傳熱測試題及答案選擇題（每題3分，共30分）

1.以下哪種物質(zhì)的導熱系數(shù)最大？（）

A.空氣

B.水

C.銅

D.玻璃

答案：C。解析：導熱系數(shù)是表示材料傳導熱量能力的物理量。在常見物質(zhì)中，金屬一般具有較高的導熱系數(shù)。銅是金屬，其導熱系數(shù)遠大于空氣、水和玻璃。空氣是熱的不良導體，導熱系數(shù)很小；水的導熱系數(shù)相對較低；玻璃的導熱系數(shù)也不如金屬大。

2.穩(wěn)態(tài)導熱是指（）

A.物體內(nèi)各點溫度不隨時間變化

B.物體內(nèi)各點溫度隨時間變化

C.物體內(nèi)各點溫度僅與位置有關(guān)

D.物體內(nèi)各點溫度僅與時間有關(guān)

答案：A。解析：穩(wěn)態(tài)導熱的定義就是物體內(nèi)各點的溫度不隨時間而變化，處于一種穩(wěn)定的熱傳遞狀態(tài)。選項B描述的是非穩(wěn)態(tài)導熱；選項C不全面，穩(wěn)態(tài)導熱不僅與位置有關(guān)，只是溫度不隨時間變；選項D錯誤，穩(wěn)態(tài)導熱與時間無關(guān)。

3.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.Φ=q+A

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

4.對于通過大平壁的穩(wěn)態(tài)導熱，其溫度分布為（）

A.線性分布

B.對數(shù)分布

C.指數(shù)分布

D.拋物線分布

答案：A。解析：在通過大平壁的穩(wěn)態(tài)導熱中，根據(jù)傅里葉定律，在材料導熱系數(shù)為常數(shù)的情況下，熱流密度為定值，溫度分布是線性的。這是因為熱流密度q=-λ(dt/dx)（λ為導熱系數(shù)，dt/dx為溫度梯度），當q為常數(shù)，λ為常數(shù)時，dt/dx也為常數(shù)，所以溫度t與位置x呈線性關(guān)系。

5.下列哪種傳熱方式不需要介質(zhì)？（）

A.熱傳導

B.熱對流

C.熱輻射

D.以上都不需要

答案：C。解析：熱傳導是依靠物質(zhì)分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱運動來傳遞熱量，需要物質(zhì)作為介質(zhì)；熱對流是流體中各部分之間發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，也需要流體介質(zhì)；而熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式，不需要任何介質(zhì)，可以在真空中進行。

6.流體在管內(nèi)強制對流換熱時，其對流換熱系數(shù)h與雷諾數(shù)Re和普朗特數(shù)Pr有關(guān)，對于湍流流動，h與Re的關(guān)系為（）

A.h∝Re^0.8

B.h∝Re^0.5

C.h∝Re^1.0

D.h∝Re^0.2

答案：A。解析：在流體在管內(nèi)強制對流換熱的湍流流動情況下，根據(jù)大量的實驗和理論分析，對流換熱系數(shù)h與雷諾數(shù)Re的0.8次方成正比，即h∝Re^0.8，同時還與普朗特數(shù)Pr等因素有關(guān)。

7.大容器飽和沸騰時，隨著壁面過熱度Δt的增加，沸騰曲線可分為（）個階段。

A.2

B.3

C.4

D.5

答案：C。解析：大容器飽和沸騰曲線分為四個階段：自然對流階段、核態(tài)沸騰階段、過渡沸騰階段和膜態(tài)沸騰階段。在自然對流階段，壁面過熱度較小，熱量主要通過自然對流傳遞；核態(tài)沸騰階段，壁面上產(chǎn)生大量氣泡，換熱強烈；過渡沸騰階段是從核態(tài)沸騰到膜態(tài)沸騰的過渡，換熱不穩(wěn)定；膜態(tài)沸騰階段，壁面被一層蒸汽膜覆蓋，換熱系數(shù)下降。

8.輻射換熱時，物體的黑度ε是指（）

A.物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比

B.物體的吸收率與同溫度下黑體吸收率之比

C.物體的反射率與同溫度下黑體反射率之比

D.物體的透射率與同溫度下黑體透射率之比

答案：A。解析：黑度ε是衡量物體輻射能力的一個物理量，它定義為物體的輻射力E與同溫度下黑體輻射力Eb之比，即ε=E/Eb。黑體是一種理想化的物體，能完全吸收和輻射能量。

9.對于一個封閉的輻射換熱系統(tǒng)，凈輻射換熱量Φ與系統(tǒng)中各表面的輻射特性和溫度有關(guān)，當兩個表面1和2之間進行輻射換熱時，其凈輻射換熱量Φ12的計算公式為（）

A.Φ12=ε1ε2σ(T1^4T2^4)A1

B.Φ12=ε1ε2σ(T1^4T2^4)A2

C.Φ12=(ε1+ε2)σ(T1^4T2^4)A1

D.Φ12=(ε1+ε2)σ(T1^4T2^4)A2

答案：A。解析：兩個表面之間的凈輻射換熱量計算公式為Φ12=ε1ε2σ(T1^4T2^4)A1，其中ε1、ε2分別是兩個表面的黑度，σ是斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，T1、T2分別是兩個表面的熱力學溫度，A1是表面1的面積。

10.增強傳熱的方法有（）

A.增大傳熱面積

B.提高傳熱溫差

C.提高傳熱系數(shù)

D.以上都是

答案：D。解析：根據(jù)傳熱基本方程式Φ=KAΔt（Φ為熱流量，K為傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，Δt為傳熱溫差），增大傳熱面積A、提高傳熱溫差Δt和提高傳熱系數(shù)K都可以增強傳熱效果。例如，采用肋片可以增大傳熱面積；提高熱流體溫度或降低冷流體溫度可以提高傳熱溫差；采用強化傳熱的措施（如增加流體流速、采用高效傳熱表面等）可以提高傳熱系數(shù)。

填空題（每題3分，共30分）

1.導熱系數(shù)λ的單位是______。

答案：W/(m·K)。解析：根據(jù)傅里葉定律q=-λ(dt/dx)，熱流密度q的單位是W/m2，溫度梯度dt/dx的單位是K/m，通過單位換算可得導熱系數(shù)λ的單位是W/(m·K)。

2.熱對流分為______和______兩種類型。

答案：自然對流；強制對流。解析：自然對流是由于流體各部分溫度不同而引起的密度差異，在重力作用下產(chǎn)生的流體流動和熱量傳遞；強制對流是通過外力（如泵、風機等）迫使流體流動而實現(xiàn)的熱量傳遞。

3.普朗特數(shù)Pr=______，它反映了______與______的相對大小。

答案：ν/α；動量擴散能力；熱量擴散能力。解析：普朗特數(shù)Pr中，ν是運動粘度，反映了流體的動量擴散能力；α是熱擴散率，反映了流體的熱量擴散能力。所以Pr反映了動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小。

4.大容器飽和沸騰曲線的核態(tài)沸騰階段，氣泡的生成主要取決于______和______。

答案：壁面過熱度；壁面上的汽化核心。解析：在核態(tài)沸騰階段，壁面過熱度提供了氣泡生成所需的能量，使液體達到汽化條件；而壁面上的汽化核心（如壁面的粗糙不平處等）為氣泡的生成提供了起始點，有利于氣泡的形成和長大。

5.斯蒂芬玻爾茲曼定律的表達式為______，其中σ的值為______。

答案：Eb=σT^4；5.67×10??W/(m2·K?)。解析：斯蒂芬玻爾茲曼定律描述了黑體的輻射力Eb與熱力學溫度T的關(guān)系，σ是斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10??W/(m2·K?)。

6.對于通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱，其熱阻包括______和______。

答案：導熱熱阻；表面對流熱阻。解析：在通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱過程中，熱量從內(nèi)表面?zhèn)鬟f到外表面，要克服圓筒壁材料的導熱熱阻，同時在內(nèi)外表面與流體之間還存在對流換熱，存在表面對流熱阻。

7.對流換熱微分方程式為______，其中h為______。

答案：q=hΔt；對流換熱系數(shù)。解析：對流換熱微分方程式描述了對流換熱過程中熱流密度q與對流換熱系數(shù)h和壁面與流體之間的溫差Δt的關(guān)系，h表示單位溫差下通過單位面積的對流換熱量，反映了對流換熱的強弱程度。

8.角系數(shù)X1,2表示______，它具有______、______和______的性質(zhì)。

答案：表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù)；相對性；完整性；可加性。解析：角系數(shù)X1,2是輻射換熱中的一個重要概念，它描述了兩個表面之間的輻射換熱幾何關(guān)系。相對性指X1,2A1=X2,1A2；完整性指一個表面對所有表面的角系數(shù)之和為1；可加性指一個表面對多個表面的角系數(shù)等于對各個表面角系數(shù)之和。

9.強化傳熱時，對于熱阻大的一側(cè)，應著重______該側(cè)的熱阻，以提高______。

答案：降低；傳熱系數(shù)。解析：根據(jù)傳熱過程的總熱阻分析，總熱阻等于各部分熱阻之和，傳熱系數(shù)K與總熱阻成反比。熱阻大的一側(cè)對總熱阻的影響較大，降低熱阻大的一側(cè)的熱阻可以顯著降低總熱阻，從而提高傳熱系數(shù)，增強傳熱效果。

10.非穩(wěn)態(tài)導熱的溫度場是______和______的函數(shù)。

答案：時間；空間位置。解析：在非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，物體內(nèi)各點的溫度隨時間和空間位置而變化，所以溫度場是時間和空間位置的函數(shù)。

簡答題（每題10分，共20分）

1.簡述熱傳導、熱對流和熱輻射的區(qū)別和聯(lián)系。

答：區(qū)別：

熱傳導是依靠物質(zhì)分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱運動來傳遞熱量，需要物質(zhì)作為介質(zhì)，在固體、液體和氣體中都可以發(fā)生，但在固體中表現(xiàn)較為明顯。例如，金屬棒一端受熱，熱量通過內(nèi)部微觀粒子的熱運動傳遞到另一端。

熱對流是流體中各部分之間發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，只能發(fā)生在流體（液體和氣體）中。它可分為自然對流和強制對流，自然對流是由于流體各部分溫度不同導致密度差異而引起的流動和傳熱，強制對流是通過外力迫使流體流動實現(xiàn)傳熱。比如，熱水在杯子中自然冷卻時的對流屬于自然對流，用風扇吹熱物體時的對流屬于強制對流。

熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式，不需要任何介質(zhì)，可以在真空中進行。任何溫度高于絕對零度的物體都在不斷地向外輻射能量，輻射換熱不僅與物體的溫度有關(guān)，還與物體的表面性質(zhì)等因素有關(guān)。例如，太陽向地球傳遞熱量就是通過熱輻射的方式。

聯(lián)系：

在實際的傳熱過程中，這三種傳熱方式往往同時存在。例如，在暖氣片散熱的過程中，暖氣片內(nèi)部通過熱傳導將熱量從熱源傳遞到暖氣片表面；暖氣片表面的空氣受熱后產(chǎn)生自然對流，將熱量帶到室內(nèi)空間；同時，暖氣片也會以熱輻射的方式向周圍環(huán)境散熱。

2.說明影響對流換熱系數(shù)的主要因素。

答：影響對流換熱系數(shù)的主要因素有以下幾個方面：

流體的物性：包括流體的導熱系數(shù)λ、比熱容cp、密度ρ、粘度μ等。導熱系數(shù)越大，流體傳導熱量的能力越強，對流換熱系數(shù)可能越大；比熱容越大，單位質(zhì)量流體攜帶的熱量越多，有利于換熱；密度和粘度影響流體的流動狀態(tài)，進而影響對流換熱。例如，水的導熱系數(shù)和比熱容比空氣大，所以水的對流換熱系數(shù)一般比空氣大。

流體的流動狀態(tài)：層流和湍流的換熱情況不同。湍流時，流體內(nèi)部的混合強烈，熱量傳遞主要依靠流體微團的劇烈混合，對流換熱系數(shù)比層流時大。雷諾數(shù)Re可以判斷流體的流動狀態(tài)，Re越大，越容易形成湍流。

流體的流動起因：分為自然對流和強制對流。強制對流時，流體的流速可以通過外力控制，一般流速較大，對流換熱系數(shù)比自然對流大。例如，用風機強制空氣流動時的換熱效果比自然通風時好。

換熱表面的幾何形狀、尺寸和相對位置：不同的幾何形狀（如平板、圓管、肋片等）會影響流體的流動和換熱情況。例如，肋片可以增大換熱面積，同時改變流體的流動狀態(tài)，提高對流換熱系數(shù)。換熱表面的尺寸大小也會影響邊界層的發(fā)展和流體的流動特性，從而影響對流換熱。此外，表面的相對位置（如水平放置、垂直放置等）也會對自然對流的換熱產(chǎn)生影響。

相變情況：當流體發(fā)生相變（如沸騰或凝結(jié)）時，對流換熱系數(shù)會顯著增大。在沸騰過程中，氣泡的生成和脫離會增強流體的擾動，提高換熱效果；在凝結(jié)過程中，液膜的流動和傳熱特性也會影響換熱系數(shù)。

計算題（每題10分，共20分）

1.有一厚度為δ=0.3m的大平壁，兩側(cè)表面溫度分別為t1=300℃，t2=100℃，平壁材料的導熱系數(shù)λ=1.5W/(m·K)。試求：（1）通過平壁的熱流密度q；（2）平壁內(nèi)距離高溫側(cè)x=0.1m處的溫度t。

解：（1）根據(jù)通過大平壁的穩(wěn)態(tài)導熱熱流密度公式q=λ(t1t2)/δ

已知λ=1.5W/(m·K)，t1=300℃，t2=100℃，δ=0.3m

將數(shù)值代入公式可得：

q=1.5×(300100)/0.3

=1.5×200/0.3

=1000W/m2

（2）對于大平壁的穩(wěn)態(tài)導熱，溫度分布是線性的，溫度梯度dt/dx=-q/λ

先求出溫度梯度dt/dx=-1000/1.5=-2000/3K/m

設(shè)距離高溫側(cè)x=0.1m處的溫度為t，根據(jù)溫度分布的線性關(guān)系有：

(tt1)/x=dt/dx

tt1=x×dt/dx

t=t1+x×dt/dx

將t1=300℃，x=0.1m，dt/dx=-2000/3K/m代入可得：

t=300+0.1×(-2000/3)

=300200/3

=700/3≈233.3℃

2.有一內(nèi)徑d1=20mm，外徑d2=25mm的鋼管，管內(nèi)熱水溫度tf1=80℃，管外空氣溫度tf2=20℃。已知管內(nèi)水與內(nèi)壁面的對流換熱系數(shù)h1=500W/(m2·K)，管外空氣與外壁面的對流換熱系數(shù)h2=10W/(m2·K)，鋼管的導熱系數(shù)λ=45W/(m·K)。試求：（1）單位管長的熱流量Φl；（2）內(nèi)壁面溫度tw1和外壁面溫度tw2。

解：（1）首先計算單位管長的總熱阻Rl

單位管長的對流熱阻：

管內(nèi)對流熱阻Rl1=1/(h1πd1)