传热学绪论2018

第一章绪论,2018年传热学课件,热的定义,What is the definition for heat,培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家。波义耳看到铁钉被捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认为热是“物体各部分发生强烈而杂乱的运动”；笛卡尔把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动。”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热”。洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止”。,热的定义,What is the definition for heat,法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的。1789年，拉瓦锡还将“热质”和“光”列入无机界二十三种“元素”之中。布莱克宣称他“不能形成这种内部振动的概念”，而采取了热是某种特殊物质的观点。,热的定义,What is the definition for heat,于1798年1月25日发表了题为论摩擦激起的热源的论文，指出：摩擦产生的热是无穷尽的，与外部绝热的物体不可能无穷尽地提供热物质。热不可能是一种物质，只能认为热是一种运动。伦福德否定了热质说，确立了热的运动学说。 经过许多科学家的努力，到19世纪中期热质说终于被热的分子运动论所取代。,2018/3/1,5,2018/3/1,6,为什么要学习传热学之高大上篇,2018/3/1,7,为什么要学习传热学之高大上篇,327，155bar,2018/3/1,8,为什么要学习传热学之高大上篇,2018/3/1,9,为什么要学习传热学之生活篇,冷水煮汤圆,徒手拿蒸鸡蛋,2018/3/1,10,/2016/06/13/diy-aircon.html,传热学教你如何识别信息正确性,2018/3/1,11,取之于生活，用之于生活，又高于生活,2018/3/1,12,热的传递,2018/3/1,13,教材是基础，训练是手段，思考成就大家！,2018/3/1,14,第一章 绪论1.1 传热学研究内容及其工程应用1.2 热量传递的基本方式1.3 传热过程和传热系数1.4 传热学的研究方法和发展史,2018/3/1,15,传热现象的普遍性有温差就有传热 （生产、生活、自然界）,1.1 传热学研究内容及其工程应用,热力学第二定律,2018/3/1,16,传热现象的普遍性有温差就有传热 （生产、生活、自然界）,1.1 传热学研究内容及其工程应用,热力学第二定律,与工程热力学的区别与联系？,2018/3/1,17,传热学与工程热力学的关系,JW,传热学与工程热力学的关系,The science of thermodynamics deal with the amount of heat transfer as a system undergoes a process from one equilibrium state to another, and makes no reference to how long the process will take. In engineering, we are often interested in the rate of heat transfer, which is the topic of the science of heat transfer.,2018/3/1,18,传热学应用实例,自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍,b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。 为什么？,c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释 其道理？,(1) 日常生活中的例子：,a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度 那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？,2018/3/1,20,集成电路芯片,航空航天,（1）高温叶片气膜冷却；（2）火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；（3）卫星与空间站热控制；（4）空间飞行器重返大气层冷却；（5）超高音速飞行器冷却；（6）核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机,传热学应用实例(续),目前已达到160w/cm2,传热学应用实例(续),生物医学：肿瘤高温热疗； 组织与器官的冷冻保存军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵新 能 源：太阳能；,2018/3/1,22,传热学应用实例(续),2018/3/1,23,第一章 绪论1.1 传热学研究内容及其工程应用1.2 热量传递的基本方式1.3 传热过程和传热系数1.4 传热学的研究方法和发展史,2018/3/1,24,燃气热水器中的热量传递过程：1）燃气通过辐射和对流方式将热量传给壁面左侧；2）通过导热传到壁面右侧；3）通过对流传给水。,1.2 热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,2018/3/1,25,1.2 热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射,2018/3/1,26,1.2.1 热传导（Conduction）,热传导的定义,物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象,只要温度高于0 K,物体便有热运动的本领，所以导热是物质的固有本质。,2018/3/1,27,导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移,2018/3/1,28,导热机理气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果导电固体：自由电子运动非导电固体：晶格结构振动液体：兼有气体和固体导热的机理,2018/3/1,29,平壁导热公式,：传热量（热流量） W,q：热流密度 W/m2,平壁的厚度m；,A：垂直于导热方向的截面积m2,导热系数,1822年，法国数学家Fourier：,2018/3/1,30,常温下部分物质导热系数银：427 水：0.599 纯铜： 398 空气：0.0259 纯铝： 236 水垢：13 普通钢：3050 保温材料：0.14 烟垢 0.10.3,2018/3/1,31,例1 有三块分别由纯铜（1=398W/(mK)）、黄铜（2=109W/(mK)）和碳钢（3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 50不变，试求通过每块平板的导热热流密度。,解：这是通过大平壁的一维稳态导热问题，对于纯铜板,对于黄铜板,对于碳钢板,2018/3/1,32,1.2.2 热对流(convection)与对流换热,Heated air rises, cools, then falls. Air near heater is replaced by cooler air, and the cycle repeats.,2018/3/1,33,1.2.2 热对流(convection)与对流换热,若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度t1处流至温度t2处，则此过程传递的热流量为：, 热对流与对流换热,生活中的热对流,2018/3/1,34,当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依导热的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果。,对流换热过程,2018/3/1,35,对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热.不是基本传热方式，导热与热对流同时存在的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差对流换热的分类a)根据流动原因，分为：强制对流换热和自然对流换热。b)是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热,2018/3/1,36, 对流换热公式牛顿冷却公式,h 表面传热系数, 固体壁表面温度, 流体温度,2018/3/1,37,h 当流体与壁面温度相差1度时、每单 位壁面面积上、单位时间内所传递的热量h是表征对流换热过程强弱的物理量影响h的因素：流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时有无相变（沸腾或凝结）等。,2018/3/1,38,烧开水时，为什么一旦水烧干了，铝壶就很容易烧坏？答：水侧的表面传热系数远大于火焰侧的表面传热系数，没烧干时壶底温度更接近水的温度，未达到铝的熔点。,2018/3/1,39,500025000,蒸汽凝结,250035000,沸腾,水的相变换热,100015000,水,5003500,高压水蒸气,强制对流,20100,气体,2001000,水,110,空气,自然对流,过程,表面传热系数的数值范围,2018/3/1,40,例：一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw = 50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h = 8 W/(m2K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?,解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，,Q= Ah(tw tf) = 3m28 W/(m2K)(50-20)K = 720W = 0.72 kW 即相当于功率为0.72kW的电暖气。,2018/3/1,41,1.2.3 热辐射(Thermal radiation) 定义辐射：物体通过电磁波传递能量的方式。热辐射：由于热的原因，物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种 类不同、表面状况不同，其辐射能力不同.辐射换热：物体间由于吸收和辐射的综合作用产生的热量传递现象 Radiation heat transfer,2018/3/1,42,辐射换热的特点,不需要传热介质，在真空中就可以传递能量;在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 : 发射热力学能 电磁波能 吸收无论温度高低，物体都在不停地相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的效果是热量由高温物体传到了低温物体。在热平衡体系中，虽然辐射传热量为零，但辐射与吸收过程并未停止。,2018/3/1,43,斯蒂芬-玻尔兹曼定律(四次方定律),黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。（Black body）,黑体的辐射能力与吸收能力最强,黑体向外发射的辐射能：, 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度 ） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数,2018/3/1,44,实际物体的辐射能：, 实际物体表面的发射率（黑度）；01,与物体的种类、表面状况和温度有关,计算表明：几十摄氏度表面散热问题中，对流换热与辐射换热数量级相当。,对于两个相距很近的黑体表面，由于一个表面发射出来的能量几乎完全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热量为 ：,2018/3/1,45,2018/3/1,46,第一章 绪论1.1 传热学研究内容及其工程应用1.2 热量传递的基本方式1.3 传热过程和传热系数1.4 传热学的研究方法和发展史,2018/3/1,47,1.3 传热过程与传热系数,工程实际中的传热过程往往是几种方式联合作用的复合传热过程。,2018/3/1,48,传热过程：热量由固体壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程 。传热过程中三个串联环节： 对流换热 热流体 壁面高温侧 导热壁面高温侧 壁面低温侧 对流换热壁面低温侧 冷流体,2018/3/1,49,联列消去tw1、tw2，整理得：,传热系数k：表征传热过程强烈程度的标尺，数值上等于冷热流体温差1时，单位面积上的热流量W/（m2）。,图1-6 传热过程的剖析,增强换热？,2018/3/1,50,分析：热电类比,2018/3/1,51,例：一房屋的混凝土外墙厚度为=200mm ，混凝土热导率为=1.0W/(mK) ，冬季室外空气温度为tf2=-10, 有风天墙外表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1= 25,与墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。,解：单位面积墙壁的散热损失为,2018/3/1,52,根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热：,2018/3/1,53,思考题：,人体为恒温体。若空调房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20摄氏度，那么人所穿的衣服能否一样？双层玻璃为什么能隔热？空气层是否越厚越好？用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。试分析其原因。,1)传热学研究方法