傳熱學(xué)復(fù)習(xí)簡答題及答案1.簡述傳熱的三種基本方式及其特點(diǎn)

答：傳熱的三種基本方式為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。

熱傳導(dǎo)：

定義：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。

特點(diǎn)：熱傳導(dǎo)是在物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間進(jìn)行，不需要介質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)；熱量傳遞的方向是從高溫處傳向低溫處；導(dǎo)熱過程中物體的宏觀位置不發(fā)生變化。例如，將一根金屬棒的一端加熱，熱量會(huì)通過金屬內(nèi)部的微觀粒子運(yùn)動(dòng)從加熱端逐漸傳向另一端。

熱對流：

定義：流體中各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對流必然伴隨著熱傳導(dǎo)。工程上常見的是流體流過一個(gè)固體壁面時(shí)的熱量傳遞過程，稱之為對流換熱。

特點(diǎn)：熱對流是依靠流體的宏觀運(yùn)動(dòng)來傳遞熱量，因此需要有流體的流動(dòng)；對流換熱過程中，流體與固體壁面之間存在溫度差；對流換熱的強(qiáng)弱與流體的流動(dòng)狀態(tài)、物性、壁面形狀等因素有關(guān)。比如，用冷水冷卻熱水管，熱水管表面的熱量通過對流的方式傳遞給冷水。

熱輻射：

定義：物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。

特點(diǎn)：熱輻射不需要任何介質(zhì)，可以在真空中傳播；熱輻射不僅有能量的傳遞，還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換，即熱能輻射能熱能；任何物體只要溫度高于絕對零度，都會(huì)不斷地發(fā)射熱輻射能，而且溫度越高，輻射能力越強(qiáng)。例如，太陽向地球傳遞熱量就是通過熱輻射的方式。

2.試說明導(dǎo)熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱系數(shù)的單位及物理意義

答：

導(dǎo)熱系數(shù)（λ）：

單位：W/(m·K)。

物理意義：導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力大小的物理量，它表示在單位溫度梯度作用下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。導(dǎo)熱系數(shù)越大，說明材料的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。例如，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般較大，而保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（h）：

單位：W/(m2·K)。

物理意義：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表示在單位溫差作用下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的對流換熱量。它反映了對流換熱過程的強(qiáng)弱，h值越大，說明對流換熱越強(qiáng)烈。其大小與流體的物性、流動(dòng)狀態(tài)、壁面形狀等因素有關(guān)。

傳熱系數(shù)（K）：

單位：W/(m2·K)。

物理意義：傳熱系數(shù)表示在單位溫差作用下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的總傳熱量，它綜合考慮了熱流體與壁面的對流換熱、壁面的導(dǎo)熱以及冷流體與壁面的對流換熱等過程。傳熱系數(shù)越大，說明整個(gè)傳熱過程越容易進(jìn)行。

3.什么是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？試舉例說明

答：

穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：

定義：物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變的導(dǎo)熱過程稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，物體的熱流量是恒定的。

舉例：在工業(yè)生產(chǎn)中，蒸汽管道外包有保溫層，當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，管道及保溫層內(nèi)的溫度分布不再隨時(shí)間變化，此時(shí)的導(dǎo)熱過程就是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。此時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從蒸汽傳遞到外界環(huán)境的熱量是一個(gè)定值。

非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：

定義：物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，物體的熱流量和溫度分布都隨時(shí)間而改變。

舉例：將一塊金屬放入加熱爐中加熱，在加熱過程中，金屬內(nèi)部各點(diǎn)的溫度不斷升高，熱流量也隨著時(shí)間和溫度的變化而變化，這個(gè)過程就是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。又如，在建筑物的供暖或制冷過程中，室內(nèi)墻壁和空氣的溫度隨時(shí)間不斷變化，也是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。

4.簡述傅里葉定律的內(nèi)容及其數(shù)學(xué)表達(dá)式

答：

內(nèi)容：傅里葉定律指出，在導(dǎo)熱過程中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的導(dǎo)熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

數(shù)學(xué)表達(dá)式：對于一維導(dǎo)熱問題，傅里葉定律的表達(dá)式為q=λ，其中q為熱流密度（單位：W/m2），表示單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)（單位：W/(m·K)）；為溫度梯度，它是沿x方向的溫度變化率（單位：K/m），負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。對于三維導(dǎo)熱問題，傅里葉定律的矢量表達(dá)式為q→=λ?t，其中q→為熱流密度矢量，?t為溫度梯度矢量。

5.試推導(dǎo)通過平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱流密度公式

答：

考慮一個(gè)厚度為δ的平壁，平壁兩側(cè)分別維持均勻的溫度和（>），平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)，且平壁內(nèi)的導(dǎo)熱為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

根據(jù)傅里葉定律q=λ，在一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下，熱流密度q為常數(shù)。

對傅里葉定律進(jìn)行分離變量可得qdx=?λdt。

在x=0處，t=；在x=δ處，t=。對上述分離變量后的式子進(jìn)行積分：

qdx=?λdt

因?yàn)閝為常數(shù)，所以qdx=?λdt。

積分可得qδ=?λ()=λ()。

則熱流密度公式為q=()。

6.簡述對流換熱的影響因素

答：對流換熱的影響因素主要有以下幾個(gè)方面：

流體流動(dòng)的起因：

自然對流：是由于流體內(nèi)部的溫度差引起的密度差而產(chǎn)生的流動(dòng)。自然對流換熱的強(qiáng)度相對較弱，例如室內(nèi)暖氣片周圍空氣的自然對流。

強(qiáng)制對流：是由于外力（如泵、風(fēng)機(jī)等）作用使流體產(chǎn)生的流動(dòng)。強(qiáng)制對流換熱的強(qiáng)度一般比自然對流大，例如空調(diào)中通過風(fēng)機(jī)使空氣流動(dòng)與換熱器進(jìn)行換熱。

流體的流動(dòng)狀態(tài)：

層流：流體各層之間互不摻混，熱量主要通過分子擴(kuò)散（導(dǎo)熱）的方式傳遞，對流換熱系數(shù)較小。

湍流：流體內(nèi)部存在強(qiáng)烈的摻混，熱量傳遞除了分子擴(kuò)散外，還有流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)，對流換熱系數(shù)較大。

流體的物性：

導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)越大，流體內(nèi)部的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，對流換熱也會(huì)增強(qiáng)。例如，水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大，所以水的對流換熱能力一般比空氣強(qiáng)。

比熱容和密度：比熱容和密度的乘積ρ反映了單位體積流體攜帶熱量的能力，ρ越大，對流換熱能力越強(qiáng)。

黏度：黏度影響流體的流動(dòng)狀態(tài)，黏度大的流體流動(dòng)阻力大，容易形成層流，對流換熱系數(shù)較小。

換熱表面的幾何因素：

形狀：不同形狀的換熱表面，如平板、圓管、肋片等，會(huì)影響流體的流動(dòng)和換熱情況。例如，肋片可以增加換熱面積，從而增強(qiáng)對流換熱。

尺寸：換熱表面的尺寸大小會(huì)影響流體的流動(dòng)狀態(tài)和邊界層的發(fā)展。例如，在管內(nèi)流動(dòng)中，管徑的大小會(huì)影響流動(dòng)的雷諾數(shù)，進(jìn)而影響對流換熱。

相對位置：換熱表面的相對位置會(huì)影響流體的流動(dòng)方向和流動(dòng)情況。例如，水平放置和垂直放置的平板，其表面的對流換熱情況可能不同。

7.什么是邊界層？簡述流動(dòng)邊界層和熱邊界層的概念

答：

邊界層的定義：當(dāng)流體流過固體壁面時(shí)，由于流體的黏性作用，在靠近壁面的薄層內(nèi)，流體的速度會(huì)發(fā)生顯著變化，這個(gè)薄層稱為邊界層。邊界層的概念對于研究流體流動(dòng)和傳熱問題具有重要意義，它可以將整個(gè)流動(dòng)區(qū)域劃分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩個(gè)區(qū)域，從而簡化問題的分析。

流動(dòng)邊界層：

定義：當(dāng)流體以均勻的來流速度流過固體壁面時(shí)，在壁面附近形成一個(gè)流速從壁面上的零值迅速變化到來流速度的薄層，這個(gè)薄層稱為流動(dòng)邊界層。通常規(guī)定，當(dāng)流體的速度u=0.99處到壁面的距離為流動(dòng)邊界層的厚度δ。

特點(diǎn)：在流動(dòng)邊界層內(nèi)，流體的黏性力起主要作用，流體的流動(dòng)狀態(tài)可以分為層流和湍流；在邊界層外，流體的黏性力可以忽略不計(jì)，流體可近似看作理想流體。

熱邊界層：

定義：當(dāng)流體與固體壁面之間存在溫度差時(shí)，在壁面附近會(huì)形成一個(gè)溫度從壁面溫度迅速變化到來流溫度的薄層，這個(gè)薄層稱為熱邊界層。通常規(guī)定，當(dāng)流體的溫度t=0.99(?)處到壁面的距離為熱邊界層的厚度。

特點(diǎn)：在熱邊界層內(nèi)，流體的溫度梯度較大，熱量傳遞主要通過導(dǎo)熱和對流的方式進(jìn)行；在熱邊界層外，流體的溫度梯度可以忽略不計(jì)，可近似認(rèn)為溫度均勻。

8.簡述相似原理在對流換熱研究中的應(yīng)用

答：相似原理在對流換熱研究中具有重要的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在進(jìn)行對流換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)際問題往往非常復(fù)雜，不可能對所有影響因素都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)相似原理，可以將影響對流換熱的眾多物理量組合成若干個(gè)相似準(zhǔn)則數(shù)（如雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr、努塞爾數(shù)Nu等）。在實(shí)驗(yàn)中，只要保證模型與原型的相似準(zhǔn)則數(shù)相等，就可以認(rèn)為模型與原型的流動(dòng)和換熱現(xiàn)象相似。這樣就可以通過對模型的實(shí)驗(yàn)研究來預(yù)測原型的換熱情況，從而大大減少實(shí)驗(yàn)的工作量。

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：通過相似原理將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成相似準(zhǔn)則數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，例如Nu=f(Re,Pr)。這樣可以將大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濃縮和歸納，得到具有普遍意義的關(guān)聯(lián)式。這些關(guān)聯(lián)式可以用于工程設(shè)計(jì)和計(jì)算，方便快捷地預(yù)測對流換熱的情況。

擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用范圍：相似原理使得在實(shí)驗(yàn)室中獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用到與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨频膶?shí)際工程問題中。只要滿足相似條件，不同尺寸、不同流體、不同工況下的對流換熱問題都可以使用相同的相似準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行分析和計(jì)算，從而擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用范圍。

9.簡述熱輻射的基本定律，包括普朗克定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律和基爾霍夫定律

答：

普朗克定律：

內(nèi)容：普朗克定律給出了黑體在不同溫度下，單色輻射力隨波長λ和溫度T的變化關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為=，其中=3.742×W·，=1.4388×m·K，為黑體的單色輻射力（單位：W/(·μm)），λ為波長（單位：m），T為黑體的絕對溫度（單位：K）。

意義：普朗克定律揭示了黑體輻射能量按波長的分布規(guī)律，它表明黑體的單色輻射力隨波長和溫度的變化是非線性的，存在一個(gè)峰值波長，隨著溫度的升高，峰值波長向短波方向移動(dòng)。

斯蒂芬玻爾茲曼定律：

內(nèi)容：斯蒂芬玻爾茲曼定律指出，黑體的輻射力與黑體的絕對溫度T的四次方成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為=σ，其中σ=5.67×W/(·)為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，為黑體的輻射力（單位：W/）。

意義：該定律給出了黑體在一定溫度下的總輻射能力，它表明黑體的輻射力隨溫度的升高而迅速增加。對于實(shí)際物體，其輻射力E=ε=εσ，其中ε為物體的發(fā)射率。

基爾霍夫定律：

內(nèi)容：基爾霍夫定律指出，在熱平衡條件下，任何物體的光譜吸收比等于同溫度下該物體的光譜發(fā)射率，即=。對于灰體（光譜吸收比和光譜發(fā)射率與波長無關(guān)的物體），在熱平衡條件下，物體的吸收比α等于同溫度下該物體的發(fā)射率ε，即α=ε。

意義：基爾霍夫定律建立了物體的吸收能力和發(fā)射能力之間的關(guān)系，它表明善于發(fā)射的物體也善于吸收。通過該定律，可以利用物體的發(fā)射率來計(jì)算其吸收比，從而方便地進(jìn)行熱輻射的計(jì)算和分析。

10.簡述角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算方法

答：

定義：角系數(shù)是指在熱輻射過程中，表面1發(fā)射出的輻射能中直接落到表面2上的百分?jǐn)?shù)，用表示。即=，其中是表面1發(fā)射的輻射能中直接落到表面2上的輻射能，是表面1發(fā)射的總輻射能。

性質(zhì)：

相對性：對于任意兩個(gè)表面1和2，有=，其中和分別是表面1和表面2的面積。

完整性：對于由n個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，從任意一個(gè)表面i發(fā)射出的輻射能必然全部落到系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)表面上，即=1。

分解性：若表面j可分為和兩部分，則=+。

計(jì)算方法：

直接積分法：根據(jù)角系數(shù)的定義，通過對表面之間的幾何關(guān)系進(jìn)行積分計(jì)算得到角系數(shù)。這種方法適用于簡單幾何形狀的表面，但計(jì)算過程較為復(fù)