传热学经典试题及答案

传热学经典试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）

1.热量传递的三种基本方式是（）。

A.热对流、导热、热辐射

B.气化、升华、凝结

C.热对流、导热、凝结

D.热对流、升华、热辐射

答案：A

解析：热量传递的三种基本方式为热对流、导热和热辐射。热对流是流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程；导热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产生的热量传递；热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。而气化、升华、凝结是物质的相变过程，并非热量传递的基本方式。

2.下列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大小的物理量。一般来说，金属的导热系数较大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。在给出的选项中，铜是金属，其导热系数远大于空气（气体）、水（液体）和玻璃（非金属固体）。

3.对流换热系数的单位是（）。

A.W/(m·K)

B.W/(m²·K)

C.J/(kg·K)

D.J/(m²·K)

答案：B

解析：对流换热系数h定义为单位时间内，单位温度差作用下，通过单位面积的热量，根据牛顿冷却公式q=hΔT（其中q是热流密度，单位为W/m²，ΔT是温差，单位为K），可得h的单位为W/(m²·K)。选项A是导热系数的单位；选项C是比热容的单位；选项D不是常见的传热学物理量单位。

4.黑体是指（）。

A.黑色的物体

B.吸收率为1的物体

C.反射率为1的物体

D.透过率为1的物体

答案：B

解析：黑体是一种理想化的物体，它能够吸收投入到其表面上的所有热辐射能，即其吸收率α=1。黑体并不一定是黑色的物体，黑色物体只是对可见光吸收能力较强；反射率为1的物体是白体；透过率为1的物体是透明体。

5.大容器饱和沸腾时，随着壁面过热度的增加，沸腾曲线依次经历的阶段为（）。

A.自然对流、核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾

B.核态沸腾、自然对流、过渡沸腾、膜态沸腾

C.自然对流、过渡沸腾、核态沸腾、膜态沸腾

D.核态沸腾、过渡沸腾、自然对流、膜态沸腾

答案：A

解析：大容器饱和沸腾曲线描述了壁面过热度Δt=（为壁面温度，为饱和温度）与热流密度q之间的关系。当壁面过热度较小时，液体以自然对流方式换热；随着过热度增加，开始产生气泡，进入核态沸腾阶段，此时热流密度随过热度增加迅速增大；继续增大过热度，部分气泡开始连成汽膜，进入过渡沸腾阶段，热流密度开始下降；当壁面几乎全部被汽膜覆盖时，进入膜态沸腾阶段。

6.下列哪种情况可以采用集总参数法求解物体的非稳态导热问题（）。

A.毕渥数Bi<0.1

B.毕渥数Bi>0.1

C.傅里叶数Fo<0.2

D.傅里叶数Fo>0.2

答案：A

解析：集总参数法是求解非稳态导热问题的一种简化方法，其适用条件是毕渥数Bi=<0.1（其中h是对流换热系数，L是特征长度，λ是物体的导热系数）。当Bi<0.1时，可认为物体内部温度均匀一致，仅与时间有关。傅里叶数Fo=（a是热扩散率，τ是时间）主要用于描述非稳态导热过程进行的深度。

7.对于无限大平壁的稳态导热，平壁内的温度分布为（）。

A.线性分布

B.二次曲线分布

C.对数曲线分布

D.指数曲线分布

答案：A

解析：对于无限大平壁的稳态导热，在无内热源、导热系数为常数的情况下，根据导热微分方程=0，对其积分可得t=x+（、为积分常数），这是一个线性函数，所以平壁内的温度分布为线性分布。

8.换热器效能ε的定义为（）。

A.实际传热量与最大可能传热量之比

B.最大可能传热量与实际传热量之比

C.冷流体的吸热量与热流体的放热量之比

D.热流体的放热量与冷流体的吸热量之比

答案：A

解析：换热器效能ε=，其中Q是换热器的实际传热量，是在给定的冷热流体进口温度条件下，换热器可能达到的最大传热量。选项B说法错误；在换热器中，冷流体的吸热量等于热流体的放热量（忽略热损失），选项C和D不符合效能的定义。

9.努塞尔数Nu的物理意义是（）。

A.反映流体导热能力的大小

B.反映流体对流换热能力的大小

C.反映流体惯性力与粘性力的相对大小

D.反映流体浮升力与粘性力的相对大小

答案：B

解析：努塞尔数Nu=，它表示壁面上流体的无量纲温度梯度，反映了对流换热的强弱程度。导热系数λ反映流体导热能力的大小；雷诺数Re=反映流体惯性力与粘性力的相对大小；格拉晓夫数Gr=反映流体浮升力与粘性力的相对大小。

10.下列哪种因素会使辐射换热的角系数增大（）。

A.两表面的距离增大

B.两表面的相对位置更有利于辐射能的投射

C.两表面的面积减小

D.两表面的温度差减小

答案：B

解析：角系数表示表面1发出的辐射能中直接投射到表面2上的百分数，它仅取决于物体的形状、大小和相对位置，与物体的温度、发射率等物性参数无关。当两表面的相对位置更有利于辐射能的投射时，角系数会增大；两表面距离增大、面积减小通常会使角系数减小；温度差对辐射换热的换热量有影响，但对角系数无影响。

二、填空题（每题2分，共20分）

1.导热系数的大小表征了物质______的能力，一般来说，金属的导热系数______（填“大于”“小于”或“等于”）非金属的导热系数。

答案：传导热量；大于

解析：导热系数是衡量物质传导热量能力的物理量，其值越大，物质传导热量的能力越强。金属中存在大量的自由电子，自由电子的热运动对热量传递贡献很大，所以金属的导热系数一般大于非金属的导热系数。

2.对流换热的热阻主要集中在______，强化对流换热的关键在于______。

答案：层流底层；减薄层流底层的厚度

解析：在对流换热过程中，流体与壁面之间的热量传递主要通过层流底层的导热来完成，由于层流底层内流体的流动主要是分子扩散，热阻较大，所以对流换热的热阻主要集中在层流底层。减薄层流底层的厚度可以减小热阻，从而强化对流换热。

3.热辐射的特点是______、______和具有能量形式的转换。

答案：不需要介质；以电磁波形式传递能量

解析：热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，它不需要任何介质就可以在真空中传播，这是与导热和对流换热的显著区别；热辐射是以电磁波的形式传递能量，在辐射和吸收过程中伴随着能量形式的转换，即热能与辐射能的相互转换。

4.毕渥数Bi反映了______与______的相对大小。

答案：物体内部导热热阻；物体表面对流换热热阻

解析：毕渥数Bi==，其中L/λ表示物体内部导热热阻，1/h表示物体表面对流换热热阻，所以Bi反映了两者的相对大小。

5.非稳态导热过程中，物体的温度随______和______而变化。

答案：时间；空间位置

解析：非稳态导热是指物体的温度随时间而变化的导热过程，在非稳态导热过程中，物体内不同位置的温度也不相同，所以物体的温度随时间和空间位置而变化。

6.大容器饱和沸腾曲线的四个阶段分别是______、______、过渡沸腾和膜态沸腾。

答案：自然对流；核态沸腾

解析：如前面单项选择题中所述，大容器饱和沸腾曲线依次经历自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾四个阶段。

7.换热器按工作原理可分为______、______和蓄热式换热器。

答案：间壁式换热器；混合式换热器

解析：间壁式换热器是冷热流体被固体壁面隔开，通过壁面进行热量交换；混合式换热器是冷热流体直接接触混合进行热量交换；蓄热式换热器是通过蓄热体交替地与冷热流体接触来实现热量传递。

8.努塞尔数Nu与毕渥数Bi的表达式形式相似，但物理意义不同，Nu中的导热系数是______的导热系数，Bi中的导热系数是______的导热系数。

答案：流体；固体

解析：努塞尔数Nu=（是流体的导热系数），反映流体对流换热能力的大小；毕渥数Bi=（是固体的导热系数），反映物体内部导热热阻与表面对流换热热阻的相对大小。

9.角系数具有相对性、______和______三个性质。

答案：完整性；可加性

解析：角系数的相对性是指=；完整性是指对于由n个表面组成的封闭系统，从某一表面i发出的辐射能必全部投射到封闭系统内的各个表面上，即=1；可加性是指如果表面j由几个表面、等组成，则=++⋯。

10.傅里叶数Fo反映了______与______的相对大小。

答案：非稳态导热过程进行的时间；物体热响应的时间

解析：傅里叶数Fo=，其中a是热扩散率，τ是时间，L是特征长度。它反映了非稳态导热过程进行的深度，即非稳态导热过程进行的时间与物体热响应的时间的相对大小。

三、简答题（每题10分，共30分）

1.简述导热、对流换热和热辐射三种热量传递方式的区别和联系。

答：

区别：

导热：是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产生的热量传递。它需要有温度差的物体直接接触，且在固体、液体和气体中都可以发生，但在气体中导热主要依靠分子的热运动，在固体中金属主要依靠自由电子的运动，非金属主要依靠晶格振动。导热过程不需要介质的宏观运动，热传递的方向总是从高温到低温。

对流换热：是流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。它只能发生在流体中，并且必须同时伴有流体的导热。对流换热是流体的宏观运动和微观导热共同作用的结果，其热传递速率比单纯的导热快。对流换热过程中，流体与固体壁面之间存在热量交换，遵循牛顿冷却公式q=hΔT。

热辐射：是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。它不需要任何介质，可以在真空中传播，这是与导热和对流换热的显著区别。热辐射不仅有能量的传递，还伴随着能量形式的转换，即热能与辐射能的相互转换。热辐射的发射和吸收与物体的温度和表面性质有关，温度越高，辐射能力越强。

联系：

在实际的热量传递过程中，三种热量传递方式往往同时存在。例如，在一个高温物体与周围环境的热量交换中，物体内部存在导热；如果周围有流体，流体与物体表面会发生对流换热；同时，物体和周围环境之间还会进行热辐射。而且，在某些情况下，一种热量传递方式可能会促进或影响其他热量传递方式的进行。例如，流体的对流运动会改变物体表面的温度分布，从而影响热辐射和导热的进行。

2.说明集总参数法的物理意义和适用条件，并举例说明其应用。

答：

物理意义：集总参数法是求解非稳态导热问题的一种简化方法，它假设物体内部的温度在任意时刻都是均匀的，即物体内部的导热热阻远小于物体表面的对流换热热阻，物体的温度仅与时间有关，而与空间位置无关。在这种假设下，物体的温度变化可以用一个简单的常微分方程来描述，大大简化了非稳态导热问题的求解过程。

适用条件：集总参数法的适用条件是毕渥数Bi=<0.1，其中h是对流换热系数，L是物体的特征长度，λ是物体的导热系数。当Bi<0.1时，物体内部的温度梯度很小，可以认为物体内部温度均匀。

应用举例：在工业生产中，对于一些尺寸较小、导热性能较好的物体在流体中进行加热或冷却的过程，可以采用集总参数法进行分析。例如，将一个小的金属球放入热水中进行加热，由于金属的导热系数较大，而小球的尺寸较小，在加热过程中，如果满足Bi<0.1的条件，就可以用集总参数法来计算小球温度随时间的变化，从而确定加热所需的时间和加热效果。又如，电子元件在空气中的散热问题，如果电子元件的尺寸较小且导热性能良好，也可以采用集总参数法来分析其温度变化情况，为电子元件的散热设计提供依据。

3.什么是换热器的效能传热单元数法（εNTU法）？它有什么优点？

答：

换热器的效能传热单元数法（εNTU法）：

效能ε=，其中Q是换热器的实际传热量，是在给定的冷热流体进口温度条件下，换热器可能达到的最大传热量。传热单元数NTU=，其中K是换热器的总传热系数，A是传热面积，是冷热流体中热容量较小的流体的热容量C=m（m是质量流量，是定压比热容）。εNTU法建立了换热器的效能ε、传热单元数NTU和热容量比=之间的关系，通过这些关系可以方便地进行换热器的设计和校核计算。

优点：

计算简便：在已知冷热流体的进出口温度和流量等条件下，使用εNTU法不需要像对数平均温差法那样先假设流体的出口温度，然后进行迭代计算，而是可以直接根据已知条件计算出ε、NTU和，再通过相应的图表或公