傳熱學(xué)模擬試題及參考答案一、選擇題（每題2分，共20分）

1.熱流密度q與熱流量Φ的關(guān)系為（）（A為傳熱面積）

A.q=ΦA(chǔ)

B.q=Φ/A

C.Φ=q/A

D.q=Φ+A

答案：B

解析：熱流密度是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，熱流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的熱量，所以熱流密度q等于熱流量Φ除以傳熱面積A，即q=Φ/A。

2.下列哪種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)最大（）

A.空氣

B.水

C.銅

D.木材

答案：C

解析：一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，在給出的選項(xiàng)中，銅是金屬，空氣、水和木材的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小，所以銅的導(dǎo)熱系數(shù)最大。

3.溫度梯度的方向與熱流方向（）

A.相同

B.相反

C.垂直

D.無(wú)關(guān)

答案：B

解析：根據(jù)傅里葉定律，熱流方向是沿著溫度降低的方向，而溫度梯度的方向是沿著溫度升高的方向，所以溫度梯度的方向與熱流方向相反。

4.對(duì)流換熱系數(shù)的單位是（）

A.W/(m·K)

B.W/(m2·K)

C.J/(kg·K)

D.m2/s

答案：B

解析：對(duì)流換熱系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上，流體與壁面之間在單位溫度差下的換熱量，其單位是W/(m2·K)。

5.流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流換熱時(shí)，當(dāng)流體的粘度減小時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)（）

A.增大

B.減小

C.不變

D.無(wú)法確定

答案：A

解析：流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流換熱時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)與流體的物性有關(guān)。當(dāng)流體的粘度減小時(shí)，流體的流動(dòng)阻力減小，流速相對(duì)增大，邊界層厚度變薄，熱阻減小，從而使對(duì)流換熱系數(shù)增大。

6.大容器飽和沸騰時(shí)，隨著壁面過(guò)熱度的增加，沸騰曲線經(jīng)歷的階段依次為（）

A.自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過(guò)渡沸騰、膜態(tài)沸騰

B.核態(tài)沸騰、自然對(duì)流、過(guò)渡沸騰、膜態(tài)沸騰

C.自然對(duì)流、過(guò)渡沸騰、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰

D.自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰、過(guò)渡沸騰

答案：A

解析：大容器飽和沸騰曲線反映了壁面過(guò)熱度與熱流密度之間的關(guān)系。隨著壁面過(guò)熱度的增加，首先是自然對(duì)流階段，此時(shí)熱流密度較?。唤又M(jìn)入核態(tài)沸騰階段，熱流密度迅速增大；然后是過(guò)渡沸騰階段，熱流密度開(kāi)始下降；最后是膜態(tài)沸騰階段，熱流密度繼續(xù)下降。

7.黑體的發(fā)射率ε（）

A.等于0

B.等于1

C.大于1

D.小于1

答案：B

解析：黑體是指能夠完全吸收所有波長(zhǎng)輻射能的物體，同時(shí)它也是理想的發(fā)射體，其發(fā)射率ε等于1。

8.兩物體表面間的輻射換熱熱阻主要包括（）

A.表面熱阻和空間熱阻

B.導(dǎo)熱熱阻和對(duì)流熱阻

C.表面熱阻和導(dǎo)熱熱阻

D.空間熱阻和對(duì)流熱阻

答案：A

解析：兩物體表面間的輻射換熱熱阻主要由表面熱阻和空間熱阻組成。表面熱阻與物體表面的發(fā)射率等因素有關(guān)，空間熱阻與物體的幾何形狀、相對(duì)位置等因素有關(guān)。

9.下列哪種情況屬于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（）

A.暖氣片散熱

B.冬季房屋外墻的傳熱

C.金屬棒一端加熱，另一端冷卻，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)

D.熱水在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的傳熱

答案：C

解析：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化的導(dǎo)熱過(guò)程。選項(xiàng)A暖氣片散熱、B冬季房屋外墻的傳熱以及D熱水在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的傳熱，這些過(guò)程中溫度都可能隨時(shí)間發(fā)生變化，屬于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；而選項(xiàng)C金屬棒一端加熱，另一端冷卻，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，棒內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，屬于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

10.下列強(qiáng)化傳熱的措施中，哪種是通過(guò)增加傳熱面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的（）

A.采用肋片

B.提高流體流速

C.選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料

D.增加流體的擾動(dòng)

答案：A

解析：采用肋片可以增加傳熱面積，從而提高傳熱效果；提高流體流速和增加流體的擾動(dòng)主要是通過(guò)增強(qiáng)對(duì)流換熱來(lái)強(qiáng)化傳熱；選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料是通過(guò)減小導(dǎo)熱熱阻來(lái)強(qiáng)化傳熱。

二、填空題（每題2分，共20分）

1.熱量傳遞的三種基本方式是______、______和______。

答案：導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射

解析：這是傳熱學(xué)中熱量傳遞的三種基本方式，導(dǎo)熱是指物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間由于溫度差而引起的熱量傳遞；對(duì)流是指流體中由于各部分溫度不同而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的熱量傳遞；輻射是指物體通過(guò)電磁波的形式傳遞熱量。

2.導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料______能力的物理量，其單位是______。

答案：導(dǎo)熱；W/(m·K)

解析：導(dǎo)熱系數(shù)越大，說(shuō)明材料的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，它反映了材料傳導(dǎo)熱量的性能，單位是W/(m·K)。

3.牛頓冷卻公式為_(kāi)_____，其中h為_(kāi)_____。

答案：Φ=hAΔt；對(duì)流換熱系數(shù)

解析：牛頓冷卻公式描述了對(duì)流換熱過(guò)程中熱流量Φ與對(duì)流換熱系數(shù)h、傳熱面積A以及流體與壁面之間的溫度差Δt之間的關(guān)系。

4.大容器飽和沸騰曲線中，核態(tài)沸騰階段的熱流密度隨壁面過(guò)熱度的增加而______。

答案：增大

解析：在核態(tài)沸騰階段，隨著壁面過(guò)熱度的增加，氣泡的生成、長(zhǎng)大和脫離頻率增加，使得流體的擾動(dòng)加劇，熱流密度迅速增大。

5.黑體的輻射力E?與熱力學(xué)溫度T的______成正比，其表達(dá)式為_(kāi)_____。

答案：四次方；E?=σ?T?

解析：這是斯蒂芬玻爾茲曼定律，其中σ?是斯蒂芬玻爾茲曼常量，其值為5.67×10??W/(m2·K?)。

6.兩無(wú)限大平行灰體表面間的輻射換熱量計(jì)算公式為Φ??=______，其中ε?和ε?分別為兩灰體表面的______。

答案：A?C??[(T?/100)?(T?/100)?]；發(fā)射率

解析：公式中A?是其中一個(gè)表面的面積，C??是與兩灰體表面發(fā)射率有關(guān)的相當(dāng)輻射系數(shù)，T?和T?分別是兩灰體表面的熱力學(xué)溫度。

7.對(duì)于一維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源的平壁導(dǎo)熱，其溫度分布為_(kāi)_____函數(shù)。

答案：線性

解析：根據(jù)一維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源的平壁導(dǎo)熱的導(dǎo)熱微分方程求解，可得平壁內(nèi)的溫度分布是線性函數(shù)。

8.對(duì)流換熱過(guò)程的熱阻主要集中在______。

答案：邊界層

解析：在對(duì)流換熱過(guò)程中，流體與壁面之間的熱量傳遞主要通過(guò)邊界層進(jìn)行，邊界層內(nèi)流體的溫度梯度較大，熱阻主要集中在邊界層內(nèi)。

9.畢渥數(shù)Bi的表達(dá)式為_(kāi)_____，它反映了______與______的相對(duì)大小。

答案：Bi=hl/λ；固體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻；固體表面對(duì)流換熱熱阻

解析：其中h是對(duì)流換熱系數(shù)，l是特征長(zhǎng)度，λ是固體的導(dǎo)熱系數(shù)。Bi數(shù)越大，說(shuō)明固體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻相對(duì)較小，表面對(duì)流換熱熱阻相對(duì)較大。

10.傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為_(kāi)_____，它適用于______導(dǎo)熱過(guò)程。

答案：q=-λgradt；穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的各向同性

解析：傅里葉定律描述了熱流密度與溫度梯度之間的關(guān)系，負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反，該定律適用于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的各向同性導(dǎo)熱過(guò)程。

三、簡(jiǎn)答題（每題10分，共30分）

1.簡(jiǎn)述導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種熱量傳遞方式的區(qū)別。

答：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射是熱量傳遞的三種基本方式，它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

傳遞機(jī)理

導(dǎo)熱：是依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，發(fā)生在物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間。例如，金屬棒一端受熱，熱量通過(guò)金屬內(nèi)部的電子和原子的振動(dòng)傳遞到另一端。

對(duì)流：是流體中由于各部分溫度不同而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的熱量傳遞，它必須有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。比如，熱水在容器中，由于底部受熱，熱水上升，冷水下降，形成對(duì)流，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。

輻射：是物體通過(guò)電磁波的形式傳遞熱量，不需要介質(zhì)，可以在真空中進(jìn)行。太陽(yáng)向地球傳遞熱量就是通過(guò)輻射的方式，中間穿越了真空的宇宙空間。

影響因素

導(dǎo)熱：主要與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度差以及物體的幾何形狀和尺寸有關(guān)。導(dǎo)熱系數(shù)越大、溫度差越大、傳熱路徑越短，導(dǎo)熱熱流量越大。

對(duì)流：與流體的物性（如密度、粘度、比熱容等）、流體的流速、流體與壁面之間的溫度差以及傳熱面的形狀、大小和位置等因素有關(guān)。流速越大、溫度差越大，對(duì)流換熱熱流量越大。

輻射：與物體的溫度、表面發(fā)射率以及物體的幾何形狀、相對(duì)位置等因素有關(guān)。物體溫度越高、發(fā)射率越大，輻射換熱熱流量越大。

傳遞特點(diǎn)

導(dǎo)熱：熱量傳遞過(guò)程中沒(méi)有物質(zhì)的宏觀移動(dòng)，是一種微觀的熱量傳遞方式。

對(duì)流：伴隨著流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，是一種宏觀的熱量傳遞方式。

輻射：不需要介質(zhì)，且在傳遞過(guò)程中會(huì)有能量形式的轉(zhuǎn)換，即熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，輻射能再轉(zhuǎn)換為熱能。

2.什么是對(duì)流換熱系數(shù)？影響對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素有哪些？

答：對(duì)流換熱系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上，流體與壁面之間在單位溫度差下的換熱量，它反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱程度，單位是W/(m2·K)。

影響對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素有：

流體的物性：包括流體的密度ρ、粘度μ、比熱容c?、導(dǎo)熱系數(shù)λ等。一般來(lái)說(shuō)，流體的導(dǎo)熱系數(shù)越大、比熱容越大、密度越大，對(duì)流換熱系數(shù)越大；而粘度越大，對(duì)流換熱系數(shù)越小。例如，水的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容比空氣大，所以水的對(duì)流換熱系數(shù)通常比空氣大。

流體的流速：流速越大，流體的擾動(dòng)越劇烈，邊界層厚度越薄，熱阻越小，對(duì)流換熱系數(shù)越大。例如，在強(qiáng)制對(duì)流中，提高流體的流速可以顯著增強(qiáng)對(duì)流換熱效果。

流體的流動(dòng)狀態(tài)：流體的流動(dòng)狀態(tài)分為層流和湍流。層流時(shí)，流體的流動(dòng)比較規(guī)則，熱量主要通過(guò)分子擴(kuò)散傳遞，對(duì)流換熱系數(shù)較??；湍流時(shí)，流體內(nèi)部存在強(qiáng)烈的渦旋和混合，熱量傳遞主要依靠流體的宏觀混合，對(duì)流換熱系數(shù)較大。

傳熱面的形狀、大小和位置：不同形狀的傳熱面（如平板、圓管等）、不同的尺寸以及傳熱面的放置方式（水平、垂直等）都會(huì)影響流體的流動(dòng)情況，從而影響對(duì)流換熱系數(shù)。例如，對(duì)于圓管內(nèi)的流動(dòng)，管徑越小，對(duì)流換熱系數(shù)可能越大。

相變情況：當(dāng)流體發(fā)生相變（如沸騰或凝結(jié)）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡或液滴，使流體的擾動(dòng)加劇，對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)顯著增大。例如，水在沸騰時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)比單相水的對(duì)流換熱系數(shù)大得多。

3.簡(jiǎn)述輻射換熱的特點(diǎn)。

答：輻射換熱具有以下特點(diǎn)：

不需要介質(zhì)：輻射換熱是通過(guò)電磁波的形式傳遞熱量，它可以在真空中進(jìn)行，這與導(dǎo)熱和對(duì)流需要介質(zhì)才能傳遞熱量不同。例如，太陽(yáng)向地球傳遞熱量就是通過(guò)輻射的方式，穿越了幾乎真空的宇宙空間。

能量形式的轉(zhuǎn)換：在輻射換熱過(guò)程中，存在著能量形式的轉(zhuǎn)換。物體先將熱能轉(zhuǎn)換為輻射能發(fā)射出去，當(dāng)輻射能被其他物體吸收時(shí)，又轉(zhuǎn)換為熱能。例如，暖氣片通過(guò)輻射將熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，室內(nèi)的物體吸收輻射能后又轉(zhuǎn)換為熱能。

具有方向性：物體發(fā)射的輻射能在不同方向上的分布是不均勻的，具有一定的方向性。一般來(lái)說(shuō)，物體在法線方向上的輻射強(qiáng)度最大，隨著與法線方向夾角的增大，輻射強(qiáng)度逐漸減小。

與溫度的關(guān)系：輻射換熱的熱流量與物體的熱力學(xué)溫度的四次方成正比。根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，黑體的輻射力E?=σ?T?，這表明溫度對(duì)輻射換熱的影響非常顯著。例如，當(dāng)物體的溫度升高時(shí)，其輻射換熱的熱流量會(huì)迅速增加。

兩物體間的相互作用：輻射換熱是兩物體或多物體之間相互輻射和吸收的綜合結(jié)果。一個(gè)物體不僅向其他物體發(fā)射輻射能，同時(shí)也吸收其他物體發(fā)射的輻射能，其凈輻射換熱量是兩者的差值。

四、計(jì)算題（每題15分，共30分）

1.有一厚度為δ=0.3m的平壁，其兩側(cè)表面溫度分別為t?=500℃，t?=100℃，平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.2W/(m·K)。試求：（1）平壁內(nèi)的溫度分布；（2）通過(guò)平壁的熱流密度q。

解：

（1）對(duì)于一維、穩(wěn)態(tài)