第八章 热量传递的基本方式
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传热学主要知识点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。
2.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热量;d 在引力场下单纯的导热一般只发生在密实的固体中。
3.对流(热对流)(Convection)的概念。
流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间,由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
4对流换热的特点。
当流体流过一个物体表面时的热量传递过程,它与单纯的对流不同,具有如下特点:a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 5.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。
[]W )(∞-=t t hA Φw []2m W )( f w t t h AΦq -==6. 热辐射的特点。
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。
7.导热系数, 表面传热系数和传热系数之间的区别。
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。
表面传热系数: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。
影响h因素:流速、流体物性、壁面形状大小等。
传热系数:是表征传热过程强烈程度的标尺,不是物性参数,与过程有关。
常温下部分物质导热系数:银:427;纯铜:398;纯铝:236;普通钢:30-50;水:0.599;空气:0.0259;保温材料:<0.14;水垢:1-3;烟垢:0.1-0.3。
8.实际热量传递过程:常常表现为三种基本方式的相互串联/并联作用。
9.复杂传热过程Upside surface: adiabaticDownside surface: adiabatic xair LL 2L A/4A/4A/2第一章导热理论基础1傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的意义。
热量传递的三种基本方式热量传递是在物质中传递热能的过程。
在自然界中,热量会通过不同的方式在物体之间传递,从而调节温度和能量分布。
本文将介绍热量传递的三种基本方式:传导、对流和辐射。
1. 传导传导是热量通过直接接触的方式从一个物体传递到另一个物体的过程。
在传导中,热量从高温区域传递到低温区域,直到两个物体的温度达到平衡。
这种传递是通过物质内部分子间的碰撞和能量传递实现的。
导热性能是一个物质传导热量的重要性能指标。
导热性能取决于物质的热传导系数、形状和温度梯度等因素。
例如,金属具有良好的导热性能,因此常被用于传导热量的材料。
相比之下,绝缘材料的导热性能较差,能够阻碍热量的传递。
2. 对流对流是热量通过流体介质传递的方式。
在对流中,热量通过流体流动的方式从一个区域传递到另一个区域。
流体可以是气体或液体,其流动可以通过自然对流或强迫对流两种方式进行。
自然对流是指由于温度差异引起的流体流动。
当一个区域的温度升高,流体会膨胀变得轻,然后上升;而在另一个区域,流体则会冷却并变得密,然后下沉。
这样的循环运动将热量从热源传递到周围环境。
强迫对流是通过外部的力或设备施加到流体上,使其流动来传递热量。
例如,在散热器中,通过电风扇引导空气流动,加速热量的传递。
这种对流的传热速度通常比自然对流更快。
3. 辐射辐射是通过电磁波的传播而传递热量的方式。
辐射无需介质,可以在真空中传播。
在辐射中,热量以电磁波的形式从高温物体传递到低温物体,不需要任何介质来传递能量。
光和红外线是最常见的热辐射形式。
热辐射的传热能力受到物体的表面特性和温度的影响。
黑体是一种理想化的物体,它对所有入射辐射都能完全吸收,并能以相同的速率发射出辐射。
斯蒂芬-波尔兹曼定律描述了黑体辐射能量与其温度的关系,即辐射功率与温度的四次方成正比。
根据这个定律,温度越高的物体辐射的能量越多。
总结热量传递的三种基本方式分别是传导、对流和辐射。
传导通过物质内部的分子碰撞传递热量,对流通过流体介质的流动传递热量,而辐射则是通过电磁波的传播来传递热量。
热传递有热传导、热对流和热辐射三种基本方式。
热传导与热对流都需要一个中间介质,而热辐射则不需要。
热量从火焰传递到可燃物上,会导致可燃物热解、碳化或者起火。
热量传递的驱动力是能量差(温差),即热量总是从高温向低温物体传递。
一、热传导热传导属于接触传热,大量分子、原子或电子的互相撞击,使能量从物体温度较高部分传至温度较低部分的过程。
同时加热一段铜管(左)、钢管(右),7分钟后,左边的铜管温度上升至96℃,右边的钢管上升至30.6℃,这主要是因为这两种材料的导热系数不相同。
导热系数是物质导热能力的量度,又称热导率。
例如,铜的导热系数是387W/mK,钢的导热系数是45.8W/mK,而聚氨酯泡沫是0.034W/mK(常用于冷冻仓库)。
在这三者里面,铜是最佳的导热体,聚氨酯泡沫是导热性能最差的导热体,也是热的绝缘体。
二、传导热通量单位时间传递的热量可以用热通量表示,热通量也叫热流,表示热能传递的速率。
流经导热体的热通量(热能/单位面积)取决于以下要素:温差:温差越大,热传导速率越大(热流密度大)传导距离:热传导距离越短,热传导率/单位面积(热流密度)越高,距离越长,热传导率/单位面积(热流密度)越低。
材料的导热系数:导热系数越高,热传导率/单位面积越高(热流密度越大)。
在火场中,我们通常会通过门把手来预判屋内温度(建议用热成像仪),主要就是因为门把手通常都是铜制品,导热系数高。
三、热对流热对流是指在流体流动进程中发生的热量传递的现象。
它是室内火灾早期热传递的主要方式,热烟气(热对流)能向各个方向传递热量。
例如给水加热,首先底部附近的水被加热,被加热的流体上升,较冷的水下沉取代它。
火灾中产生的热气和它们流过的气体表面会发生对流传热,气体的流速越高,对流换热的速率越大。
对流换热主要有两种形式:自然对流和强迫对流。
在自然对流中,气体在材料上流动的速度是由于气体表面和气体之间的温差所产生的浮力引起热气流的流动。
上图为自然对流,我们可以看到烟气热对流对泡沫的影响。
热传递的三种基本形式为:热传导、热辐射和热对流。
只要在物体内部或物体间有温度差存在,热能就必然以以上三种方式中的一种或多种从高温到低温处传递。
对于固体热源,当它同周围媒质温度差不很大时(约50°C以下),热源向周围媒质传递的热量可由牛顿冷却
热传递的三种基本形式为:热传导、热辐射和热对流。
只要在物体内部或物体间有温度差存在,热能就必然以以上三种方式中的一种或多种从高温到低温处传递。
对于固体热源,当它同周围媒质温度差不很大时(约50°C以下),热源向周围媒质传递的热量可由牛顿冷却定律来计算。
热传递的基本方式
热传递有三种方式:传导、对流和辐射.
传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分,叫做传导.
热传导是固体中热传递的主要方式.在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生.各种物质都能够传导热,但是不同物质的传热本领不同.善于传热的物质叫做热的良导体,不善于传热的物质叫做热的不良导体.各种金属都是热的良导体,其中最善于传热的是银,其次是铜和铝.瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体.最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质.液体中,除了水银以外,都不善于传热,气体比液体更不善于传热.
对流靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流.
对流是液体和气体中热传递的主要方式,气体的对流现象比液体更明显.
利用对流加热或降温时,必须同时满足两个条件:一是物质可以流动,二是加热方式必须能促使物质流动.
辐射热由物体沿直线向外射出,叫做辐射.
用辐射方式传递热,不需要任何介质,因此,辐射可以在真空中进行. 地球上得到太阳的热,就是太阳通过辐射的方式传来的.
一般情况下,热传递的三种方式往往是同时进行的.。
第八章 热量传递的基本概念2.当铸件在砂型中冷却凝固时,由于铸件收缩导致铸件表面与砂型间产生气隙,气隙中的空气是停滞的,试问通过气隙有哪几种基本的热量传递方式?答:热传导、辐射。
注:无对流换热3.在你所了解的导热现象中,试列举一维、多维温度场实例。
答:工程上许多的导热现象,可以归结为温度仅沿一个方向变化,而且与时间无关的一维稳态导热现象。
例,大平板、长圆筒和球壁。
此外还有半无限大物体,如铸造时砂型的受热升温(砂型外侧未被升温波及)多维温度场:有限长度的圆柱体、平行六面体等,如钢锭加热,焊接厚平板时热源传热过程。
4.假设在两小时内,通过152mm ×152mm ×13mm (厚度)实验板传导的热量为 837J ,实验板两个平面的温度分别为19℃和26℃,求实验板热导率。
解:由傅里叶定律可知两小时内通过面积为152×152mm 2的平面的热量为873=-36002101326191015210152333⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯---λ 得 C m W 03/1034.9*⨯=-λ 第九章 导 热1. 对正在凝固的铸件来说,其凝固成固体部分的两侧分别为砂型(无气隙)及固液分界面,试列出两侧的边界条件。
解:有砂型的一侧热流密度为常数,故为第二类边界条件,即τ>0时),,,(nt z y x q T =∂∂λ 固液界面处的边界温度为常数, 故为第一类边界条件,即τ>0时Τw =f(τ)注:实际铸件凝固时有气隙形成,边界条件复杂,常采用第三类边界条件3. 用一平底锅烧开水,锅底已有厚度为3mm 的水垢,其热导率λ为1W/(m · ℃)。
已知与水相接触的水垢层表面温度为111 ℃。
通过锅底的热流密度q 为42400W/m 2,试求金属锅底的最高温度。
解:热量从金属锅底通过水垢向水传导的过程可看成单层壁导热,由公式(9-11)知 =∆T -=-121t t t 111℃, 得 1t =238.2℃4. 有一厚度为20mm 的平面墙,其热导率λ为1.3W/(m·℃)。
第八章 热量传递的基本方式英文习题1. Heating of a copper ballA 10-cm-diameter copper is to be heated from 100℃ to an average temperature of 150℃ in 30 minutes. Taking the average density and specific heat of copper in this temperature range to be ρ=8950 kg/m 3 and C p =0.395 kJ/kg.℃, respectively. Determine (a) the total amount of heat transfer to the copper ball; (b) the average rate of heat transfer to the ball; (c) the average heat flux.2. Heating of water in an electric teapotteapot1.2 kg of liquid water initially at 15℃ to be heated to 95℃ in aequipped with a 1200 W electric heating elementinside(Figure.8-2).The teapot is 0.5 kg and has an average specific heat of 0.7kJ/kg.℃. Taking the specific heat of water to be 4.18 kJ/kg.℃ and disregarding any heat loss from the teapot, determine how long itwill take for the water to be heated. 3. Heat loss from heating ducts in a basementA 5-m-long section of an air heating system of a house passes through an unheated space in the basement (Fig.8-2). The cross-section of the rectangular duct of the heating system is 20 cm×25 cm. Hot air enters the duct at 100 kPa and 60℃ at an average velocity of 5m/s. The temperature of the air in the duct drops to 54℃ as a result of heat loss to the cool space in the basement. Determine the rate of heat loss from the air in the duct to the basement understeady conditions. Also, determine the cost of this heat loss per hourif the house is heated by a natural gas furnace that has anefficiency of 80 percent, and the cost of the natural gas in thatarea is$0.60/therm (1therm=105.500 kJ). 4. The cost of heat loss through the roofThe roof of an electrically heated home is 6 m long, 8 m wide, and 0.25 m thick, and is made of a flat (Fig. 8-3). layer of concrete whose thermal conductivity is λ=0.8 W/m.℃On a certain winter night, the temperature of the inner andthe outer surfaces of the roof are measured to be about 15℃ and 4℃,respectively, for a period of 10 hours. Determine (a) the rateof heat loss through the roof that night and (b) the cost of that heatloss to the home owner if the cost of electricity is $0.08./kWh.5. Measuring the thermal conductivity of amaterialA common way of measuring the thermal conductivity of a material is to sandwich an electric thermofoil heater between two identical samples of the material, as shown in Fig. 8-4. The thickness of the resistance heater, including its cover, which is made of thin silicon rubber, is usually less than 0.5mm. A circulating fluid such as tap water keeps the exposed ends of the samples at constant temperature. The lateral surfaces of the samples are well insulated to ensure that heat transfer through the samples is one-dimensional. Two thermocouples are embedded into each sample some distance L apart, and a differential ther mometer reads the temperature drop ΔT across this distance along each sample. WhenFIGURE 8-1FIGURE 8-2FIGURE 8-3steady operating conditions are reached, the total rate of heat transfer through both samples becomes equal to the electric power drawn by the heater, which is determined by multiplying the electric current by the voltage.In a certain experiment, cylindrical samples of diameter 5cm and length 10cm are used. The two thermocouples in each sample are placed 3cm apart. After initial transients, the electric heater is observed to draw 0.4A at 110V, and both differential thermometers read a temperature difference of 15℃. Determine the thermal conductivity of the sample.6. Measuring convection heat transfer coefficientA 2-m-long, 0.3-cm-diameter electrical wire extends across a room at 15℃, as shown in Fig 9-5. Heat is generated in the wire as a result of resistance heating, and the surface temperature of the wire is voltage measured to be 152℃ in steady operation. Also, thedrop and electric current through the wire are measured tobe 60V and 1.5A, respectively. Disregarding any heat transfer byradiation, determine the convection heat transfer coefficient for heattransfer between the outer surface of the wire and the air in the room.7. Radiation effect on thermal comfortIt is a common experience to feel “chilly” in winter and “warm” in summer in our homes even whe n the thermostat setting is kept the same. This is due to the so called “radiation effect” resulting from radiation heat exchange between our bodies and the surrounding surfaces of the walls and the ceiling.all times. Consider a person standing in a room maintained at 22℃ atThe inner surfaces of the wall, floors, and the ceiling of the houseare observed to be at an average temperature of 10℃ in winter and25℃ in summer. Determine the rate of radiation heat transfer betweenthis person and the surrounding surfaces if the exposed surface areaand the average outer surface temperature of the person are 1.4m 2 and30℃, respectively (Fig.8-5).8. Heat transfer between two isothermal platesConsider steady heat transfer between two large parallel plates at constant temperatures of T 1=300K and T 2=200K that are L=1cm apart, as shown in Fig 8-5. Assuming the surfaces to be black (emissivity ε=1), determine the rate of heat transfer between theplates per unit surface area assuming the gap between the plates is(a)filled with atmospheric, (b) evacuated, (c) filled with urethaneinsulation, and (d) filled with superinsulation that has an apparentthermalconductivity of 0.00002 W/m.℃.工程热力学与传热学第八章 热量传递的基本方式 习题 习 题 FIGURE 8-4FIGURE 8-5FIGURE 8-61.试说明热传导,热对流和热辐射三种热量传递基本方式之间的联系与区别。