传热学的发展与应用

传热学大作业

传热学的发展与应用

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2013-05-04

摘要：简要介绍传热学的重要性与发展，然后从导热、对流和热辐射三方面详细介绍了传热学的建立与发展历程。概述传热学在生活生产中的应用，接着分别从传统工业与高新技术领域两方面介绍传热学的具体应用。

关键词：传热学发展应用

正文

能源是人类存在的基石，也是人类文明的动力。热量是能源利用过程中最主要的物质，传热学则是研究因温度差异引起的热量传递过程的一门学科。由此可见，传热学的发展关系到热量的利用，关系到能源的应用，传热学是人类文明中的伟大创造。

事实上，传热学现象在我们的生活中司空见惯，早在人类文明最开始的时候就学会烧火取暖，燃火做饭，燃煤锻造兵器等等，可见我们智慧非凡的祖先善于利用传热来服务生产生活。但是关于传热问题，从来没有形成具体的理论体系，这是因为没有强有力的推动力的因素。直到工业革命前后的那段时间，传热学的发展才渐渐形成较为完整的理论体系。那是因为工业革命促进传热学研究的发展，反过来传热学的发展有大大推动工业生产的发展，二者相辅相成相互促进。

热量传递有三种方式，包括导热，对流，热辐射。这三种传热方式的理论建立与发展经过了无数科学家的不断努力。传热学的发展是一门跨行业跨专业的基础性交叉学科，它的发展依赖于数学、热力学、流体力学和量子力学以及测量技术的发展。

1798年伦福特钻炮筒大量发热的实验和1799年戴维两块冰块摩擦生热化为水的实验，确认热来源于物体本身内部的运动。1804年毕渥根据实验提出每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚。傅里叶利用数学工具，提出了求解场微分方程的分离变量法并将解表示成一系列任意函数的概念，发表了著名论著“热的解析理论”，奠定了导热理论的基础。在傅里叶之后，雷曼、卡斯劳、耶格尔和亚科布等学者在于导热理论求解领域做出了巨大的贡献。

流体的不可压缩性，斯托克斯方程及改进方程，雷诺数，紊流层流等流体流动的理论的提出为对流换热奠定了基础。十八世纪末十九世纪初，提出洛仑兹自然对流的理论解，格雷茨和努谢尔特管内换热的理论解及努谢尔特凝结换热理论解。1921年波尔豪森从普朗特的边界层概念中引出热边界层的概念，之后他与施密特及贝克曼合作，成功求解了竖壁附近空气的自然对流换热。湍流计算模型的发展也大大促进了对流换热的发展。普朗特、卡门马丁纳利、麦克亚当、贝尔特和埃克特也为对流换热的发展做了很大的贡献。

1889年卢默等人测得黑体辐射光谱能量分布的实验数据。19世纪末斯蒂芬(J，Stefan)实验提出玻耳兹曼理论论证的四次方定律。之后，维恩、瑞利、金斯先后提出的理论遭遇了“紫外灾难”。1900年普朗克提出能量子假说，确立了普朗克定律正确地揭示了黑体辐射

能量光谱分布的规律，奠定了热辐射理论的基础。1859和1860年基尔霍夫解答了物体的发射率与吸收比之间的关系问题，1935年波略克借鉴商务结算提出的净辐射法、1954年霍特尔提出、1967年又加以改进的交换因子法以及1956年奥本亥姆提出的模拟网络法为物体间辐射换热的计算方法做出贡献。

科学家之所以花费这么多的经历去研究传热问题是因为传热问题关系到人类文明的发展，关系到国计民生的发展，关系到资源的有效利用。

传热学的应用无处不在，包括能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等传统工业，航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域。同时随着理论试验研究与生产生活的结合，又衍生出相变与多相流传热、(超)低温传热、微尺度传热、生物传热等许多交叉分支学科。

传热学在传统的工业中的应用主要是与各加热器与冷却塔等工艺有关，通过研究传热问题，减低能耗提高效率，提高质量。在该文中主要以传热学在机械行业中的应用为例加以说明。在铸造、焊接、金属热处理等常规机械加工工艺过程中，分析金属与铸型在不同条件下热量传递，铸件温度场分布，液态金属与砂型的热物理性质，温度分布在金属收缩规律作用以及热裂、热应力变形、冷裂等缺陷的成因，焊接过程中金属温度的分布、热量的传导，金属热处理温度与金属表面质量的关系，不同热处理工艺对金属性质的影响等等，这其中存在大量的非稳态导热、移动边界的固液相变传热以及各类对流换热问题。尤其指出，在精密机械和精密仪器的制造和使用过程中，热应力和热变形量的预测、修正及控制也同样有赖于传热原理的指导。

在高新技术领域，传热学也起到非常大的作用。随着科技的发展的各个学科的交叉程度日益加深，传热学在各个高新技术中所扮演的角色可能都是配角，但是没有配角，无法形成精彩的戏剧。在航空航天的发展领域，由于航天器航空器需要在大气中高速飞行，应运而生的热防护系统则成为一个重难点，只有充分利用传热学的知识为基础才能解决此问题；多孔介质因其性能良好的强化传热介质和隔热性能得到人类的关注，利用它们可制造强化传热设备或极低温环境的超级隔热材料；生物学传热的研究则为开发各种热疗和热诊断用的仪器设备提供理论依据；计算机芯片的传热问题的研究为微电子元器件的发展做出来很好的表率；红外辐射不仅应用于工业加热和物料干燥，而且在于测试方面表现了巨大的优越性；关于局部水域“热污染”的研究讲有助于解决部分环境问题；在于军事领域的关于传热学的应用也数不胜数等等。

传热学在传统工业与高新技术领域都起到了非同凡响的作用，当代的科学家在先辈研究的基础上继续开拓创新，根据生活生产进行更为具体的研究，不断将研究成果应用到生活生产中，为人类文明的发展做出了伟大的贡献。

参考文献

[1] 杨世铭.传热学基础.高等教育出版社.2010-9

[2] J.P.Holman .Heat Transfer.机械工业出版社.2011-9

[3] 赵镇南.传热学.高等教育出版社.2002-7

[4] 柴立和蒙毅彭晓峰.传热学研究及其未来发展的新视角探索[J].自然杂志.1999-1