传热学第一章

第一章、基本内容：一、热量传递的三种基本方式⒈导热 掌握导热系数λ是一物性参数，其单位为w ／(m·K)；它取决于物质的热力状态，如压力、温度等。

⒉对流 掌握对流换热的表面传热系数h 为一过程量，而不像导热系数λ那样是物性参数。

⒊热辐射 掌握黑体辐射的斯蒂藩—玻耳兹曼定律。

二、传热过程与传热系数⒈传热过程 理解传热系数K 是表征传热过程强弱的标尺。

⒉热阻分析1、试分析室内暖气片的散热过程，各环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。

答：有以下换热环节及热传递方式(1)由热水到暖气片管到内壁，热传递方式是对流换热(强制对流)；(2)由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；(3)由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。

二、定量计算本节的定量计算主要是利用热量传递的三种基本方式所对应的定律，即导热的傅里叶定律，对流换热的牛顿冷却公式，热辐射的斯蒂藩—玻耳兹曼定律进行简单的计算。

另外，传热过程、热阻综合分析法及能量守恒定律也是较重要的内容。

1、一双层玻璃窗，宽1.1m ，高1.2m ，厚3mm ，导热系数为1.05W/(m·K)；中间空气层厚5MM ，设空气隙仅起导热作用，导热系数为0.026W/(m·K)。

室内空气温度为25℃。

表面传热系数为20W/(m 2·K)；室外空气温度为-10℃，表面传热系数为15W/(m 2·K)。

试计算通过双层玻璃窗的散热量，并与单层玻璃窗相比较。

假定在两种情况下室内、外空气温度及表面传热系数相同。

解：(1)双层玻璃窗情形，由传热过程计算式：(2)单层玻璃窗情形：显然，单层玻璃窃的散热量是双层玻璃窗的2.6倍。

因此，北方的冬天常常采用双层玻璃窗使室内保温。

2、一外径为0.3m ，壁厚为5mm 的圆管，长为5m ，外表面平均温度为80℃。

200℃的空气在管外横向掠过，表面传热系数为80W/(m 2·K)。

第一章导热理论基础第一节基本概念及傅里叶定律一、基本概念1. 温度场温度场是指某一时刻，物体的温度在空间上的分布。

一般地说，它是时间和空间的函数，对直角坐标系即()=,,,τ(1-1)t f x y z式中t-温度；x y z,,-直角坐标系的空间坐标；τ-时间。

2. 等温面与等温线同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面叫做等温面。

不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇曲线，称为等温线。

图-1-1房屋墙角内的温度场图1-2 温度梯度3. 温度梯度grad tt n n∂=∂ （1-3） 在直角坐标系中，温度梯度可表示为grad k zt j y t i x t t ∂∂+∂∂+∂∂=（1-4） 在圆柱坐标系中，参看图1-3， 温度梯度可表示为grad r z 1t t t t e e e r r zφφ∂∂∂=++∂∂∂ （1-5） 在圆球坐标系中，参看图1-3，温度梯度可表示为grad t =r θ11sin t t t e e e r r r θϕθφ∂∂∂++∂∂∂ （1-6）图1-3 圆柱和圆球坐标系图1-3 圆柱和圆球坐标系4. 热流矢量热流矢量q 在直角坐标系三个坐标轴上的分量为x q 、y q 、z q 。

而且x q q =i +y q j +z q k (1-7)热流矢量q 在圆柱坐标系三个坐标轴上的分量为r q 、q φ、z q ，r r zz q q e q e q e φφ=++(1-8)热流矢量q 在圆球坐标系三个坐标轴上的分量为r q 、q φ、q θ，r r θq q e q e q e φφθ=++ (1-9)二、傅里叶定律g r a d q λ=-t （W/m 2） (1-10)x tq xλ∂=-∂ y tq y λ∂=-∂ （1-11） z t q zλ∂=-∂ r t q r λ∂=-∂ 1t q r λφφ∂=-∂ z t q z λ∂=-∂ (1-12) r t q r λ∂=-∂ 1s i n t q r λθφφ∂=-∂ θ1t q r λθ∂=-∂ （1-13) 第二节 热导率grad qtλ=- （1-14）图1-4 热流矢量和温度梯度图1-5 各类物质热导率的范围273K时部分物质的热导率表1-11．气体的热导率λ=13u lρcv（1-16）图1-6 气体的导热系数1－水蒸汽；2－二氧化碳；3－空气；4－氩；5－氧；6－氮图1-7 氢和氦的导热系数2．液体的热导率液体热导率的数值约在0.07～0.7W/(m ⋅K)范围内。

传热学第一章绪论1.传热学的定义: 研究由于温度差而引起的热能传递规律的科学.2.热流量（heat transfer rate）：单位时间内通过某一给定面积A的热量，记为Φ，单位为 W3.热流密度（或称面积热流量）:通过单位面积的热流量，记为q，单位是 W/m24.稳态过程与非稳态过程稳态过程：热量传递系统中各点温度不随时间而改变的过程非稳态过程：各点温度随时间而改变的过程5.热传导的定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递过程1）导热是物质的固有属性2）固、液、气等均具有一定的导热能力3）纯导热只发生在密实的固体和静止的流体中导热现象的判断？1）有温差；2）密实固体或静止流体6.模型一平壁稳态导热.影响因素:平壁面积,厚度,温差平壁稳态导热的计算公式：7.λ —热导率，又称导热系数.单位：W/(m·K) (热物理参数)8.热对流：流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象特点: 1）发生在流体中2）流体内部必须存在温差3）流体必须有宏观运动4）伴随着热传导9.对流传热：流动的流体与温度不同的固体壁面间的热量传递过程.(热对流的一种方式,传热学研究方式).分类:按流体流动的起因：1）自然对流、自由对流：流体冷、热各部分密度不同而引起的2）受迫对流、强迫对流：流体的流动是在外力（在泵或风机）作用下产生的技巧：给出流体速度的为强迫对流按流体有无相变：1）无相变的对流传热2）有相变的对流传热：沸腾换热、凝结换热10.如何判断对流传热1）发生在壁面和流体之间：参与物质类型2）壁面和流体存在温差：热量传递的前提3）流体要运动：速度体现一定不要遗漏自然对流11.对流传热的计算—牛顿冷却公式（对流传热的热量传递速率方程）当流体被加热时：当流体被冷却时：h-表面传热系数(过程量)，W/(m2·K)13.热辐射：由于自身温度（热）的原因而发出辐射能的现象（heat radiation）1）辐射传热：物体之间因为相互辐射、相互吸收而引起的热量传递过程2）理想物体：绝对黑体，简称黑体（能够全部吸收投射到其表面上辐射能的物体）14.黑体辐射的斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltamann）定律实际物体的辐射能力：注意：1）σ—斯忒藩-玻耳兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4) 2）ε—发射率（emissivity），习惯上也称为黑度，物性参数15.理想模型2—两平行黑体平板间的辐射传热（相距很近，表面间充满了透明介质）16.理想模型3—非凹表面1包容在面积很大的空腔2中注意：1）辐射传热必须采用热力学温度2）注意公式的使用条件3）“动态平衡”的含义（p8）17．导热、对流与辐射的辨析：1）导热、对流只在有物质存在的条件下才能实现；热辐射不需中间介质（非接触性传热）2）辐射不仅有能量的转移，而且伴随能量形式的转换；3）辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程；4）辐射能力与其温度有关，导热、对流与温差有关；导热与对流的辨析：气、液、固均具有导热能力，纯导热只发生在静止的流体中；对流只发生在流动的流体中；18．传热过程：热量由固体一侧的高温流体通过固体壁面传给另一侧低温流体的热量传递过程 。

第一章 导热理论基础本章重点：准确理解温度场、温度梯度、导热系数等基本概念，准确掌握导热基本定律及导热问题的基本分析方法。

物质内部导热机理的物理模型：（1）分子热运动；（2）晶格（分子在无限大空间里排列成周期性点阵）振动形成的声子运动；（3）自由电子运动。

物质内部的导热过程依赖于上述三种机理中的部分项，这几种机理在不同形态的物质中所起的作用是不同的。

导热理论从宏观研究问题，采用连续介质模型。

第一节 基本概念及傅里叶定律1-1 导热基本概念一、温度场(temperature field)（一）定义：在某一时刻，物体内各点温度分布的总称，称为即为温度场（标量场）。

它是空间坐标和时间坐标的函数。

在直角坐标系下，温度场可表示为：),,,(τz y x f t = （1-1）（二）分类：1．从时间坐标分：① 稳态温度场：不随时间变化的温度场，温度分布与时间无关，0=∂∂τt ，此时，),,(z y x f t =。

（如设备正常运行工况） 稳态导热：发生于稳态温度场中的导热。

② 非稳态温度场：随时间而变化的温度场，温度分布与时间有关，),,,(τz y x f t =。

（设备启动和停车过程）非稳态导热：在非稳态温度场中发生的导热。

2．从空间坐标分： ① 三维温度场：温度与三个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),,(),,,(z y x f t z y x f t τ ② 二维温度场：温度与二个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),(),,(y x f t y x f t τ∆tt-∆tgrad t③ 一维温度场：温度只与一个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态，)()(x f t x f t τ 二、等温面与等温线1．等温面(isothermal surface)：在同一时刻，物体内温度相同的点连成的面即为等温面。

2．等温线(isotherms)：用一个平面与等温面相截，所得的交线称为等温线。

为了直观地表示出物体内部的温度分布，可采用图示法，标绘出物体中的等温面（线）。