杨世铭-陶文铨传热学B第1章

1. 热传导(heat conduction)
(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体 间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒 子热运动而进行的热能传递现象，简称导热。 (2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生 (3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递
量的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度
下，黑体的吸收能力和辐射能力最强。一切实际物体的 辐射能力都小于同温度下的黑体。
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(8)黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律
AT
4
q T 4
实际物体则为： AT 4

：物体的发射率（黑度）
§1.1 传热学的研究内容及其
在科学技术和工程中的应用 1. 传热学的研究内容 (1) 研究由温差引起的热能传递规律的科学（单位
时间内传递热量与物体温差之间的关系，以及不同条 件下物体中各点的温度分布）
具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计 算和测试方法（传递过程中的热能称为热量）
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(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象 (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向 周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形 式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均 有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。
(3) 生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服； c 太阳能传递到地面； d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能 结冰。 2016/4/19 33
0
tw1
dt q
tw1 tw2

q
导热热阻
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t w1 t w 2
conduction resistance

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例
题
1-1
例题 1-1 一块厚度δ =50 mm 的平板， 两侧表面分别维 持在 t 300o C , t 100o C. 试求下列条件下的热流密度。 w1 w2 (1)材料为铜，λ =375 w/(mK );
物体热力学能
辐射能
物体热力学能
c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射辐射能、相互辐
射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射
给高温物体的能量；总的结果是热量由高温物体传递给低温 物体。
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(6) 辐射换热的研究方法：假设一种黑体，研究换热时只 关心热辐射的共性规律，忽略其它因素，然后将真实物 体的辐射与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系 数，从而获得真实物体的热辐射规律。 (7) 黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射能
(5)导热系数 (thermal conductivity) 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种 类和温度有关。
金属 非金属固体 液体 气体
(6)一维稳态导热及导热热阻
如图1-2所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定律
公式，有：

tw 2
q dx
空气自然对流换热
水自然对流换热 空气强制对流换热 水强制对流换热 水沸腾
1～10
200～1000 10～100 100～15000 2500～35000
水蒸气凝结
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5000～25000
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(5)表面传热系数(对流换热系数) （convective heat transfer coefficient）
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(2) 热量传递过程的推动力：温差(temperature difference)
热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源
有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力
(3) 传热学的基本任务
求解热量传递速率( heat transfer rate ) 求解温度分布( temperature distribution )
钢：
tw1 tw2 tw1 tw2


铬砖： q 硅藻土砖： q
tw1 tw2

讨论：由计算可见,由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别, 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导 热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而硅藻土砖则 起到一定的隔热作用。
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a
航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭
推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；
空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器 （Ma=10 ）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电 火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机 b 微电子： 电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器
强化传热，即在一定条件下增加所传递的热量； 削弱传热，即在一定的温差下使热量的传递减到 最小； 温度控制，满足生产产品或设备安全运行要求。

动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核 能、航空航天、微机电系统（MEMS）、纳机电系统（NEMS)、 新材料、军事科学o-eletrome chanical system nano-eletro mechanical system
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工程实例时间尺度
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2. 传热学研究中连续介质的假定
假定所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等 铁块, M1 物理参数都是空间的连续函数。
传热学B
（Heat Transfer）
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※成绩分布

考试成绩 平时成绩
70分 30分
其中，平时成绩含出勤、作业、实验。 ※教材： 《传热学》（第四版） 杨世铭，陶文铨编 高等教育出版社
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作业:

1-9, 1-12, 1-20


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(2)材料为钢， λ =36.4 w/(mK );
(3)材料为铬砖， λ =2.32 w/(mK )； (4)材料为硅藻土砖， λ =0.242 w/(mK )。 解：参见图1-2。 根据一维稳态导热公式有：
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铜：
q q
tw1 tw2

300 100 375 1.5 106 W m2 0.05 300 100 1.46 105 W m2 0.05 300 100 2.32 9.28 103 W m2 0.05 36.4 0.242 300 100 9.68 102 W m2 0.05
官的冷冻保存 d 军 e 制 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温 水源热泵
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f 新 能 源：太阳能；燃料电池
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电子器件冷却
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航天飞行器
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航空母舰
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航空发动机高温 叶片冷却
高压透平工况：
2-4, 2-9, 2-14, 2-18, 2-50, 2-55
3-10, 3-13, 3-21
5-3, 5-8, 5-20
6-7, 6-14, 6-41 8-6, 8-8, 8-20 9-6, 9-23, 9-30
3
第一章 绪 论
CHAPTER 1: Introduction
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4
q — 热流密度 W m 2



2 h — 表面传热系数 W (m K)


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A — 与流体接触的壁面面积 m 2
t w — 固体壁表面温度 C
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t — 流体温度 C

部分表面传热系数的数值范围 对流换热类型 表面传热系数 h ( W / m2K )
热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。
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气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时 发生的能量传递
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(4)导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier:
dt Φ A dx Φ dt q A dx
W W/m2
上式称为Fourier定律，称为导热基本定律，上式是 一维稳态导热时Fourier定律的数学表达式。其中：
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(4)
对流换热的基本计算式——牛顿冷却公式 Newton’s law of cooling
Φ hA(t w t f )
q Φ A h(t w t f )
convective heat transfer coefficient
— 热流量[W]，单位时间传递的热量
h Φ A(t w t )
单位时间内所传递的热量
W (m
2
K)

—— 当流体与壁面温度相差 1度时、每单位壁面面积上、
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等
t t Φ 1 ( hA) Rh t t q 1 h rh
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热辐射(radiative heat transfer)
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生活实例
※为什么水壶的把手要包上橡胶？
※若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20℃， 那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否 一样？为什么？
※暖房子工程的意义？