传热学课后习题答案(第四版)

第四版传热学复习题答案1. 什么是傅里叶定律？它在传热学中有什么应用？答：傅里叶定律是描述热传导过程中热量传递速率的物理定律。

它表明热量传递速率与温度梯度成正比，与导热面积和材料的热导率有关。

在传热学中，傅里叶定律用于计算固体材料内部的热传导问题。

2. 热对流和热辐射有何区别？答：热对流是指流体内部由于温度差异引起的热量传递过程，它依赖于流体的流动。

而热辐射是指物体由于温度而发射电磁波（主要是红外线）进行热量传递的过程，它不需要介质，可以在真空中进行。

3. 描述牛顿冷却定律的数学表达式。

答：牛顿冷却定律的数学表达式为：\[ \frac{dT}{dt} = -h(T -T_{\infty}) \]，其中，\( \frac{dT}{dt} \) 是物体温度随时间的变化率，\( h \) 是对流换热系数，\( T \) 是物体的温度，\( T_{\infty} \) 是周围流体的温度。

4. 什么是临界瑞利数？它在自然对流中的意义是什么？答：临界瑞利数是自然对流中流体由层流转变为湍流的临界值。

它是一个无量纲数，用于表征流体的热膨胀效应和重力效应的相对重要性。

当瑞利数超过临界值时，流体内部的自然对流会从层流状态转变为湍流状态。

5. 简述热辐射的基本定律。

答：热辐射的基本定律包括斯特藩-玻尔兹曼定律、普朗克定律和维恩位移定律。

斯特藩-玻尔兹曼定律表明，一个黑体单位面积的辐射功率与其绝对温度的四次方成正比。

普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布。

维恩位移定律指出，黑体辐射峰值波长与其温度成反比。

6. 什么是热阻？如何计算？答：热阻是指在热传导过程中，由于材料的导热性能限制而产生的阻碍热量传递的能力。

热阻的计算公式为：\[ R = \frac{\Delta x}{kA} \]，其中，\( \Delta x \) 是材料的厚度，\( k \) 是材料的热导率，\( A \) 是导热面积。

7. 描述相变传热的特点。

答：相变传热是指在物质相变过程中伴随的热量传递过程。

《传热学》第四版课后习题问题详解《传热学》第一章思考题1．试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

答：导热和对流的区别在于：物体部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。

联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

2．以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。

答：① 傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt －沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；f t －流体的温度。

③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。

3．导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。

这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。

4．当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。

试分析引入传热方程式的工程实用意义。

答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。

第一章思考题1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。

联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。

答：① 傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt－沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；f t －流体的温度。

③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。

3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。

这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。

4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。

试分析引入传热方程式的工程实用意义。

答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。

5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。

第一章思考题1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。

联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。

答：① 傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt －沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；f t －流体的温度。

③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。

3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。

这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。

4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。

试分析引入传热方程式的工程实用意义。

答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。

5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。

第1章1-3 解：电热器的加热功率： kW W tcm QP 95.16.195060)1543(101000101018.4633==-⨯⨯⨯⨯⨯=∆==-ττ15分钟可节省的能量：kJ J t cm Q 4.752752400)1527(15101000101018.4633==-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=-1-33 解：W h h t t A w f 7.45601044.02.061)]10(2[6311)(2121=++--⨯=++-=Φλδ如果取K m W h ./3022=，则W h h t t A w f 52.45301044.02.061)]10(2[6311)(2121=++--⨯=++-=Φλδ即随室外风力减弱，散热量减小。

但因墙的热阻主要在绝热层上，室外风力变化对散热量的影响不大。

第2章2-4 解：按热平衡关系有：)(1222121f w BBA A w f t t h h t t -=++-λδλδ，得：)2550(5.906.01.0250150400-=++-B Bδδ，由此得：,0794.0,0397.0m m A B ==δδ 2-9 解：由0)(2121=+=w w m t t t ℃从附录5查得空气层的导热系数为K m W ⋅/0244.0空气λ 双层时：W t t A w w s 95.410244.0008.078.0006.02)]20(20[6.06.02)(21=+⨯--⨯⨯=+-=Φ空气空气玻璃玻璃λδλδ单层时：W t t A w w d 187278.0/006.0)]20(20[6.06.0/)(21=--⨯⨯=-=Φ玻璃玻璃λδ两种情况下的热损失之比：)(6.4495.411872倍==ΦΦs d题2-15解：这是一个通过双层圆筒壁的稳态导热问题。

由附录4可查得煤灰泡沫砖的最高允许温度为300℃。

设矿渣棉与媒灰泡沫砖交界面处的温度为t w ，则有 23212121ln 21ln 21)(d d l d d l t t πλπλ+-=Φ （a ） 23221211ln )(2ln )(2d d t t l d d t t l w w -=-=Φπλπλ （b ） 65110ln )50(12.02565ln )400(11.0:-⨯=-⨯w w t t 即由此可解得：4.167=w t ℃＜300℃又由式（a ）可知，在其他条件均不变的情况下，增加煤灰泡沫砖的厚度δ2对将使3d 增大，从而损失将减小；又由式（b ）左边可知t w 将会升高。

《传热学》第一章思考题1． 试用简练的语言说明导热、对流换热与辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流如此是流体各局部之间发生宏观相对位移与冷热流体的相互掺混。

联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式与斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号与其意义。

答：①傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt－沿x 方向的温度变化率，“－〞表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

②牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －外表传热系数；w t －固体外表温度；f t －流体的温度。

③斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。

3． 导热系数、外表传热系数与传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：①导热系数的单位是：W/(m.K)；②外表传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③传热系数的单位是：W/(m 2.K)。

这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。

4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算〔过程是稳态的〕，但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的根本公式〞。

试分析引入传热方程式的工程实用意义。

答：因为在许多工业换热设备中，进展热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。

5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。

1-9 一砖墙的表面积为122m ，厚为260mm ，平均导热系数为1.5W/（m.K ）。

设面向室内的表面温度为25℃，而外表面温度为-5℃，试确定次砖墙向外界散失的热量。

解：根据傅立叶定律有：WtA9.207626.05)(25125.1=--⨯⨯=∆=Φδλ1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度t w =69℃，空气温度t f =20℃，管子外径 d=14mm ，加热段长 80mm ，输入加热段的功率8.5w ，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式()f w t t rlh q -=π2所以()f w t t d qh -=π＝49.33W/(m 2.k)1-20 半径为0.5 m 的球状航天器在太空中飞行，其表面发射率为0.8。

航天器内电子元件的散热总共为175W 。

假设航天器没有从宇宙空间接受任何辐射能量，试估算其表面的平均温度。

解：电子原件的发热量＝航天器的辐射散热量即：4T Q εσ=4A QT εσ=∴ =187K 热阻分析 ;;2-4 一烘箱的炉门由两种保温材料A 及B 组成，且B A δδ2=(见附图)。

已知)./(1.0K m W A =λ,)./(06.0K m W B =λ,烘箱内空气温度4001=f t ℃，内壁面的总表面传热系数)./(501K m W h =。

为安全起见，希望烘箱炉门的 外表面温度不得高于50℃。

设可把炉门导热作为一维问题处理，试决定所需保温材料的厚度。

环境温度=2f t 25℃，外表面总传热系数)./(5.922K m W h =。

解：热损失为()()22111f f BBA A fwf t t h t t h t t q -+-=+-=λδλδ又50=fw t ℃；B A δδ=联立得m m B A 039.0;078.0==δδ2-9 双层玻璃窗系由两层厚为6mm 的玻璃及其间的空气隙所组成，空气隙厚度为8mm 。

第一章思考题1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。

联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。

答：① 傅立叶定律：dx dtq λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt －沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；ft －流体的温度。

③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。

3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。

这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。

4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。

试分析引入传热方程式的工程实用意义。

答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。

5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。

传热学第四版复习题答案1. 什么是傅里叶定律？傅里叶定律描述了什么物理现象？答案：傅里叶定律是描述热传导的基本定律，它表明在稳态条件下，通过材料的热流量与材料的温差成正比，与材料的面积成正比，与材料的导热系数成正比，与材料的厚度成反比。

数学表达式为：\[ q =-kA\frac{\Delta T}{\Delta x} \]，其中 \( q \) 是热流量，\( k \) 是材料的导热系数，\( A \) 是面积，\( \Delta T \) 是温差，\( \Delta x \) 是材料的厚度。

2. 牛顿冷却定律的内容是什么？它适用于哪些情况？答案：牛顿冷却定律指出，物体表面与周围流体之间的对流换热速率与物体表面与流体之间的温差成正比，与物体的表面积成正比。

数学表达式为：\[ q = hA(T_s - T_\infty) \]，其中 \( q \) 是换热速率，\( h \) 是对流换热系数，\( A \) 是表面积，\( T_s \) 是物体表面温度，\( T_\infty \) 是流体的无限远处温度。

牛顿冷却定律适用于流体流动状态为层流且边界层内温度梯度不大的情况。

3. 什么是热辐射？辐射换热的基本定律有哪些？答案：热辐射是指物体由于温度而发射的电磁波辐射，它不需要介质即可传播。

辐射换热的基本定律包括斯特藩-玻尔兹曼定律和普朗克定律。

斯特藩-玻尔兹曼定律表明，一个黑体单位面积的辐射功率与其绝对温度的四次方成正比，数学表达式为：\[ q = \sigma A T^4 \]，其中 \( q \) 是辐射功率，\( \sigma \) 是斯特藩-玻尔兹曼常数，\( A \) 是黑体的表面积，\( T \) 是黑体的绝对温度。

普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布。

4. 什么是相变传热？在相变传热中，热量是如何传递的？答案：相变传热是指在物质相变过程中发生的传热现象，如蒸发、凝结、熔化和凝固。

在相变传热中，热量的传递通常伴随着物质的相态变化，例如在蒸发过程中，液体分子获得足够的能量变为气体，这个过程中需要吸收热量，而在凝结过程中，气体分子失去能量变为液体，释放热量。