传热学思考题答案中国石油大学.pdfVIP

第一章第一章 1.1. 试说明试说明热传导、热对流和热辐射三种热传递方式之间的区别和联系。热传导、热对流和热辐射三种热传递方式之间的区别和联系。 答：区别：热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及 自由电子等微观粒子的热运动而传递热量过程；热对流是指流体中温度不同的 各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象；热辐射是指物体由于 自身温度（热）的原因而发出辐射能的现象。热传导和热辐射都是物体的固有 属性，但热对流过程与外界环境有关，不是物体的固有属性。 联系：三种传递方式都有热量的转移过程。 2.2.试举例出生活中热传导，对流传热，辐射传热的实例。试举例出生活中热传导，对流传热，辐射传热的实例。 答：热传导：将金属棒的一端伸入火炉中烧，另一端用手拿着，过了一会儿手 就感到热；冬天用手触摸木制门上的铁把手，会感到凉，是由于作为高温物体 的手将热量传递给了低温物体的铁把手的缘故。 对流传热：热量由人体表面的散失；暖气表面和空气的热交换；热水在管内与 管壁的换热；钻井液、油井产液等在管内或管外与管壁的换热。 辐射传热：暖气片与墙壁间的辐射传热等等。 3.3.试说明热对流与对流传热之间的区别和联系。试说明热对流与对流传热之间的区别和联系。 答：区别：热对流是指流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引 起的热量传递现象；而对流传热是指流动的流体与温度不同的固体壁面之间的 热量传递过程。 联系：对流传热包括热对流和热传导。 4.4.导导热系数，表面传热系数和传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数？哪热系数，表面传热系数和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？些与过程有关？ 答：.导热系数：W/(mK)，表面传热系数: W/(m 2K)，传热系数: W/(m2K). 导热系数是物性参数，表面传热系数和传热系数与过程有关。 5. 5. 导热系数，表面传热系数和传热系数的单位中的绝对温度导热系数，表面传热系数和传热系数的单位中的绝对温度 K K 若换成摄氏温若换成摄氏温 度，试问其数值是否发生变化？为什么？度，试问其数值是否发生变化？为什么？ 答：不发生变化。因为我们由三者相关的热量计算公式可知，三者都与温差相 乘，而无论是开尔文温度还是摄氏温度，其温差是一样的，因此数值不发生改 变。 6.6.冬天，在同样的气温下，为什么有风是比无风时感到寒冷？冬天，在同样的气温下，为什么有风是比无风时感到寒冷？ 答： 冬天，人体的温度要高于周围环境温度，在人体表面与空气间存在对流传 热，热能散失，因此会感觉到冷，但有风时的表面传热系数要比无风时大，因 此热量散失得越快，因此有风是比无风时感到寒冷。 7.7.在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在 2020 度，为什么夏天只需穿度，为什么夏天只需穿 衬衫，但冬天穿衬衫会觉得冷呢？衬衫，但冬天穿衬衫会觉得冷呢？ 答：人体和墙壁之间存在辐射传热，但由于冬天的墙壁要比夏天的冷，人体热 辐射所传递的能量更多，因此冬天穿衬衫会觉得冷。 8.8.在计算机主机箱中为什么在在计算机主机箱中为什么在 CPUCPU 处理器和电源处理器和电源旁旁要加风扇？要加风扇？ 答：CPU 处理器和电源会产生大量的热，加风扇可以增加传热系数，加快热量 的散失，保护 CPU 处理器和电源由于过热而损坏。 9.9.在保温瓶中，热量有热水经过双层瓶胆传在保温瓶中，热量有热水经过双层瓶胆传到到瓶外的空气及环境，试分析此传瓶外的空气及环境，试分析此传 热过程包涵哪些传热的基本方式和过程，并判断暖瓶保温的关键在哪里？热过程包涵哪些传热的基本方式和过程，并判断暖瓶保温的关键在哪里？ 答：热水以对流传热的方式将热量传给瓶胆内壁，以导热的方式将热量传到壁 面的另一侧，因为两层瓶胆之间是真空，不存在对流传热，第一层瓶胆的外壁 以辐射传热的方式传给第二层瓶胆的内壁，再以导热的方式将热量传到壁面的 另一侧，最后另一侧壁面以对流传热的方式将热量传给瓶外的空气及环境，另 外，热水由于温度很高，对外也存在热辐射。 关键：一方面两层瓶胆之间是真空，消除了对流传热；另一方面，瓶胆上涂有 银粉，减小发射率，使热辐射减弱。 10.10.有两个外形相同的保温杯有两个外形相同的保温杯 A A 和和 B B，注入同样温度，同样体积的热水后不久，注入同样温度，同样体积的热水后不久， 在在 A A 杯的外表面就可以感到热，而杯的外表面就可以感到热，而 B B 杯则感觉不到温度的变化，试问哪个保温杯则感觉不到温度的变化，试问哪个保温 杯的保温效果好？杯的保温效果好？ 答:B 杯保温效果好。A 杯外表面感到热说明杯中热水的热能更快地传递到外表 面，进而通过对流传热散失到空气中，A 杯热水温度下降更快。 11.11.试分析室内暖气片的散试分析室内暖气片的散热过程中有哪些热量传递环节和方式？以暖气片管热过程中有哪些热量传递环节和方式？以暖气片管 内内走热水为例。内内走热水为例。 答：有热水与暖气片内壁的对流传热，内壁到外壁的热传导，外壁到室内空气 的对流传热，以及暖气片外表面与墙壁等之间的辐射传热。 1212：请从传热学的角度分析冬天的采暖器和夏天的空调器应该放在室内什么位：请从传热学的角度分析冬天的采暖器和夏天的空调器应该放在室内什么位 置最合适？置最合适？ 答：冬天的采暖器应该放在低处，而夏天的空调器则应该放在室内的高处。冬 天室内空气较低温，采暖器加热低处的冷空气，使空气密度减小而上升，四周 的冷空气聚集到暖气周围受热再上升；夏天室内空气较高温，空调器放在高处 冷却空气，使空气密度增大而下沉，周围热空气补充到空调周围，冷却后下沉。 利用空气密度差异引起空气的运动，可以增大表面传热系数，加快对流传热过 程。 第二章第二章 2.2.1 1 什么是傅里叶导热定律？它的意义是什么？什么是傅里叶导热定律？它的意义是什么？ 答：傅里叶定律是指在任意时刻，各向同性连续介质内任意位置处的热流密度 在数值上与该点的温度梯度成正比，但方向相反。意义意义：揭示了导热热流与局 部温度梯度之间的内在关系。 2.2 2.2 傅里叶定律中没有时间项，能否用来计算非稳态导热过程中的导热量？傅里叶定律中没有时间项，能否用来计算非稳态导热过程中的导热量？ 答: 能，傅里叶定律是导热的基本定律，是分析导热问题的理论基础。非稳 态导热过程的求解需要导热微分方程，而导热微分方程是在傅里叶定律的基础 上推到得到。 2.32.3 举例说明影响导热系数的因素有哪些举例说明影响导热系数的因素有哪些？ 答： 导热系数与物质的种类、物态、 、结构、温度、压力等诸多因素有关。 如：对于同一物质，导热系数固态液态气态；金属的导热系数又大于其合金； 有些材料导热系数还与方向有关，如木材，石墨，这类材料被称为各向异性材 料。 2.42.4 什么是保温材料什么是保温材料? ?选择和安装时应注意哪些问题。选择和安装时应注意哪些问题。 答：导热系数小的非金属材料在保温隔热、保冷工程中应用广泛，这类材料 被称为保温材料或隔热材料。工程上对保温材料的要求是高效、耐温、易得和 廉价，选择是应注意保温材料的导热系数不大于 0.12w/(m*k)，使用时材料吸 水后会使性能下降，导热系数增加，因此使用时应注意防水。 2.52.5 推导导热微分方程时依据的原理和定律是什么？推导导热微分方程时依据的原理和定律是什么？ 答: 依据能量守恒原理推导，基本定律傅里叶导热定律。 对于选择的微元体由控制容积的能量守恒定律：进入控制容积的总热流 量+控制容积内热源的生成热-离开控制容积的总流量=控制容积内热力学能的增 加。 2.62.6 说明直角坐标系下的导热微分方程的适用条件说明直角坐标系下的导热微分方程的适用条件 答：适用于满足傅里叶定律的一切导热过程。 2.72.7 具体导热问题完整的数学描述应当包括哪些内容？具体导热问题完整的数学描述应当包括哪些内容？ 答:应包括反应导热问题共性的导热微分方程和体现具体问题特性或个性的定 解条件。 2.82.8 何谓导热问题的单值性条件？它包括哪些内容？何谓导热问题的单值性条件？它包括哪些内容？ 答：对一般导热问题单值性条件包括：几何条件、物理条件、初始条件、边 界条件。 2.92.9 试分别用数学语言及传热学术语说明导热问题的三种类型边界条件试分别用数学语言及传热学术语说明导热问题的三种类型边界条件。 答 ： 第 一 类 边 界 条 件 ： 规 定 导 热 物 体 边 界 上 的 温 度 一 般 情 况 0 t|=f(x,y,z,) 一种常见的情况:t| = 常数 第二类边界条件：规定了导热物体在边界上的热流密度分布 0 |= |= (,) 一种经常遇到的恒热流边界：|=常数 第三类边界条件:规定边界上的换热状况： |= (| ) 2.102.10 能否将三类边界条件转换成统一的表达式，什么情况下第三类能转换成第能否将三类边界条件转换成统一的表达式，什么情况下第三类能转换成第 一类边界条件？一类边界条件？ 答：不会做。 2.112.11 二维无内热源稳态导热微分方程为二维无内热源稳态导热微分方程为; ; + = 并无导热系数，因此有人并无导热系数，因此有人 说该导热物体内温度的分布与导热系数无关，你认为呢？说该导热物体内温度的分布与导热系数无关，你认为呢？ 答：由傅里叶定律可知物体内温度分布梯度，傅里叶定律与导热系数有关。 2.122.12 一维无限大平壁稳态导热问题，两侧给出第二类边界条件能否求温度分布一维无限大平壁稳态导热问题，两侧给出第二类边界条件能否求温度分布? ? 两侧面边界条件哪些组合可以求得温度场确定结果？两侧面边界条件哪些组合可以求得温度场确定结果？ 答：见例 2-2 2.132.13 为什么导电性能好的金属导热性能为什么导电性能好的金属导热性能也也好好？ 答：纯金属中热量传递主要是自由电子的迁移与金属导热的机理相同。 2.142.14 冬天新建的居民楼比旧楼房感觉更冷为什么冬天新建的居民楼比旧楼房感觉更冷为什么? ? 答：新建的楼房，墙体中含有较多的水分，导热系数较大，导热能力较强。 2 2- -1515 空心砖好，因为空心砖内部充满空气，而空气的导热系数相对较小，热阻 较大，空心砖导热性较之实心砖差，同一条件下空心砖的房间的散热量小，保 温性好。 2 2- -1616 棉被中棉絮的中充斥着空气，空气导热系数小，所以棉絮中的热量不容易 散发出来，拍打过后，棉絮更加蓬松，空气增多，故效果更好。 2 2- -1717 导热系数是从傅里叶定律定义出来的一个物性量，它反映了物质的导热性 能；热扩散系数是从导热微分方程从定义出来的一个物性量，它反映了物质的 热量扩散性能，也就是热流在物体内的渗流的快慢程度，两者的差异在于前者 是导热过程的静态特性量，而或者则是导热过程的动态特征量，因而热扩散系 数反映的是非稳态导热过程的特征。 第三章第三章 1 1 常物性、无内热源平壁稳态导热公式为 = A = 12 = 和q = ，可见 或 q与、A 和 t之间的关系，当壁厚，壁温及壁的性质确定时， 热流量或热流密度为常数 2 2 曲线向下弯曲，说明 b0，所以随壁温增加而减小。 3 3 稳态。根据傅里叶定律，在没有内热源的情况下，及时导热系数随温度变化， 通过平壁的热流密度仍然为常数，通过变物性平壁的的热流密度仍可以按导热 系数为常数时的公式进行计算，这可以说明平壁内导热为稳态。 4 4 右边平壁斜率明显大于左边平壁，故右边平壁导热性能更好，所以12 5 5 b0 使曲线上凸，b0 使平壁下凹，图见课本 40 页。 6 6 圆柱两头有温差，中间形成热流；圆柱有多层，分析其径向传热时 7 7 略 8 8 略 9 9 测量值比实际值偏高。壁温高于流体温度，套管相当于一个肋板，故肋片上 温度高于流体温度。 1010 结霜的房屋保温性能好。不结霜的房屋说明房屋内的热量通过房顶导热散失 掉了，导致霜的融化，故结霜房屋保温性能好。 11 冰箱制冷机将具有较低温度的被冷却物体的热量转移给环境介质从而获得冷 量，如果冰箱结霜，那么总热阻增大，能耗增大。 12、增大总热阻。以双层玻璃为例，当夹层空气只起导热作用时，传热过程有 热空气与内层玻璃内表面对流传热、内层玻璃导热、空气层导热、外层玻璃导 热以及外层玻璃外表面与室外空气对流传热五个环节；对单层玻璃，只有热空 气与玻璃内表面对流传热、玻璃导热和玻璃外表面与室外空气对流传热三个环 节。双层玻璃的热阻显著增大，保温性能显著提高。 13、略 14、管道外表面温度低于零度，附近水汽凝华结为霜。说明其保温性能差，管 中低温介质冷量散失。 15、物体的温度随时间发生明显变化，称为非稳态导热。以平壁为例，平壁刚 刚投入流体中时，由于流体和壁面间的传热温差最大，热流量立即达到最大值， 此时温度分布曲线最陡；随着壁面温度的升高，热流量逐渐减小最终趋于零， 温度分布曲线逐渐平缓。 16、传热学中，当壁面的厚度远远小于宽度和高度，并且可以忽略温度沿宽度 和高度方向的变化，即忽略边缘散热的影响，这样的壁面成为平壁。一维平壁 导热的特点是温度只沿着厚度方向变化。对房间进行采暖设计时需要计算通过 墙壁玻璃等围护结构的散热量，确定冷库制冷压缩机功率时要计算通过墙壁进 入冷库的热量，对大型油罐进行保温设计需要知道通过罐壁的散热量。 17、非稳态导热过程进行到一定程度，初始温度分布的影响就会消失，虽然各 点温度仍随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置(x/)和 边界条件(Bi 数) 的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况 阶段或充分发展阶段。 这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行 计算。 18、Bi 数是物体内外热阻之比的相对值。Bi 趋近于 0 时说明传热热阻主要在边 界，内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析求解；Bi 趋向于无穷大时， 说明传热热阻主要在内部，可以近似认为壁温就是流体温度。认为 Bi 趋向于 0 代表绝热工况是不正确的，该工况是指边界热阻相对于内部热阻较大，而绝热 工况下边界热阻无限大。 19、当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。 而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布， 温度只是时间的函数，数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低 了求解难度。 20、要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数= ，形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流 换热。 21、不可信 22、几何上，半无限大物体可以看成是从界面开始向其内部无限延伸的物体， 比如大地看作是以地表为界面向地心延伸的半无限大物体；物理上，如果一定 时间内边界上的温度扰动只传播到物体内的有限范围内，而在该范围外物体仍 然保持原来的状态，那么也可以视为半无限大物体。 因为物体向纵深无限延伸，初始温度的影响永远不会消除，所以半无限大 物体的非稳念导热不存在正规状况阶段。 23、略。 3.24 第四章第四章 1.对流传热微分方程式没有第三类边界条件。但如果流体通过薄壁与另一侧流 体进行换热，则另一侧流体的表面传热系数可以出现在待求流体的边界条件中， 此时类似于第三类边界条件。 2.课本 78 页 3.包括传热微分方程，能量方程，动量方程，连续性方程。（具体公式见课本） 4.不可以。流速会影响能量场，能量场会影响温度场的分布，有由传热微分方 程可以看出，流速最终会影响传热系数。 5.流动边界层：近壁处流速有一法向速度梯度的薄层，称流动边界层。 特点：1.速度为主流速度的 99%。2.沿 x 方向，分为层流边界层，过渡区，湍 流边界层。3.湍流边界层包括层流底层，缓冲区和旺盛湍流。 热边界层：流体流过平板而平板温度与来流流体温度不同，在壁面上方形成温 度发生显著变化的薄层。 特点：1.过余温度为主流过余温度的 99% 2.温度变化主要集中在热流边界区域 6.传热系数大，则热量交换大，温度变化大，所以温度变化的地方传热系数也 越大。 边界层中 x=0 处的温度变化率最大 7. 1.假设是稳态，故忽略了非稳态项； 2. 2 2 2 2, 2 2被舍去。 8.流体外掠平板的层流流动中，热边界层越来越厚，其局部表面传热系数越来 越小，是因为此处以热传导为主，随着边界层厚度增加，导热热阻增大，局部 表面传热系数减小。 9.内容：同一物理现象中，凡相似的现象在空间对应的点上和时间对应的瞬间， 其对应的物理量成一定比例 应用：1.应用相似原理指导模化实验 2.根据相似原理安排与整理实验数据。 10.Re：反应流体惯性力和粘滞力相对大小的 Pr：流体动量传递能力和热量传递能力的相对大小 Nu：流体换热的强弱 Gr：流体浮升力和粘滞力的相对大小 Bi：内部热阻和外部对流传热热阻的相对大小 Fo：=无量纲时间 11.不适用。高粘度的流体因粘度大而多处于层流状态，表面传热系数一般较小。 12.是相似的。（由 Re = d 可知） 13.13.试定性地画出油（试定性地画出油（Pr1Pr1）, ,空气空气（PrPr1 1）及液态金属及液态金属（P Pr热边界层厚度 （注意普朗特数的物理意义。 ） 14.14.试定性地画出流体外掠平板时局部表面传热系数试定性地画出流体外掠平板时局部表面传热系数的沿程变化曲线。的沿程变化曲线。 答：如下图。 解释：平板下端，边界层较薄，边界层内温度梯度大， 表面传热系数较大。 随流体沿板长流动，边界层逐渐增厚，温度梯度减小， 表面传热系数逐渐减小。 在过渡区，流体的扰动和混合作用加强，表面传热系数 增加。 在旺盛湍流区，边界层厚度不变，表面传热系数基本稳 定在一个较高数值上不变。 15.15.对管内强迫对流传热，为什么采用弯管和短管能够强化传热？对管内强迫对流传热，为什么采用弯管和短管能够强化传热？ 答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而 换热强的特点，即所谓的“入口效应” ，从而强化换热。而对于弯管，流体流经 弯管时，由于离心力作用，在横截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化 了换热。 16.16.相同条件下，大管径和小管径对流传热的平均表面传热系数哪个大？相同条件下，大管径和小管径对流传热的平均表面传热系数哪个大？ 答：在相同条件下，小管径的对流传热系数应更大。 17.17.湍流强制对流传热在其他条件相同的情况下，粗糙管的表面传热系数要大湍流强制对流传热在其他条件相同的情况下，粗糙管的表面传热系数要大 于光滑管的表面传热系数，为什么？于光滑管的表面传热系数，为什么？ 答：湍流时层流底层很薄，粗糙管凸起部分暴露于紊流核心区，扰动流体从而 强化了对流传热。 1818在相同流速，相同温度的条件下，流体在管内流动和横掠单管时哪一种情在相同流速，相同温度的条件下，流体在管内流动和横掠单管时哪一种情 形的表面传热系数更大？试从物理意义上说明之。形的表面传热系数更大？试从物理意义上说明之。 答：横掠单管时表面传热系数更大。由于横掠单管时要产生边界层的脱离表面 现象，使得扰动大大增加，热量传递速度加快。 19.19.什么是内部流动？什么是外部流动？什么是内部流动？什么是外部流动？ 答: 内部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层可能受到邻近壁面存在的 限制,流体被约束在周边封闭的壁面内的流动。 外部流动：换热壁面上流动边界层与热边界层自由发展，不受壁面存在限制的 流动。 20.20.对流动现象而言，外掠单管的流动与管道内的流动有什么不同？对流动现象而言，外掠单管的流动与管道内的流动有什么不同？ 答：管道内的流动，具有流动边界层的特征。外掠单管流动除了具有流动边界 层的特征以外，还要发生绕流脱体，产生回流，漩涡和涡束。 21.21.常物性流体在直径分别为常物性流体在直径分别为,的管内流过，且的管内流过，且= 。试分析比较下列。试分析比较下列 两种情况下两管表面传热系数的大小：两种情况下两管表面传热系数的大小：a a. .流体在管内的流速相同流体在管内的流速相同 b. b. 流体在两流体在两 管内的质量流量相同管内的质量流量相同 答：a 流速相同时1= 2, Nu = = 0.230.8 带入管长，可得1 2 = 11 22 = 0.871 b 质量流量相同时，1 2 = 1 1 2 2 = 2 1 = 1 4 则 1 2 = (11 22) 0.8 2 1 = 0.287 22.22.从传热的角度出发，冬天用的采暖器（如暖气片）和夏季用的空调器应放从传热的角度出发，冬天用的采暖器（如暖气片）和夏季用的空调器应放 在室内什么高度最合适？在室内什么高度最合适？ 答：采暖气应放在比较低的位置（如地面） ，地面附近的热空气密度较小，上方 的冷空气密度较大，由于密度差异会产生浮升力，从而使热流体自然向上运动， 强化了对流传热。空调器应放在比较高的位置，原理与采暖器的原理相同。 23.23.家用吊扇常安装在天花板上，试问从传热的角度分析，这种安装方法合理家用吊扇常安装在天花板上，试问从传热的角度分析，这种安装方法合理 吗？为什么？吗？为什么？ 答：不合理，低处的空气温度较低，密度较大，而高处的空气密度小，温度相 对较高。吊扇安装在天花板上，使气流运动的方向与浮升力作用的方向正好相 反，吊扇装在高处没有充分利用自然对流传热，只是利用风速强化了强制对流 传热。 24.24.在同样气温时，为何刮风天气比无风天气感到更冷？在同样气温时，为何刮风天气比无风天气感到更冷？ 答：刮风天气时流体具有来流速度，相当于大空间强迫对流传热，无风时相当 于自然对流传热，强迫对流传热的传热系数要大于自然对流传热系数，因此会 带走更多热量，使人感到更冷。 25.25.冬天，当你将手伸到室温下的水中时会感到很凉，但手在同一温度下的空冬天，当你将手伸到室温下的水中时会感到很凉，但手在同一温度下的空 气中并没有那样冷的感觉？为什么？气中并没有那样冷的感觉？为什么？ 答：这是由于水的自然对流传热系数比空气的自然对流传热系数大两个数量级， 因此在相同温度下水可以带走比空气更多的热量。 26.26.问题：流体具有密度差时是否一定会形成自然对流？问题：流体具有密度差时是否一定会形成自然对流？ 答：当上层的流体密度大,下层密度小（水壶烧水现象）,这时会产生自然对流； 相反,上层密度小,下层密度大,就不会产生自然对流（对应于大气经常出现的逆 温层现象,很不利于污染物的扩散. 27. 27. 什么叫大自然空间的自然对流传热？有限空间的自然对流传热呢？什么叫大自然空间的自然对流传热？有限空间的自然对流传热呢？ 答:根据自然对流中边界边界层的形成和发展是否受到周围空间的限制分为这两 种自然对流换热。 28.28.什么是湍流自然对流的传热的自模化现象？有何意义？什么是湍流自然对流的传热的自模化现象？有何意义？ 答：在湍流中，自然对流的表面传热系数与特征尺寸l无关， ，这种现象就叫做 自模化。自模化对于指导实验有很大的意义，只要在实验中保持湍流自然对流， 实验尺寸小一些，而不会影响特征数实验关联式的准确性，模型尺寸变小可以 降低实验难度和费用。 29.29.分析冷热表面的热量交换方式有何不同？如果要测定夹层流体的导热系数，分析冷热表面的热量交换方式有何不同？如果要测定夹层流体的导热系数， 应采用应采用哪一种？哪一种？ 答：热在上,冷在下,液体自上而下导热,主要是热传导 热在下,冷在上,液体会形成对流,主要是发生热传导、热对流（因为自然对流 虽然是因为温度场不均发生的，但还要受到重力场的影响，热面在下，向上产 生流动场，冷面在下，向下产生流动场，从而产生对流换热） 。 如果要测定流体的导热系数，用采用第一种。 3030- -3535 不考不考 第五章：第五章： 1.1.什么叫灰体，黑体，白体？他们与灰色物体，黑色物体，白色物体有什么区什么叫灰体，黑体，白体？他们与灰色物体，黑色物体，白色物体有什么区 别？引入后对辐射传热有何意义？别？引入后对辐射传热有何意义？ 答：如果某一物体的单色吸收率与投射到该物体的辐射能的波长无关，即= 常数，则称为灰体，若某一物体在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收 率都等于 1,也即说：=1，=0，这一物体便被称为绝对黑体，简称黑体。 物体的反射率是表明物体反射辐射能的本领，当=1 时称为绝对白体，简称 白体。不能凭颜色来判断，因为黑色的物体不一定是黑体，白色的物体不一定 是白体。如对于太阳辐射来说，雪是良好的白体，但它几乎可以全部吸收投射 到它表面的红外辐射而非常接近于黑体。 意义：黑体可以为实际物体的辐射规律的研究和分析提供参照，从而降低研究 的难度。又因为实际物体对投入辐射的吸收具有光谱选择性，从而为辐射传热 的规律研究带来不便，从而提出了灰体的概念。 2.2.一个物体，只要温度大于一个物体，只要温度大于 0K0K 就会不断向外界辐射能量，那么它的温度为什就会不断向外界辐射能量，那么它的温度为什 么不会因为辐射而降至么不会因为辐射而降至 0K?0K? 答：一个物体和其所处环境的温度一样,那么其辐射出去的热量和接收到的热量 是相同的,也就是其温度是动态平衡的.其温度和质量都不会减少 3.3.什么叫光谱吸收比？物体在不同光源照耀下会呈现不同的颜色什么叫光谱吸收比？物体在不同光源照耀下会呈现不同的颜色 ，为什么？，为什么？ 答：物体吸收某一特定波长辐射能的百分数成为光谱吸收比（spectral absorptive） 。因为 h 实际物体对于不同的光源具有不同的反射比，吸收比和投 射比，所以我们看到物体在不同的光下，会有不同的颜色。 4 4、加热炉内铁块升温过程中颜色变化是：当铁块的温度低于、加热炉内铁块升温过程中颜色变化是：当铁块的温度低于 800K800K 时，铁块暗时，铁块暗 黑色，随着温度升高，逐渐变为暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色。如何解释？黑色，随着温度升高，逐渐变为暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色。如何解释？ 答：根据韦恩位移定律： = 2898 ,表明黑体最大光谱辐射力所对应的波 长与其温度成反比。随着铁块温度增大，最大光谱辐射力所对应的波长逐渐减 小，所以才会从波长较大的暗红色逐渐过渡到波长较小的亮白色。 5 5、我们看到的高温、我们看到的高温炉中火焰的红色和衣服的红色是一回事吗？炉中火焰的红色和衣服的红色是一回事吗？ 答：否。高温中炉火呈现红色，是因为自身温度高，最大光谱辐射力对应的是 红光波段；衣服温度低，最大光谱辐射力对应的波段不在可见光范围内，吸收 红光以外的可见光、反射红光才会呈现红色。 6 6、焊接工人在焊工件时为什么戴着一副黑色眼镜？、焊接工人在焊工件时为什么戴着一副黑色眼镜？ 答：黑色眼睛可以吸收焊接过程中的有害紫外线。 7 7、夏天阳光下以穿浅色衣服为好，而在钢铁厂的高温车间内，工人有的穿白、夏天阳光下以穿浅色衣服为好，而在钢铁厂的高温车间内，工人有的穿白 色工作服、有的却穿深色工作服，为什么？色工作服、有的却穿深色工作服，为什么？ 答：物体对太阳辐射（大部分在可见光波段）的吸收能力与自身颜色有关，深 色吸收能力强，浅色吸收能力弱，所以夏天阳光下穿浅色衣服凉爽；物体对于 工业温度下的热辐射的吸收能力与自身颜色关系不大，所以工人可以穿深色衣 服。 8 8、从减少冷藏车冷量损失出发，试分析冷藏车外壳油漆颜色深一点好还是浅、从减少冷藏车冷量损失出发，试分析冷藏车外壳油漆颜色深一点好还是浅 一点好？为什么？一点好？为什么？ 答：浅一点好。浅色对太阳辐射吸收能力弱，深色对太阳辐射吸收能力强，浅 色油漆可以有效减少冷藏车吸收太阳辐射、散失冷量。 9 9、下图是普通玻璃的光谱投射比与波长的关系，试据此解释玻璃房的温室效、下图是普通玻璃的光谱投射比与波长的关系，试据此解释玻璃房的温室效 应。应。 答：由图可见，无论是哪一种厚度的玻璃，当波长在 0.3-4.2 m 时，光谱穿 透比较大；当波长大于 4.2 m 时，光谱吸收比较小。因此可见光可以穿透玻 璃，玻璃房可以吸收太阳辐射；而部分红外热辐射则不能穿透，玻璃房内物体 温度低，热辐射波长较大，玻璃房内热量难以散失。 1010、已知在短波（波长小于、已知在短波（波长小于 1 1 微米）范围内，木板的光谱吸收比小于铝板光谱微米）范围内，木板的光谱吸收比小于铝板光谱 吸收比，而在长波范围内则相反。当两者同时长时间放在阳光下时，铝板和木吸收比，而在长波范围内则相反。当两者同时长时间放在阳光下时，铝板和木 板谁的温度高？板谁的温度高？ 答：从吸收能量角度看，太阳辐射中能量集中分布于可见光波段，而可见光属 于短波，所以铝板吸收更多热量；从辐射能量角度看，铝板和木板的辐射为长 波红外辐射，根据基尔霍夫定律：吸收比=发射率，长波范围内木板向外辐 射热量更多。综上，铝板温度更高。 1111、为提高太阳能热水器效率，在其受热面上涂有一层黑色涂料，你认为该涂、为提高太阳能热水器效率，在其受热面上涂有一层黑色涂料，你认为该涂 料的光谱吸收比随波波长变化的最佳曲线是什么？具有黑体性质是否最好？辐料的光谱吸收比随波波长变化的最佳曲线是什么？具有黑体性质是否最好？辐 射采暖器表面是否也需要该涂料？为什么？射采暖器表面是否也需要该涂料？为什么？ 答：波长小于 0.2m 时光谱吸收比一直很低，当波长在 0.2-2 m 范围内光谱 吸收比一直很大，当波长大于 2m 时光谱吸收比减小。受热面内层涂料最好具 有较大黑度，利于吸热。需要，根据基尔霍夫定律：吸收比=发射率，黑度 大则发射率也大，辐射能力强。 1212、简述基尔霍夫定律的主要内容，写出其表达式并说明其适用条件。、简述基尔霍夫定律的主要内容，写出其表达式并说明其适用条件。 答：论述 1：在热平衡条件下，物体的辐射力与它对黑体辐射的吸收比的比值 等于同温度下黑体的辐射力，即 = 。 论述 2：实际物体的半球向总吸收比等于其半球向总发射率，即 = = 。 条件：物体与来自黑体的投入辐射处于热平衡；保持灰体温度不变，则其 吸收比等于同温度下的发射率。 1313、基尔霍夫定律表明：善于吸收的物体必定善于辐射。将太阳能集热器的表、基尔霍夫定律表明：善于吸收的物体必定善于辐射。将太阳能集热器的表 面涂以某种涂层，使其表面吸收太阳能的能力比本身辐射能力大若干倍，这是面涂以某种涂层，使其表面吸收太阳能的能力比本身辐射能力大若干倍，这是 否与基尔霍夫定律矛盾？否与基尔霍夫定律矛盾？ 答：不矛盾。阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上， 将太阳光能的热量吸收。由于两层玻璃之间是真空隔热的，没有了热传导和热 对流，黑色吸收层依然向外辐射热量且辐射能力强，但是黑色吸收层温度低， 其热辐射在红外波段，难以透过第一层玻璃，绝大部分热量只能传给玻璃管里 面的水，使玻璃管内的水加热。 1414、温、温度为度为 310K310K 的的 4 4 个表面置于太阳光的照射下，各表面的光谱吸收比随波个表面置于太阳光的照射下，各表面的光谱吸收比随波 长的变化如下图所示。在计算与太阳能的辐射换热时那些表面可以作为灰体处长的变化如下图所示。在计算与太阳能的辐射换热时那些表面可以作为灰体处 理？为什么？理？为什么？ 答：左上、右上两个可以视为灰体。太阳辐射能量集中于 0.2-2 m 波长范围 内，所以光谱吸收比在此范围内保持恒定的物体即可以视为灰体处理。 1515、角系数有哪些性质？、角系数有哪些性质？ 答：角系数有相对性、完整性和可加性。相对性是在两物体处于热平衡时，净 辐射换热量为零的条件下导得的；完整性反映了一个由几个表面组成的封闭系 统中。任一表面所发生的辐射能必全部落到封闭系统的各个表面上；可加性是 说明从表面 1 发出而落到表面 2 上的总能量等于落到表面 2 上各部份的辐射能 之和。 1616、研究多个灰体间的辐射传热时，为什么要先设法构成包括这些物体表面在、研究多个灰体间的辐射传热时，为什么要先设法构成包括这些物体表面在 内的封闭系统？内的封闭系统？ 答：在两个表面构成的封闭辐射传热系统中，表面的净辐射能量就是它与另一 个表面间的辐射传热量，若两个表面不构成封闭系统，则二者未必相等。类似 地，多个灰体间的辐射传热，如果不构成封闭系统，则净辐射能量和辐射传热 量未必相等。 5.175.17 什么是一个表面的自身辐射、投入辐射及有效辐射？有效辐射的引入对于什么是一个表面的自身辐射、投入辐射及有效辐射？有效辐射的引入对于 灰体表面系统辐射传热的计算有什么作用？灰体表面系统辐射传热的计算有什么作用？ 答：物体表面向外界以电磁波的方式传递能量称为该表面的自身辐射；将单位 时间内从外界投射到物体单位表面积上的总辐射能称为该表面的投入辐射；单 位时间内离开单位表面积的总辐射能称为有效辐射。 5.185.18 什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？ 答：表面热阻：发射率不为 1 或表面积 A 不是无限大时而产生的热阻 空间热阻：由于空间几何关系决定的热阻 5.195.19 什么是遮热板？遮热板为什么可以减小辐射传热？举例什么是遮热板？遮热板为什么可以减小辐射传热？举例 答：遮热板：插入在两个辐射传热面之间，用以削弱辐射传热的薄板。 原因：增加总辐射热阻 例：储存液氮、液氧的容器，高真空隔热油管 5.215.21 不考，不考， 5.225.22 自己证明自己证明 5.235.23 在两块平行平板之间加上一块极薄的在两块平行平板之间加上一块极薄的=1=1 的平板，这样就没有反射辐射，的平板，这样就没有反射辐射， 试问能否起到遮热作用，为什么？试问能否起到遮热作用，为什么？ 答：不能，因为=1 时，总辐射热阻减小，使 q 增大 5.245.24 保温瓶夹层表面为什么镀一层反射比很高的材料？保温瓶夹层表面为什么镀一层反射比很高的材料？ 答：由于 + = 1，反射比越高发射率越低，根据辐射热阻的计算式 R = 1 反射比很高，可以在辐射势差不变的情况下，增加总的辐射热阻。 5.255.25 某深油井采用隔热油管注汽，隔热油管外是套管。为了减少井筒热损失，某深油井采用隔热油管注汽，隔热油管外是套管。为了减少井筒热损失， 用一薄铝管插入油管和套管的环空中，插入的铝管应尽量靠近隔热油管还是套用一薄铝管插入油管和套管的环空中，插入的铝管应尽量靠近隔热油管还是套 管？希望插入的薄铝管发射率大些还是小些，为什么？管？希望插入的薄铝管发射率大些还是小些，为什么？ 靠近隔热油管。根据圆筒壁辐射热阻的计算公式 R = 1 ,越靠近油管， d 越小， 热阻越大。 表面发射率尽量小，增加辐射表面热阻； 5.265.26 用测温元件测量管道内流体的温度，其读数一般不反映流体的真实温度，用测温元件测量管道内流体的温度，其读数一般不反映流体的真实温度， 试分析其原因，并分析指示温度试分析其原因，并分析指示温度 T T，气流温度，气流温度和管壁温度和管壁温度之间的大小按照之间的大小按照 从大到小的顺序排列从大到小的顺序排列 答：由于测点处测温元件会向管道壁面辐射热量，因此若管道内流体温度较高 时，测点处测温元件向管壁的辐射传热量应等于流体向测温元件的对流传热量。 因此，有 5.275.27 在深秋晴朗无风的夜晚，草地上披上一层白霜，可是气象台却说最低温度在深秋晴朗无风的夜晚，草地上披上一层白霜，可是气象台却说最低温度 为为 4 4 摄氏度，试解释这种现象。在同样的气温下，在阴天或有风的夜晚，在草摄氏度，试解释这种现象。在同样的气温下，在阴天或有风的夜晚，在