传热测试题及答案

传热测试题及答案选择题（每题3分，共30分）

1.以下哪种物质的导热系数最大？（）

A.空气

B.水

C.铜

D.玻璃

答案：C。解析：导热系数是表示材料传导热量能力的物理量。在常见物质中，金属一般具有较高的导热系数。铜是金属，其导热系数远大于空气、水和玻璃。空气是热的不良导体，导热系数很小；水的导热系数相对较低；玻璃的导热系数也不如金属大。

2.稳态导热是指（）

A.物体内各点温度不随时间变化

B.物体内各点温度随时间变化

C.物体内各点温度仅与位置有关

D.物体内各点温度仅与时间有关

答案：A。解析：稳态导热的定义就是物体内各点的温度不随时间而变化，处于一种稳定的热传递状态。选项B描述的是非稳态导热；选项C不全面，稳态导热不仅与位置有关，只是温度不随时间变；选项D错误，稳态导热与时间无关。

3.热流密度q与热流量Φ的关系为（）（A为传热面积）

A.q=ΦA

B.q=Φ/A

C.Φ=q/A

D.Φ=q+A

答案：B。解析：热流密度q是指单位时间内通过单位面积的热量，热流量Φ是指单位时间内通过某一面积的热量。所以热流密度q等于热流量Φ除以传热面积A，即q=Φ/A。

4.对于通过大平壁的稳态导热，其温度分布为（）

A.线性分布

B.对数分布

C.指数分布

D.抛物线分布

答案：A。解析：在通过大平壁的稳态导热中，根据傅里叶定律，在材料导热系数为常数的情况下，热流密度为定值，温度分布是线性的。这是因为热流密度q=-λ(dt/dx)（λ为导热系数，dt/dx为温度梯度），当q为常数，λ为常数时，dt/dx也为常数，所以温度t与位置x呈线性关系。

5.下列哪种传热方式不需要介质？（）

A.热传导

B.热对流

C.热辐射

D.以上都不需要

答案：C。解析：热传导是依靠物质分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动来传递热量，需要物质作为介质；热对流是流体中各部分之间发生相对位移而引起的热量传递过程，也需要流体介质；而热辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，不需要任何介质，可以在真空中进行。

6.流体在管内强制对流换热时，其对流换热系数h与雷诺数Re和普朗特数Pr有关，对于湍流流动，h与Re的关系为（）

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：在流体在管内强制对流换热的湍流流动情况下，根据大量的实验和理论分析，对流换热系数h与雷诺数Re的0.8次方成正比，即h∝Re^0.8，同时还与普朗特数Pr等因素有关。

7.大容器饱和沸腾时，随着壁面过热度Δt的增加，沸腾曲线可分为（）个阶段。

A.2

B.3

C.4

D.5

答案：C。解析：大容器饱和沸腾曲线分为四个阶段：自然对流阶段、核态沸腾阶段、过渡沸腾阶段和膜态沸腾阶段。在自然对流阶段，壁面过热度较小，热量主要通过自然对流传递；核态沸腾阶段，壁面上产生大量气泡，换热强烈；过渡沸腾阶段是从核态沸腾到膜态沸腾的过渡，换热不稳定；膜态沸腾阶段，壁面被一层蒸汽膜覆盖，换热系数下降。

8.辐射换热时，物体的黑度ε是指（）

A.物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比

B.物体的吸收率与同温度下黑体吸收率之比

C.物体的反射率与同温度下黑体反射率之比

D.物体的透射率与同温度下黑体透射率之比

答案：A。解析：黑度ε是衡量物体辐射能力的一个物理量，它定义为物体的辐射力E与同温度下黑体辐射力Eb之比，即ε=E/Eb。黑体是一种理想化的物体，能完全吸收和辐射能量。

9.对于一个封闭的辐射换热系统，净辐射换热量Φ与系统中各表面的辐射特性和温度有关，当两个表面1和2之间进行辐射换热时，其净辐射换热量Φ12的计算公式为（）

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：两个表面之间的净辐射换热量计算公式为Φ12=ε1ε2σ(T1^4T2^4)A1，其中ε1、ε2分别是两个表面的黑度，σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数，T1、T2分别是两个表面的热力学温度，A1是表面1的面积。

10.增强传热的方法有（）

A.增大传热面积

B.提高传热温差

C.提高传热系数

D.以上都是

答案：D。解析：根据传热基本方程式Φ=KAΔt（Φ为热流量，K为传热系数，A为传热面积，Δt为传热温差），增大传热面积A、提高传热温差Δt和提高传热系数K都可以增强传热效果。例如，采用肋片可以增大传热面积；提高热流体温度或降低冷流体温度可以提高传热温差；采用强化传热的措施（如增加流体流速、采用高效传热表面等）可以提高传热系数。

填空题（每题3分，共30分）

1.导热系数λ的单位是______。

答案：W/(m·K)。解析：根据傅里叶定律q=-λ(dt/dx)，热流密度q的单位是W/m²，温度梯度dt/dx的单位是K/m，通过单位换算可得导热系数λ的单位是W/(m·K)。

2.热对流分为______和______两种类型。

答案：自然对流；强制对流。解析：自然对流是由于流体各部分温度不同而引起的密度差异，在重力作用下产生的流体流动和热量传递；强制对流是通过外力（如泵、风机等）迫使流体流动而实现的热量传递。

3.普朗特数Pr=______，它反映了______与______的相对大小。

答案：ν/α；动量扩散能力；热量扩散能力。解析：普朗特数Pr中，ν是运动粘度，反映了流体的动量扩散能力；α是热扩散率，反映了流体的热量扩散能力。所以Pr反映了动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小。

4.大容器饱和沸腾曲线的核态沸腾阶段，气泡的生成主要取决于______和______。

答案：壁面过热度；壁面上的汽化核心。解析：在核态沸腾阶段，壁面过热度提供了气泡生成所需的能量，使液体达到汽化条件；而壁面上的汽化核心（如壁面的粗糙不平处等）为气泡的生成提供了起始点，有利于气泡的形成和长大。

5.斯蒂芬玻尔兹曼定律的表达式为______，其中σ的值为______。

答案：Eb=σT^4；5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)。解析：斯蒂芬玻尔兹曼定律描述了黑体的辐射力Eb与热力学温度T的关系，σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数，其值为5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)。

6.对于通过圆筒壁的稳态导热，其热阻包括______和______。

答案：导热热阻；表面对流热阻。解析：在通过圆筒壁的稳态导热过程中，热量从内表面传递到外表面，要克服圆筒壁材料的导热热阻，同时在内外表面与流体之间还存在对流换热，存在表面对流热阻。

7.对流换热微分方程式为______，其中h为______。

答案：q=hΔt；对流换热系数。解析：对流换热微分方程式描述了对流换热过程中热流密度q与对流换热系数h和壁面与流体之间的温差Δt的关系，h表示单位温差下通过单位面积的对流换热量，反映了对流换热的强弱程度。

8.角系数X1,2表示______，它具有______、______和______的性质。

答案：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数；相对性；完整性；可加性。解析：角系数X1,2是辐射换热中的一个重要概念，它描述了两个表面之间的辐射换热几何关系。相对性指X1,2A1=X2,1A2；完整性指一个表面对所有表面的角系数之和为1；可加性指一个表面对多个表面的角系数等于对各个表面角系数之和。

9.强化传热时，对于热阻大的一侧，应着重______该侧的热阻，以提高______。

答案：降低；传热系数。解析：根据传热过程的总热阻分析，总热阻等于各部分热阻之和，传热系数K与总热阻成反比。热阻大的一侧对总热阻的影响较大，降低热阻大的一侧的热阻可以显著降低总热阻，从而提高传热系数，增强传热效果。

10.非稳态导热的温度场是______和______的函数。

答案：时间；空间位置。解析：在非稳态导热过程中，物体内各点的温度随时间和空间位置而变化，所以温度场是时间和空间位置的函数。

简答题（每题10分，共20分）

1.简述热传导、热对流和热辐射的区别和联系。

答：区别：

热传导是依靠物质分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动来传递热量，需要物质作为介质，在固体、液体和气体中都可以发生，但在固体中表现较为明显。例如，金属棒一端受热，热量通过内部微观粒子的热运动传递到另一端。

热对流是流体中各部分之间发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体（液体和气体）中。它可分为自然对流和强制对流，自然对流是由于流体各部分温度不同导致密度差异而引起的流动和传热，强制对流是通过外力迫使流体流动实现传热。比如，热水在杯子中自然冷却时的对流属于自然对流，用风扇吹热物体时的对流属于强制对流。

热辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，不需要任何介质，可以在真空中进行。任何温度高于绝对零度的物体都在不断地向外辐射能量，辐射换热不仅与物体的温度有关，还与物体的表面性质等因素有关。例如，太阳向地球传递热量就是通过热辐射的方式。

联系：

在实际的传热过程中，这三种传热方式往往同时存在。例如，在暖气片散热的过程中，暖气片内部通过热传导将热量从热源传递到暖气片表面；暖气片表面的空气受热后产生自然对流，将热量带到室内空间；同时，暖气片也会以热辐射的方式向周围环境散热。

2.说明影响对流换热系数的主要因素。

答：影响对流换热系数的主要因素有以下几个方面：

流体的物性：包括流体的导热系数λ、比热容cp、密度ρ、粘度μ等。导热系数越大，流体传导热量的能力越强，对流换热系数可能越大；比热容越大，单位质量流体携带的热量越多，有利于换热；密度和粘度影响流体的流动状态，进而影响对流换热。例如，水的导热系数和比热容比空气大，所以水的对流换热系数一般比空气大。

流体的流动状态：层流和湍流的换热情况不同。湍流时，流体内部的混合强烈，热量传递主要依靠流体微团的剧烈混合，对流换热系数比层流时大。雷诺数Re可以判断流体的流动状态，Re越大，越容易形成湍流。

流体的流动起因：分为自然对流和强制对流。强制对流时，流体的流速可以通过外力控制，一般流速较大，对流换热系数比自然对流大。例如，用风机强制空气流动时的换热效果比自然通风时好。

换热表面的几何形状、尺寸和相对位置：不同的几何形状（如平板、圆管、肋片等）会影响流体的流动和换热情况。例如，肋片可以增大换热面积，同时改变流体的流动状态，提高对流换热系数。换热表面的尺寸大小也会影响边界层的发展和流体的流动特性，从而影响对流换热。此外，表面的相对位置（如水平放置、垂直放置等）也会对自然对流的换热产生影响。

相变情况：当流体发生相变（如沸腾或凝结）时，对流换热系数会显著增大。在沸腾过程中，气泡的生成和脱离会增强流体的扰动，提高换热效果；在凝结过程中，液膜的流动和传热特性也会影响换热系数。

计算题（每题10分，共20分）

1.有一厚度为δ=0.3m的大平壁，两侧表面温度分别为t1=300℃，t2=100℃，平壁材料的导热系数λ=1.5W/(m·K)。试求：（1）通过平壁的热流密度q；（2）平壁内距离高温侧x=0.1m处的温度t。

解：（1）根据通过大平壁的稳态导热热流密度公式q=λ(t1t2)/δ

已知λ=1.5W/(m·K)，t1=300℃，t2=100℃，δ=0.3m

将数值代入公式可得：

q=1.5×(300100)/0.3

=1.5×200/0.3

=1000W/m²

（2）对于大平壁的稳态导热，温度分布是线性的，温度梯度dt/dx=-q/λ

先求出温度梯度dt/dx=-1000/1.5=-2000/3K/m

设距离高温侧x=0.1m处的温度为t，根据温度分布的线性关系有：

(tt1)/x=dt/dx

tt1=x×dt/dx

t=t1+x×dt/dx

将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.有一内径d1=20mm，外径d2=25mm的钢管，管内热水温度tf1=80℃，管外空气温度tf2=20℃。已知管内水与内壁面的对流换热系数h1=500W/(m²·K)，管外空气与外壁面的对流换热系数h2=10W/(m²·K)，钢管的导热系数λ=45W/(m·K)。试求：（1）单位管长的热流量Φl；（2）内壁面温度tw1和外壁面温度tw2。

解：（1）首先计算单位管长的总热阻Rl

单位管长的对流热阻：

管内对流热阻Rl1=1/(h1πd1)