傳熱學(xué)經(jīng)典試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）

1.熱量傳遞的三種基本方式是（）。

A.熱對(duì)流、導(dǎo)熱、熱輻射

B.氣化、升華、凝結(jié)

C.熱對(duì)流、導(dǎo)熱、凝結(jié)

D.熱對(duì)流、升華、熱輻射

答案：A

解析：熱量傳遞的三種基本方式為熱對(duì)流、導(dǎo)熱和熱輻射。熱對(duì)流是流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過(guò)程；導(dǎo)熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)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；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。而氣化、升華、凝結(jié)是物質(zhì)的相變過(guò)程，并非熱量傳遞的基本方式。

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.玻璃

答案：C

解析：導(dǎo)熱系數(shù)是表示材料傳導(dǎo)熱量能力大小的物理量。一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，非金屬固體次之，液體較小，氣體最小。在給出的選項(xiàng)中，銅是金屬，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣（氣體）、水（液體）和玻璃（非金屬固體）。

3.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.J/(m2·K)

答案：B

解析：對(duì)流換熱系數(shù)h定義為單位時(shí)間內(nèi)，單位溫度差作用下，通過(guò)單位面積的熱量，根據(jù)牛頓冷卻公式q=hΔT（其中q是熱流密度，單位為W/m2，ΔT是溫差，單位為K），可得h的單位為W/(m2·K)。選項(xiàng)A是導(dǎo)熱系數(shù)的單位；選項(xiàng)C是比熱容的單位；選項(xiàng)D不是常見的傳熱學(xué)物理量單位。

4.黑體是指（）。

A.黑色的物體

B.吸收率為1的物體

C.反射率為1的物體

D.透過(guò)率為1的物體

答案：B

解析：黑體是一種理想化的物體，它能夠吸收投入到其表面上的所有熱輻射能，即其吸收率α=1。黑體并不一定是黑色的物體，黑色物體只是對(duì)可見光吸收能力較強(qiáng)；反射率為1的物體是白體；透過(guò)率為1的物體是透明體。

5.大容器飽和沸騰時(shí)，隨著壁面過(guò)熱度的增加，沸騰曲線依次經(jīng)歷的階段為（）。

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

答案：A

解析：大容器飽和沸騰曲線描述了壁面過(guò)熱度Δt=（為壁面溫度，為飽和溫度）與熱流密度q之間的關(guān)系。當(dāng)壁面過(guò)熱度較小時(shí)，液體以自然對(duì)流方式換熱；隨著過(guò)熱度增加，開始產(chǎn)生氣泡，進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，此時(shí)熱流密度隨過(guò)熱度增加迅速增大；繼續(xù)增大過(guò)熱度，部分氣泡開始連成汽膜，進(jìn)入過(guò)渡沸騰階段，熱流密度開始下降；當(dāng)壁面幾乎全部被汽膜覆蓋時(shí)，進(jìn)入膜態(tài)沸騰階段。

6.下列哪種情況可以采用集總參數(shù)法求解物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題（）。

A.畢渥數(shù)Bi<0.1

B.畢渥數(shù)Bi>0.1

C.傅里葉數(shù)Fo<0.2

D.傅里葉數(shù)Fo>0.2

答案：A

解析：集總參數(shù)法是求解非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的一種簡(jiǎn)化方法，其適用條件是畢渥數(shù)Bi=<0.1（其中h是對(duì)流換熱系數(shù)，L是特征長(zhǎng)度，λ是物體的導(dǎo)熱系數(shù)）。當(dāng)Bi<0.1時(shí)，可認(rèn)為物體內(nèi)部溫度均勻一致，僅與時(shí)間有關(guān)。傅里葉數(shù)Fo=（a是熱擴(kuò)散率，τ是時(shí)間）主要用于描述非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)行的深度。

7.對(duì)于無(wú)限大平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，平壁內(nèi)的溫度分布為（）。

A.線性分布

B.二次曲線分布

C.對(duì)數(shù)曲線分布

D.指數(shù)曲線分布

答案：A

解析：對(duì)于無(wú)限大平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，在無(wú)內(nèi)熱源、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)的情況下，根據(jù)導(dǎo)熱微分方程=0，對(duì)其積分可得t=x+（、為積分常數(shù)），這是一個(gè)線性函數(shù)，所以平壁內(nèi)的溫度分布為線性分布。

8.換熱器效能ε的定義為（）。

A.實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量之比

B.最大可能傳熱量與實(shí)際傳熱量之比

C.冷流體的吸熱量與熱流體的放熱量之比

D.熱流體的放熱量與冷流體的吸熱量之比

答案：A

解析：換熱器效能ε=，其中Q是換熱器的實(shí)際傳熱量，是在給定的冷熱流體進(jìn)口溫度條件下，換熱器可能達(dá)到的最大傳熱量。選項(xiàng)B說(shuō)法錯(cuò)誤；在換熱器中，冷流體的吸熱量等于熱流體的放熱量（忽略熱損失），選項(xiàng)C和D不符合效能的定義。

9.努塞爾數(shù)Nu的物理意義是（）。

A.反映流體導(dǎo)熱能力的大小

B.反映流體對(duì)流換熱能力的大小

C.反映流體慣性力與粘性力的相對(duì)大小

D.反映流體浮升力與粘性力的相對(duì)大小

答案：B

解析：努塞爾數(shù)Nu=，它表示壁面上流體的無(wú)量綱溫度梯度，反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱程度。導(dǎo)熱系數(shù)λ反映流體導(dǎo)熱能力的大??；雷諾數(shù)Re=反映流體慣性力與粘性力的相對(duì)大?。桓窭瓡苑驍?shù)Gr=反映流體浮升力與粘性力的相對(duì)大小。

10.下列哪種因素會(huì)使輻射換熱的角系數(shù)增大（）。

A.兩表面的距離增大

B.兩表面的相對(duì)位置更有利于輻射能的投射

C.兩表面的面積減小

D.兩表面的溫度差減小

答案：B

解析：角系數(shù)表示表面1發(fā)出的輻射能中直接投射到表面2上的百分?jǐn)?shù)，它僅取決于物體的形狀、大小和相對(duì)位置，與物體的溫度、發(fā)射率等物性參數(shù)無(wú)關(guān)。當(dāng)兩表面的相對(duì)位置更有利于輻射能的投射時(shí)，角系數(shù)會(huì)增大；兩表面距離增大、面積減小通常會(huì)使角系數(shù)減小；溫度差對(duì)輻射換熱的換熱量有影響，但對(duì)角系數(shù)無(wú)影響。

二、填空題（每題2分，共20分）

1.導(dǎo)熱系數(shù)的大小表征了物質(zhì)______的能力，一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)______（填“大于”“小于”或“等于”）非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)。

答案：傳導(dǎo)熱量；大于

解析：導(dǎo)熱系數(shù)是衡量物質(zhì)傳導(dǎo)熱量能力的物理量，其值越大，物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力越強(qiáng)。金屬中存在大量的自由電子，自由電子的熱運(yùn)動(dòng)對(duì)熱量傳遞貢獻(xiàn)很大，所以金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般大于非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.對(duì)流換熱的熱阻主要集中在______，強(qiáng)化對(duì)流換熱的關(guān)鍵在于______。

答案：層流底層；減薄層流底層的厚度

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)層流底層的導(dǎo)熱來(lái)完成，由于層流底層內(nèi)流體的流動(dòng)主要是分子擴(kuò)散，熱阻較大，所以對(duì)流換熱的熱阻主要集中在層流底層。減薄層流底層的厚度可以減小熱阻，從而強(qiáng)化對(duì)流換熱。

3.熱輻射的特點(diǎn)是______、______和具有能量形式的轉(zhuǎn)換。

答案：不需要介質(zhì)；以電磁波形式傳遞能量

解析：熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，它不需要任何介質(zhì)就可以在真空中傳播，這是與導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的顯著區(qū)別；熱輻射是以電磁波的形式傳遞能量，在輻射和吸收過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換，即熱能與輻射能的相互轉(zhuǎn)換。

4.畢渥數(shù)Bi反映了______與______的相對(duì)大小。

答案：物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻；物體表面對(duì)流換熱熱阻

解析：畢渥數(shù)Bi==，其中L/λ表示物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻，1/h表示物體表面對(duì)流換熱熱阻，所以Bi反映了兩者的相對(duì)大小。

5.非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中，物體的溫度隨______和______而變化。

答案：時(shí)間；空間位置

解析：非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指物體的溫度隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程，在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中，物體內(nèi)不同位置的溫度也不相同，所以物體的溫度隨時(shí)間和空間位置而變化。

6.大容器飽和沸騰曲線的四個(gè)階段分別是______、______、過(guò)渡沸騰和膜態(tài)沸騰。

答案：自然對(duì)流；核態(tài)沸騰

解析：如前面單項(xiàng)選擇題中所述，大容器飽和沸騰曲線依次經(jīng)歷自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過(guò)渡沸騰和膜態(tài)沸騰四個(gè)階段。

7.換熱器按工作原理可分為______、______和蓄熱式換熱器。

答案：間壁式換熱器；混合式換熱器

解析：間壁式換熱器是冷熱流體被固體壁面隔開，通過(guò)壁面進(jìn)行熱量交換；混合式換熱器是冷熱流體直接接觸混合進(jìn)行熱量交換；蓄熱式換熱器是通過(guò)蓄熱體交替地與冷熱流體接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。

8.努塞爾數(shù)Nu與畢渥數(shù)Bi的表達(dá)式形式相似，但物理意義不同，Nu中的導(dǎo)熱系數(shù)是______的導(dǎo)熱系數(shù)，Bi中的導(dǎo)熱系數(shù)是______的導(dǎo)熱系數(shù)。

答案：流體；固體

解析：努塞爾數(shù)Nu=（是流體的導(dǎo)熱系數(shù)），反映流體對(duì)流換熱能力的大??；畢渥數(shù)Bi=（是固體的導(dǎo)熱系數(shù)），反映物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與表面對(duì)流換熱熱阻的相對(duì)大小。

9.角系數(shù)具有相對(duì)性、______和______三個(gè)性質(zhì)。

答案：完整性；可加性

解析：角系數(shù)的相對(duì)性是指=；完整性是指對(duì)于由n個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，從某一表面i發(fā)出的輻射能必全部投射到封閉系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)表面上，即=1；可加性是指如果表面j由幾個(gè)表面、等組成，則=++?。

10.傅里葉數(shù)Fo反映了______與______的相對(duì)大小。

答案：非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間；物體熱響應(yīng)的時(shí)間

解析：傅里葉數(shù)Fo=，其中a是熱擴(kuò)散率，τ是時(shí)間，L是特征長(zhǎng)度。它反映了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)行的深度，即非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間與物體熱響應(yīng)的時(shí)間的相對(duì)大小。

三、簡(jiǎn)答題（每題10分，共30分）

1.簡(jiǎn)述導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和熱輻射三種熱量傳遞方式的區(qū)別和聯(lián)系。

答：

區(qū)別：

導(dǎo)熱：是物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)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。它需要有溫度差的物體直接接觸，且在固體、液體和氣體中都可以發(fā)生，但在氣體中導(dǎo)熱主要依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)，在固體中金屬主要依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)，非金屬主要依靠晶格振動(dòng)。導(dǎo)熱過(guò)程不需要介質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)，熱傳遞的方向總是從高溫到低溫。

對(duì)流換熱：是流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過(guò)程。它只能發(fā)生在流體中，并且必須同時(shí)伴有流體的導(dǎo)熱。對(duì)流換熱是流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果，其熱傳遞速率比單純的導(dǎo)熱快。對(duì)流換熱過(guò)程中，流體與固體壁面之間存在熱量交換，遵循牛頓冷卻公式q=hΔT。

熱輻射：是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。它不需要任何介質(zhì)，可以在真空中傳播，這是與導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的顯著區(qū)別。熱輻射不僅有能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換，即熱能與輻射能的相互轉(zhuǎn)換。熱輻射的發(fā)射和吸收與物體的溫度和表面性質(zhì)有關(guān)，溫度越高，輻射能力越強(qiáng)。

聯(lián)系：

在實(shí)際的熱量傳遞過(guò)程中，三種熱量傳遞方式往往同時(shí)存在。例如，在一個(gè)高溫物體與周圍環(huán)境的熱量交換中，物體內(nèi)部存在導(dǎo)熱；如果周圍有流體，流體與物體表面會(huì)發(fā)生對(duì)流換熱；同時(shí)，物體和周圍環(huán)境之間還會(huì)進(jìn)行熱輻射。而且，在某些情況下，一種熱量傳遞方式可能會(huì)促進(jìn)或影響其他熱量傳遞方式的進(jìn)行。例如，流體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)會(huì)改變物體表面的溫度分布，從而影響熱輻射和導(dǎo)熱的進(jìn)行。

2.說(shuō)明集總參數(shù)法的物理意義和適用條件，并舉例說(shuō)明其應(yīng)用。

答：

物理意義：集總參數(shù)法是求解非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的一種簡(jiǎn)化方法，它假設(shè)物體內(nèi)部的溫度在任意時(shí)刻都是均勻的，即物體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于物體表面的對(duì)流換熱熱阻，物體的溫度僅與時(shí)間有關(guān)，而與空間位置無(wú)關(guān)。在這種假設(shè)下，物體的溫度變化可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的常微分方程來(lái)描述，大大簡(jiǎn)化了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的求解過(guò)程。

適用條件：集總參數(shù)法的適用條件是畢渥數(shù)Bi=<0.1，其中h是對(duì)流換熱系數(shù)，L是物體的特征長(zhǎng)度，λ是物體的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)Bi<0.1時(shí)，物體內(nèi)部的溫度梯度很小，可以認(rèn)為物體內(nèi)部溫度均勻。

應(yīng)用舉例：在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于一些尺寸較小、導(dǎo)熱性能較好的物體在流體中進(jìn)行加熱或冷卻的過(guò)程，可以采用集總參數(shù)法進(jìn)行分析。例如，將一個(gè)小的金屬球放入熱水中進(jìn)行加熱，由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，而小球的尺寸較小，在加熱過(guò)程中，如果滿足Bi<0.1的條件，就可以用集總參數(shù)法來(lái)計(jì)算小球溫度隨時(shí)間的變化，從而確定加熱所需的時(shí)間和加熱效果。又如，電子元件在空氣中的散熱問(wèn)題，如果電子元件的尺寸較小且導(dǎo)熱性能良好，也可以采用集總參數(shù)法來(lái)分析其溫度變化情況，為電子元件的散熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.什么是換熱器的效能傳熱單元數(shù)法（εNTU法）？它有什么優(yōu)點(diǎn)？

答：

換熱器的效能傳熱單元數(shù)法（εNTU法）：

效能ε=，其中Q是換熱器的實(shí)際傳熱量，是在給定的冷熱流體進(jìn)口溫度條件下，換熱器可能達(dá)到的最大傳熱量。傳熱單元數(shù)NTU=，其中K是換熱器的總傳熱系數(shù)，A是傳熱面積，是冷熱流體中熱容量較小的流體的熱容量C=m（m是質(zhì)量流量，是定壓比熱容）。εNTU法建立了換熱器的效能ε、傳熱單元數(shù)NTU和熱容量比=之間的關(guān)系，通過(guò)這些關(guān)系可以方便地進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。

優(yōu)點(diǎn)：

計(jì)算簡(jiǎn)便：在已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度和流量等條件下，使用εNTU法不需要像對(duì)數(shù)平均溫差法那樣先假設(shè)流體的出口溫度，然后進(jìn)行迭代計(jì)算，而是可以直接根據(jù)已知條件計(jì)算出ε、NTU和，再通過(guò)相應(yīng)的圖表或公