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冶金传输原理传热学-第一章

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第一章 冶金热力学基础

第一章 冶金热力学基础
当x2、x3、x4很小时，在等温等压条件下按泰勒级数展开：
式中，
ln
xk
B
为组元的活度系数的自然对数随xk的变化率。
实为践常中数发时现，，用一定温 BK度表，示一，定称压为力活，度xA相→1互时作，用系lnxk数B 。
2. 冶金物理化学的发展
2.1 国内
• 陈新民（1912~1992），冶金学家，中国科学院院士，有色金属冶金先驱 ，研究火法冶金、湿法冶金、氯化冶金及熔体热力学理论。 1945年在美国 麻省理工学院获科学博士学位。著名的冶金物理化学家 。
• 1947年与J.Chipman共同发表《H2-H2O混合气体与Fe液中Cr的平衡》 • 他的“金属―氧系热力学和动力学”、“高温熔体物理化学性质”的研究
1. 本课程作用及主要内容
1.1 地位
冶金专业专业基础课程。 普通化学、高等数学、物理化学为基础。 与物理化学相比，更接近于实际应用。 目的：为开设专业课与以后发展作理论准备
物理化学
专业课
（冶金物理化学）
火法冶金特点：一高三多
1.2 作用
• 将物理化学的基本原理及实验方法应用到冶金过程中，阐 明冶金过程的物理化学规律，为控制和强化冶金过程提供 理论依据。
在气相中蒸汽压的关系
2） 活度及活度系数的提出
对于组元i的浓度在xi' xi xi*区间，组元i既不服从拉乌尔定律，也不服从亨利定律。 为了使用这两个定律线性关系的形式描述溶液中组元i的浓度与其在气相中的蒸汽压 的关系，对两个定律进行了修正。
• 拉乌尔定律修正为：pi pi*aR,i pi*( i xi )
第一篇 冶金热力学基础
1.1 概述 1.2 溶液 1.3 冶金反应的焓及吉布斯自由能变

传热学-第一章 绪论

传热学-第一章 绪论
靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热
量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。
(4)导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier:
t
dx
Φ A dt W
dx
q Φ dt
A
dx
W m 2
上式称为Fourier定律，号称导
dt

Q
热基本定律，是一个一维稳态
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）、新材料、军 事科学与技术、生命科学与生物技术… (3) 几个特殊领域中的具体应用
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
(4) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
Convection heat transfer coefficient
(5) 对流换热系数(表面传热系数) （Convection heat transfer coefficient）
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量
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，
， ，
黑体的吸收能力最强
（8）黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律
AT 4
q T 4
1 ）自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引 起流体的流动。

冶金热力学-第一章[1]

冶金热力学-第一章[1]

课程内容
第一章 溶液的热力学性质
第二章 溶液的统计热力学模型
第三章 铁液中溶质的相互作用参数
第四章 铁液中溶质的活度系数
第五章 熔渣的热力学模型(Ⅰ)—经典热力学模型
第六章 熔渣的热力学模型(Ⅱ)—统计热力学模型
第七章 多相多元系平衡计算
第一章 溶液的热力学性质
1.1 溶液及其热力学量
1.2
1.3
i i
（1-6）
dG Gi,m dni
（1-7）
T , P, n j
G (n1 , n2 , )
或
n G
i
i, m
G(n1, n2 , )
（1-8）
方程两边同时微分，并将（1-7）代入，得
G
i ,m
dni ni dGi,m Gi,mdni
（1-9）
两边比较，得
1 2
1 T , P , n2 2 T , P , n1 1 2
强度函数
或强度性质（intensive properties） 特点： 1. 不具加和性。其数值取决于体系自身的特性，与 体系的数量无关。 2. 在数学上是零次齐函数 3. 某种广度性质除以物质的量后成为强度性质（或 两种广度性质相除，由性质1）；两个一次奇函 数相除是零次齐函数。
冶金热力学（2）
郭汉杰 讲授
北京科技大学
教材
冶金物理化学教程
郭汉杰 编著
参考书目
魏寿昆主编，冶金过程热力学，冶金工业出版社，1981
冶金物理化学课程的地位与作用



冶金工程专业本科阶段的必修课； 冶金工程专业本科考研必考课； 冶金工程专业硕士研究生的学位课； 冶金工程专业研究生考博士必考课-专业基础 课； 冶金工程专业攻读博士学位期间必选课； 在未来的工作中非常重要。

传热学-第一章 绪论PPTPPT幻灯片

传热学-第一章 绪论PPTPPT幻灯片
• 工程热力学：研究能量转换的规律以及热能的性质
• 传热学：研究热量传递规律的一门科学， 热量传递的机理、规律、计算和测试方法
• 燃烧学：研究燃烧现象和燃烧机理
• 制冷与低温：用人工的方法在一定时间和一定空 间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度 以下或很低的温度并保持该温度
授课计划 （48学时）
说明：只研究导热现象的宏观规律。
4 、导热的基本规律
1 ）傅立叶定律 （ 1822年，法国数学家Fourier）
如左图所示的两个表面分别维持均 匀恒定温度的平板，是个一维导热 问题。对于x方向上任意一个厚度为 的微元层来说，根据傅里叶定律， 单位时间内通过该层的导热热量与 当地的温度变化率及平板面积A成正 比，即
第一章 绪论（4学时） 第二章 导热基本定律及稳态导热（8学时） 第三章 非稳态导热（6学时） 第四章 导热数值解法基础（2学时） 第五章 单相流体对流换热（8学时） 第六章 凝结与沸腾换热（2学时） 第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（4学时） 第八章 辐射换热计算（6学时） 第九章 传热过程分析与换热器计算（8学时） 成绩权重：考试 70%，作业30％。
c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃， 以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？
d 为什么下雪不冷、化雪冷？
为什么水壶的提把要包上橡胶？
不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油 融解更快？
生产技术领域大量存在传热问题
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
❖ 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍

《传热学》第1章-绪论

《传热学》第1章-绪论
™概念会分析——有思路，给出公式会计算——有 技能；
三、传热学应用实例
● 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
日常生活中的例子：
● 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持 20度，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？
● 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一 样。为什么？
v 1904年他在哥廷根大学（Göttingen University）担任流体力学研究所的所 长，同年他发表了其具有历史意义的关于 边界层的著名论文，奠定了现代流体力学 和空气动力学以及对流换热分析的基础。 在风洞实验技术；机翼理论；湍流理论均 有杰出贡献；
v T. von 卡门是他的学生；
传热学名人-4
v 发展对流换热理论的杰出先 驱：对流换热的无量纲准则， 用实验方法求解对流换热问 题；
v 凝结换热理论解 ； v 层流入口段换热机理研究 ；
传热学名人-5
v 施密特（1892－1975）,出生 于1892年2月11日，是德国的 科学家，工程热物理学，尤其 是传热传质学研究领域的先 驱；
v 他是第一个测量自然对流边界 层的速度场和温度场以及膜态 凝结的当量传热系数的人。
™ 偏微分方程（导热）和偏微分方程组（对流） ™ 数值模拟----差分方程
v 实用性也强；
™ 由实验得出的对流换热的经验公式
对学习方法的建议
v 以方法论学习为主
™课堂上要注意学习建立方程的方法; ™不要去记复杂的公式; ™要记住最基本的公式;
v 对学习效果的要求程度
™合上书忘了——不要紧，但是翻开书就能看懂,能 想起来——基本可以;
q1
=
λ1
tw1
− tw2 δ

传热学-第一章-绪论lujinli

传热学-第一章-绪论lujinli

Summarization
1. 传热学（Heat Transfer）
(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递
的机理、规律、计算和测试方法
(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
Hale Waihona Puke 4 传热过程的分类(Type)
按温度与时间关系 • 稳态传热 Steady State
• 非稳态传热 Unsteady State （Transient）
t f ( x, y, z) t f ( x, y, z, )
安 徽 工 业 大 学
AnHui University of Technology
学生应能利用必需的输入数据计算传热速率和/或 材料的温度 学生必须能确切地描述涉及传热过程或系统中的输 运现象
学生应能构建实际过程和系统的贴切的模型，并通 过分析得出所论过程或系统性能的结论
安 徽 工 业 大 学
Reference Books
AnHui University of Technology
安 徽 工 业 大 学
AnHui University of Technology
导热的基本定律/速率方程(Law/Rate Equations)：
1822年，法国数学家Fourier:
dt q x dx q x t 2 t1
Temperature gradient
t1
• 新能源(new energy)：太阳能；燃料电池
强化传热 削弱传热 温度控制 enhanced heat transfer weaken heat transfer temperature control

第一章 冶金热力学基础

第一章 冶金热力学基础

已知该条件下：
（1）2Al（l）+3/2O2=Al2O3（s）
ΔH1º=-1681 kJ/mol
（2）Al（l）=[Al]
ΔH2º=43.09 kJ/mol
（3）1/2O2=[O]
ΔH3º=-117.1 kJ/mol
解： 将（1）-2×（2）-3×（3），可得题中所求反应式，所以
ΔHº=ΔH1º+2ΔH2º+3ΔH3º=-1243.52 kJ/mol
若体系为隔离体系，则
− dA ≥ 0
（1-41）
式中“=”表示可逆过程，“>”表示不可逆过程，即在等温、等压且不涉及体积功的条
件下，过程自发地向亥姆霍次自由能降低的方向进行。
（3） 吉布斯自由能及等温、等压过程的判据
在 等 温 等 压 条 件 下 ， TdS=d （ TS ）， PdV=d （ PV ）， 故 式 （ 1-37 ） 可 表 示 为
应用盖斯定律，必须注意同一物质在各步中的温度、压力、相态等特性的关联性。
例 在 1600℃，101325PA 下，电炉炼钢用 AL 作脱氧剂，反应如下：
2[Al]+3[O]=（Al2O3）
试求反应的焓变ΔHº。
注：方括号[]表示溶解状态，此处铝溶解与铁液中，物质在另一物质中的溶解过程也
会产生热效应。
1．3 能量守恒----热力学第一定律
一、 热力学第一定律
1、 学第一定律的数学表述
ΔU=Q+W
dU=δQ+δW
（1-1）
符号：Q 表示热能，W 表示体系状态变化所做的功 d 表示微分, δ表示微小变化。
变量δQ 和δW 取决于经过的路径，而 dU 仅取决于始末态
2、 其它几点说明

冶金传输原理 热量传输

冶金传输原理 热量传输

定义和特征 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, 不发生宏观
运动，仅依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递
现象。
6
热量传输概论
导热（热传导）
2. 热 量 传 输 的 基 本 方 式
定义和特征
特征
必须有温差
物体直接接触 不发生宏观的相对位移 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量
IPz ：单位时间从控制体下侧（Z方向）输入控制体的热量。
OP 项：单位时间输出控制体的热量
OPx ：单位时间从控制体右侧（X方向）输出控制体的热量：
Z
OPz
IPy
dz
IPx
OPy 0 dx IPz
OPx dy
X
IPx = qx dydz
Y
32
导
导热微分方程形式
热
Z
OPz
IPy dz
IPx
dy OPy 0 dx IPz
OPx
IPy ：单位时间从控制体后侧（Y方向） 输入控制体的热量。
X
IPy = qy dxdz IPz = qz dxdy
Y
10.1 导 热 基 本 概 念
热
热流量： 单位时间内通过某一给定面积F的热量. 用Q来表示，单位为W。
热流量是表现热量传输速率的一个物理量。
热通量：是指在单位时间内通过单位面积的热量, 亦称热流密度，用q表示单位为: W/㎡ 热流量与热通量的关系：Q= qF.
26
导
傅里叶定律
10.2 傅 里 叶 导 热 定 律
31
导
导热微分方程形式
热
能量衡算方程为：IP—OP + R = S 单位时间控制 体内能的变化

传热学第一章 热量传递的基本方式ppt课件

传热学第一章 热量传递的基本方式ppt课件
爆破学、工厂、物业、商厦与地面建筑的灾害防治技术、通风 与空气调节 、安全管理学等专业知识，这些都与传热相关。
*
太原理工大学
8 / 51
主要体现在以下几个方面
Thermal
➢ 温度场的测算和换热量的计算； ➢ 环境变化对温度场的影响；
➢ 极限温度的控制：为使一些设备能安全经济地运 行，需要对热量传递过程中物体关键部位的温度进 行控制。
*
太原理工大学
24 / 51
（2）对流换热的分类
• 无相变：强制对流和自然对流换热
Thermal
• 有相变：沸腾、凝结、凝固、熔化等。
自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流 体的流动。 如：暖气片表面附近受热空气的向上流动 强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其它压差 作用所造成的。 如油冷却器、空气预热器等。
两黑体表面间的辐射换热
*
太原理工大学
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（6）总 结
Thermal
在实际问题中，这三种热量传递方式往往不是单独 出现的，这不仅表现在互相串联的几个环节中，而 且同一个环节也常常如此。例如: 一块高温钢板在厂 房中的冷却散热。
*
太原理工大学
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（2）辐射换热的特点
Thermal
• 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（热辐射是物体本身的属性，等温时为 动态平衡）；
• 可以在真空中传播，不需要中间介质，而且在真空中 辐射能的传递最有效；
• 不仅有能量的转移，而且还伴随有能量形式的转换；
Thermal
§1-1 传热学的研究对象及其在安全工程 技术中的应用
一、研究对象及内容
研究由温差引起的热量传递规律的科学，具体来讲主要有 热量传递的机理、规律、计算和测试方法，其内容包括：

传热学 第一章

传热学 第一章

第一章热力发电是最主要的发电方式。

(燃煤发电，蒸汽-燃气联合循环发电，核能发电，地热发电，太阳能集热发电) 朗肯循环(最简单理想循环):燃料在锅炉1中燃烧,放出热量,水在锅炉中定压吸热,气化为饱和蒸汽,饱和蒸汽在锅炉过热器2中吸热成为过热蒸汽,蒸汽通过汽轮机3膨胀做功,并有一定的热损失,在汽轮机排气口,蒸汽呈低压湿蒸汽状态,在汽轮机中膨胀做功后的乏汽进入凝汽器5并凝结成水,放出潜热,给水泵将凝结水提高压力并重新泵入锅炉,完成一个循环。

回热循环:效率低得主要原因在于工质平均吸热温度不高,可以提高蒸汽初参数,同时,采用给水回热是有效途径.把汽轮机中做过功的部分蒸汽,逐级抽出来加热给水,减少冷源损失,提高锅炉给水温度,从而提高蒸汽平均吸热温度,循环效率得到改善.中间在热循环:蒸汽初压提高,会引起乏汽的湿度增加,对汽轮机有害.先让新蒸汽进入汽轮机高压缸部分膨胀做功,将做功后的蒸汽引到锅炉的再热器中再热,然后在送到汽轮机的中低压缸部分继续膨胀做功,经过再热,乏汽的干度明显增大,避免了提高初压带来的困难。

分类:做功原理(冲动式和反动式)，热力过程特征（凝汽式，背压式，调整抽汽式，中间再热式）蒸汽压力（低压1.2-2，中压2.1-4高压8.1-12.5超高压12.6-15亚临界15.1-22.5超临界22.1-27超超临界）型号：第一部分表示汽轮机的形式，第二部分表示汽轮机容量，新蒸汽参数，再热蒸汽参数，供热蒸汽参数，第三部分为厂家设计序号。

N：凝汽式，B：背压式，C：一次调整抽气式，CC：二次调整抽气式，CB：抽气背压式，H：船用，Y：移动式。

CC25-8.38/0.98/0.118表示二次调整抽气式汽轮机，功率为25MW，新蒸汽的压力为8.83MPa,第一次调整抽气压力，第二次调整抽气压力。

第四章：蒸汽循环做功的主要4个过程:蒸汽在锅炉中的定压吸热过程,蒸汽在汽轮机中膨胀做功过程,汽轮机排气在凝汽器中定压放热过程,凝结水在给水泵中的升压过程。

第一部分动量传输(绪论与第一章流体性质)

第一部分动量传输(绪论与第一章流体性质)

材料加工冶金传输原理Principles of Transport Phenomena in Materials Processing第一部分动量传输（流体动力学）第一章绪论(1学时)（可参考“[流体力学网络教程].上海交大.丁祖荣主编”）前言一、冶金传输原理的课程性质该课是冶金工程类专业基础课程。

其特点是运用到较多高等数学方面知识，课程难度较高，该课与冶金原理、金属学共同构成专业基础核心课程。

二、冶金传输原理课程的内容顾名思义，冶金传输原理主要是研究和分析冶金过程传输规律、机理和研究方法。

主要内容包括冶金过程动量的传递（流体流动行为）、热量传递和质量传递三大部分。

冶金过程热量、质量和动量的传递决定对象的流动、混合状态，并通过影响温度和浓度分布而影响、决定化学反应进程。

传输原理在冶金过程中的应用，使冶金物理过程得到深入而定量的求解。

使人们对物理过程表面现象的判断和粗略的估计逐步转化为由理论分析和数值计算得到的本质问题的定量解答。

三、传输现象在冶金过程中普遍性及重要性传质：大多数冶金过程都是高温、多相条件下进行的物理化学过程。

每一个化学反应都包含以下反应步骤：①反应物向反应面（反应区域）的运动（传输、传递、输运）②在反应区域（反映界面）发生化学反应③化学反应产物的排出（传输）在以上三步骤中速率（速度）最慢的一步将限制（控制）化学反应的速率——化学反应的限制性环节（瓶颈）。

以后冶金原理会告诉我们，冶金反应大都不受化学反应速率的影响（第二部非限制性环节），即反应物或产物 (主要是反应物) 的运动 (传输) 将控制整个化学反应的进程。

在此，主要是质量传递。

为使化学反应高效、快速进行，必须采取措施加速质量传递，这就要研究质量传输的机理，讨论研究方法。

传热：冶金过程一般是高温过程，这就要求我们调整和保持冶金容器（反应器）内温度，从而有必要对热量传递和温度分布进行研究。

传动量：冶金过程离不开气体、液体（统称为流体），它们的流动状况（速度、分布）对质量传递和热量传递构成影响，且一般情况下又控制其它两项的传输过程，这就要求我们对动量传递（主要指速度、速度分布）进行研究。

传输原理01

传输原理01
材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院一三种传输的基本规律菲克定律菲克定律dy傅立叶定律傅立叶定律dydt牛顿粘性定律牛顿粘性定律dydv材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院二三种传输现象的类似性三种传输现象的类似性11数学表达式数学表达式相似相似质量热量动量扩散系数通量质量热量动量浓度梯度2扩散系数扩散系数具有相同的因次单位均为具有相同的因次单位均为mm223扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量热量和质量
现象方程： 现象方程：通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程
`
2009@合肥工业大学材料学院
材料加工冶金传输原理
第二节 传输过程的研究方法 传输过程是物理过程， 传输过程是物理过程，它的研究方法和物理学 中其它领域的研究方法一样有三种方法。 三种方法 中其它领域的研究方法一样有三种方法。
理论研究 实验研究 数值计算
材料加工冶金传输原理
`
2009@合肥工业大学材料学院
二、傅立叶定律（Fourier’s law） 傅立叶定律（Fourier s law）
均匀的、各向同性的材料中，存在稳定的一维温度场，通过导热 均匀的、各向同性的材料中，存在稳定的一维温度场， 的方式传输热量如下图所示。 的方式传输热量如下图所示。
首先介绍一些基本概念
传输：物理量在某一条件下的传递、输送。 传输：物理量在某一条件下的传递、输送。
传输的普遍性：许多工程领域都存在。 传输的普遍性：许多工程领域都存在。
传输过程：物理量从非平衡态到平衡态转移的过程。 传输过程：物理量从非平衡态到平衡态转移的过程。 平衡态：系统内具有强度性质的物理量不存在梯度； 平衡态：系统内具有强度性质的物理量不存在梯度； ， 本课程中研究的物理量 动量、热量和质量， 物理量为 本课程中研究的物理量为动量、热量和质量 非平衡态：具有强度性质的物理量在系统内存在梯度。 非平衡态：具有强度性质的物理量在系统内存在梯度。
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（9） 两黑体表面间的辐射换热
A (T14 T24 )
T1
T2



4 T1


图1－7
T24


q12 (T14 T24 )

两黑体表面间的辐射换热
例
•
题
1-2
一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平
均温度及空气温度分别为
外表面的发射率
定律有：
t
t w1
q dx
0

tw 2
tw1
dt q
tw1 tw2

dx
dt (q ) dx

Q
tw2
dt
t w1
q

t w2
0

x
q
t w1 t w 2

t r t R
t
t w1
dt
dx
Q Φ

t w1 t w 2
A
关于几个问题的讨论
1、传输现象的本质是什么？ 2、冶金过程中的传输现象？ 3、动量传输与热量传输有联系吗？ 4、你对热量传输的直观认识如何？
第一章 绪 论
§1-0 概 述
1. 传热学（Heat Transfer）
(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递 的机理、规律、计算和测试方法
稳态过程通过串联环节的热 流量相同。
3 、传热过程的计算
针对稳态的传热过程，即 Φ=const 传热环节有三种情况，则其热流量的表达式 如下：
Ah1 t f 1 t w 1 A


（a）

t w1 t w 2
（b）
（c）
Ah2 t w 2 t f 2

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。
，
物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，
黑体的吸收能力最强 (8)黑体辐射的控制方程：
Stefan-Boltzmann 定律
，
Q A T 4
q T 4
AT 4 真实物体则为：
Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his life's work was in vain.
(2) 热量传递过程的推动力：温差
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
2. 传热学与工程热力学的关系
热力学研究平衡体系，应用热力学，可以预计体系由一 个平衡态到另一个平衡态需要多少热量，无法指出这一 变化有多快，因为在变化中体系是不平衡的。 为了说明这个问题，考滤水中热钢棒的冷却问题，热力 学可以预计钢棒-水这一体系的最终平衡温度，但不能告 诉我们需要经过多长时间才能达到这一平衡态，或者到 达平衡态的某一时刻，钢棒或水的温度是多少？ 应用热量传输就可预计出钢棒和水的温度随时间的变化 规律。而后者是以经验定律基础的，故我们说传热学以 经验定律（能够确定传热学速率的）补充了热力学第二 定律。所谓传热速率即单位时间内传递的热量。即热流 量。
q

t w2
铜：
q q
tw1 tw2

300 100 375 1.5 10 6 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 10 2 W m2 0.05
时予以考虑。
§1-2 传热过程和传热系数
1.2.1、传热方程式
1 、概念
热量由壁面一侧的流体通 过壁面传到另一侧流体中 去的过程称传热过程。
对流 导热 对流
辐射
2 、传热过程的组成
一般包括串联的三个环节： ① 热流体 → 壁面高温侧； ② 壁面高温侧 → 壁面低温侧；
③ 壁面低温侧 → 冷流体。
Heat Transfer , by J.P.Holman Fundamentals of Heat Transfer, DeWitt by F. P. Incropera, D.P.
• 《冶金传输原理》张先棹编著，冶金工业出版社
考察与考核
考勤+作业+课堂讨论+考试
考勤：课堂提问和点名； 作业：3-4次作业，包括问答题、计算题和小论文 课堂讨论：组织1次课堂研讨； 考试：期末考试。
3 、热量传递过程
根据物体温度与时间的关系，热量传递过
程可分为两类：
（ 1 ）稳态传热过程；
（ 2 ）非稳态传热过程。
1 ）稳态传热过程（定常过程）
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传 递过程均称稳态传热过程。
2 ）非稳态传热过程（非定常过程）
凡是物体中各点温度随时间的变化而变 化的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行 时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、 停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传 热过程。
将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形 式：
t f 1 t w1 t w1 t w 2 tw2 t f 2
0
dt

Q
x
上式称为Fourier定律（导热基本定 律），是一个一维稳态导热。其中：
图1-2
一维稳态平板内导热
Q：热流量，单位时间传递的热量[W]；
q：热通量，单位时间通过单位面积传递的热量； A：垂直于导热方向的截面积[m2]；
：导热系数（热导率）[W/( m K)]。
(5)
导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种 类和温度关。 金属 非金属固体 液体 气体 (6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图1-3所示，稳态 q = const，于是积分Fourier
c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)对流换热的分类
无相变：强迫对流和自然对流
有相变：沸腾换热和凝结换热
图1-4
对流换热中边界层的示意图
(4)
对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
Q A(tw t )
qQ A
W
(tw t f ) W m 2
第二篇
冶金传输原理－－热量传输部分
（Heat Transfer）
参
• • 《传热学》 戴锅生，第二版 • 《对流换热》 V. S. 阿巴兹 • 《辐射换热》 余其铮编著
考
书
教材: 《传热学》 杨世铭、陶文铨编著，第三版
•
• •
Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills
§1.1 热量传递的三种基本方式
热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流) 和热辐射。
1 导热（热传导）(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量传递现象
(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生
面与室内物体及墙壁之间的辐射为：
ql ,r d (T14 T24 )
3.14 0.583 5.67 10 8 0.9 [( 48 273) 4 (23 273) 4 ] 274 .7(W / m)
讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表 面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同
t rh
t Rh
Rh 1 ( A)
[ C W]
2

rh 1
[m C W ]
Thermal resistance for convection
3
热辐射(Thermal radiation)
(1) 定义：有热运动产生的，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。
c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、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；总的结果是热由高温传到低温
(6)
辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐
射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射 则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的
t dx
(1) 材料为铜，λ =375 W/(mK );
(2) 材料为钢， λ =36.4 W/(mK );
(3) 材料为铬砖， λ =2.32 W/(mK )；
t w1
dt

Q
tw2
(4) 材料为铬藻土砖， λ =0.242 W/(mK )。
解：参见图1-3。 及一维稳 态导热公式有：