻射換熱輻射與吸收過(guò)程的綜協(xié)作用呵斥了以輻射方式進(jìn)展的物體間的熱量傳送稱輻射換熱。自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱。闡明：輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過(guò)程仍在不停的進(jìn)展，只是輻射熱與吸收熱相等。3〕導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的評(píng)述①導(dǎo)熱、對(duì)流兩種熱量傳送方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才干實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳送，而且在真空中輻射能的傳送最有效。②在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量方式的轉(zhuǎn)化。在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能→輻射能；在吸收時(shí)，輻射能→受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過(guò)程是一種能量互變過(guò)程。③輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過(guò)程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能，④輻射換熱不需求中間介質(zhì)，在真空中即可進(jìn)展，而且在真空中輻射能的傳送最有效。因此，又稱其為非接觸性傳熱。⑤熱輻射景象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。⑥物體的輻射才干與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對(duì)流的根本特點(diǎn)。2、熱輻射的根本規(guī)律：所謂絕對(duì)黑體：把吸收率等于1的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。黑體的吸收和輻射才干在同溫度的物體中是最大的而且輻射熱量服從于斯忒藩——玻耳茲曼定律。黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量服從于斯忒藩——玻耳茲曼定律，即〔1-7〕其中T——黑體的熱力學(xué)溫度K；

——斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)〔黑體輻射常數(shù)〕，其值為；A——輻射外表積m2。實(shí)踐物體輻射熱流量根據(jù)斯忒潘——玻耳茲曼定律求得：

其中Φ——物體本身向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量；

——物體的發(fā)射率〔黑度〕，其值總小于1，它與物體的種類及外表形狀有關(guān)。〔1-8〕

要計(jì)算輻射換熱量，必需思索投到物體上的輻射熱量的吸收過(guò)程，即收支平衡量，詳見(jiàn)第八章。

物體包容在一個(gè)很大的外表溫度為的空腔內(nèi)，物體與空腔外表間的輻射換熱量

〔1-9〕§1-3傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)一、傳熱過(guò)程1、概念熱量由壁面一側(cè)的流體經(jīng)過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過(guò)程稱傳熱過(guò)程。2、傳熱過(guò)程的組成傳熱過(guò)程普通包括串聯(lián)著的三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即：①熱流體→壁面高溫側(cè)；②壁面高溫側(cè)→壁面低溫側(cè)；③壁面低溫側(cè)→冷流體。假設(shè)是穩(wěn)態(tài)過(guò)程那么經(jīng)過(guò)串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量一樣。3、傳熱過(guò)程的計(jì)算〔a〕〔b〕〔c〕針對(duì)穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，即Q=const如圖1-3，其傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，那么其熱流量的表達(dá)式如下：將式〔a〕、〔b〕、〔c〕改寫(xiě)成溫差的方式：〔d〕〔e〕〔f〕三式相加，整理可得:也可以表示成:式中，稱為傳熱系數(shù)，單位為。〔1-10〕〔1-11〕二、傳熱系數(shù)1、概念是指用來(lái)表征傳熱過(guò)程劇烈程度的目的。數(shù)值上等于冷熱流體間溫差℃，傳熱面積時(shí)熱流量的值。K值越大，那么傳熱過(guò)程越強(qiáng)，反之，那么弱。其大小受較多的要素的影響：①參與傳熱過(guò)程的兩種流體的種類；②傳熱過(guò)程能否有相變闡明：假設(shè)流體與壁面間有輻射換熱景象，上述計(jì)算未思索之。要計(jì)算輻射換熱，那么：外表傳熱系數(shù)應(yīng)取復(fù)合換熱外表傳熱系數(shù)，包含由輻射換熱折算出來(lái)的外表傳熱系數(shù)在內(nèi)。其方法見(jiàn)8-4節(jié)。傳熱系數(shù)的表達(dá)式為:〔1-12〕傳熱系數(shù)的表達(dá)式提示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，即它等于組成傳熱過(guò)程諸環(huán)節(jié)的、及之和的倒數(shù)。假設(shè)對(duì)式〔1-12〕取倒數(shù)，還可了解得更深化些。此時(shí)或〔1-13〕〔1-14〕此式與歐姆定律比較，具有電阻之功能。由此可見(jiàn)：傳熱過(guò)程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的熱阻組成。串聯(lián)熱阻疊加原那么：在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳送過(guò)程中，假設(shè)經(jīng)過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相等，那么串聯(lián)熱量傳送過(guò)程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻之和。§1-3傳熱學(xué)開(kāi)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)30年代工業(yè)化革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的開(kāi)展導(dǎo)熱〔Heatconduction〕鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)〔B.T.Rumford,1798年〕兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)〔H.Davy,1799年〕