材料科學工程課件

材料科學工程課件1第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1概述

1.１傳熱學

傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的學科，其基礎為熱力學第一定律(能量守恒與轉(zhuǎn)化)和熱力學第二定律（熵增原理）。2第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.1熱量傳遞過程1）穩(wěn)態(tài)傳熱過程（定常過程）

凡是物體中各點溫度不隨時間而變的熱傳遞過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程）

與穩(wěn)態(tài)傳熱過程相反。

各種熱力設備在持續(xù)不變的工況下運行時的熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；而在啟動、停機、工況改變時的傳熱過程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

3第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)日常生活中的例子：1.1.2應用舉例B北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，如何解釋其道理？玻璃越厚越好？A夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？4第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)在材料技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題5第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(３)在材料技術(shù)領(lǐng)域存在節(jié)能問題6第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2熱量傳遞的三種基本方式

1.2.1導熱（熱傳導）

1、概念

定義：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導熱。

7第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月導熱機理：氣體－分子不規(guī)則運動時相互碰撞；導電固體－自由電子（良的電導體也是好的熱導體）；非導電固體－晶格振動產(chǎn)生的彈性波；液體－兼有氣體和非導電固體的機理。8第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月式中為熱導率，又稱導熱系數(shù)，負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。

1）傅立葉定律（1822年，法國物理學家）

t1t2

（1-1）2、導熱的基本規(guī)律傅立葉在解該方程時發(fā)現(xiàn)了著名的傅立葉級數(shù)9第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

說明：傅立葉定律又稱導熱基本定律，式（1-1）、（1-2）是一維穩(wěn)態(tài)導熱時傅立葉定律的數(shù)學表達式。（1-2）10第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

說明：導熱系數(shù)λ表征材料導熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，與材料的種類和溫度有關(guān)，單位：w/m·k。KKK11第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月12第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傅立葉Fourier(公元1768年～1830年),法國數(shù)學家、物理學家。法國拿破侖時代的高級官員。主要貢獻是在研究熱的傳播時創(chuàng)立了一套數(shù)學理論。后期致力于傳熱理論，1807年提交了234頁的論文《熱的解析理論》，但直到1822年才出版。13第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例題有三塊分別由純銅（熱導率λ1=398W/(m·K)）、黃銅（熱導率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1–

tw2=50℃不變，試求通過每塊平板的導熱熱流密度。解：這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題。

14第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月15第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月對于黃銅板

對于碳鋼板

對于純銅板16第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2對流1、基本概念

1)對流：是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。17第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2)對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。區(qū)別概念：熱對流和對流換熱對流換熱包括熱對流和導熱。自然界不存在單一的熱對流，熱對流必然伴隨著導熱18第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、對流換熱的分類

有無相變無相變對流換熱有相變對流換熱沸騰換熱凝結(jié)換熱對流引起的原因自然對流強制對流19第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3、對流換熱的基本規(guī)律<牛頓冷卻公式>

流體被加熱時：

流體被冷卻時：（1-3）（1-4）Q20第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

其中ｈ—比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）單位。

（1-5）（1-6）如果把溫差（亦稱溫壓）記為，并約定永遠取正值，則牛頓冷卻公式可表示為21第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

ｈ的物理意義：單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對位置，而且與流體的流速、換熱有無相變有關(guān)。22第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月４、對流換熱研究的基本任務

用理論分析或?qū)嶒灥姆椒ㄍ瞥龈鞣N場合下表面換熱導數(shù)的關(guān)系式。

K23第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1-2一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內(nèi)空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=4W/(m2·K)。試問該暖氣片相當于多大功率的電暖氣?解：暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，

Q=Ah(tw

–

tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相當于功率為0.36kW的電暖氣。

24第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3熱輻射

2）輻射換熱

輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。

1、基本概念1）輻射和熱輻射物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。25第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3）導熱、對流、輻射的評述①導熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。②在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。26第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月在輻射時，輻射體內(nèi)熱能→輻射能；在吸收時，輻射能→受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。③輻射換熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能。27第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月④輻射換熱不需要中間介質(zhì)，在真空中即可進行，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。因此，又稱其為非接觸性傳熱。⑤熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。

⑥物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導熱，對流的基本特點。

28第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、熱輻射的基本規(guī)律：

所謂絕對黑體（Ｂlackbody）：把吸收率等于1的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的而且輻射熱量服從于斯忒藩——玻耳茲曼(StefanBoltzmann)定律。29第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（1-7）其中Eb——絕對黑體輻射力，W/m2；T——黑體的熱力學溫度K；σ

——斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為5.67×10-8W/m2.k4。黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量服從于斯忒藩——玻耳茲曼定律，即

30第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月實際物體：

物體包容在一個無限大的空腔內(nèi)，則二表面輻射換熱為：

（1-7）（1-８）31第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3傳熱過程和傳熱系數(shù)

1.3.1傳熱過程

1、概念

熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程稱傳熱過程。

32第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2、傳熱過程的組成

傳熱過程一般包括串聯(lián)著的三個環(huán)節(jié)組成，即：①熱流體、熱輻射→壁面高溫側(cè)；②壁面高溫側(cè)→壁面低溫側(cè)；

③壁面低溫側(cè)→冷流體。

若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。

導熱對流輻射對流33第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）（b）（c）穩(wěn)態(tài)傳熱，傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，其熱流量分別為：3、傳熱過程的計算

34第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月將式（a）、（b）、（c）改寫成溫差的形式：（d）（e）（f）35第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月也可以表示成:式中，稱為傳熱系數(shù)，單位為。

（1-10）（1-11）三式相加，整理可得:36第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2傳熱系數(shù)ｋ1、概念

是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標。它等于冷熱流體間溫差℃，傳熱面積時熱流量的值。影響因素：

①參與傳熱過程的兩種流體的種類；②傳熱過程是否有相變37第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳熱系數(shù)的表達式為:

或傳熱過程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的熱阻組成。38第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4熱阻分析類比方法對各種轉(zhuǎn)移過程的規(guī)律進行分析與比較，充分揭示出相互之間的類同之處，并相互應用各自分析的結(jié)論，是研究轉(zhuǎn)移過程的一種行之有效方法。熱電類比（熱阻分析）是傳熱學常用的研究方法：即將電學中的歐姆定律及電學中電阻的串并聯(lián)理論應用于傳熱學熱量傳遞現(xiàn)象的研究。39第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月熱路與電路的相似性40第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月２、熱阻1）熱阻定義：熱轉(zhuǎn)移過程的阻力稱為熱阻。2）熱阻分類：不同的熱量轉(zhuǎn)移有不同的熱阻，其分類較多，如：導熱阻、輻射熱阻、對流熱阻等。對平板導熱而言又分：面積熱阻RA：單位面積的導熱熱阻。熱阻R：整個平板導熱熱阻。

41第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3）熱阻的特點串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，若通過各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同，則串聯(lián)過程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)的分熱阻之和。

42第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月３、導熱熱阻

單位面積平壁的導熱熱阻面積為Ａ的平壁，導熱熱阻43第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月４、對流換熱熱阻單位壁表面積上的對流換熱熱阻：對于面積為Ａ的平壁，對流換熱熱阻為44第44頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月單位面積的傳熱熱阻：

k越大，傳熱越好；熱阻越小，傳熱越好45第45頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1-3、一房屋的混凝土外墻的厚度為

=200mm，混凝土的熱導率為

=1.5W/(m·K)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃,有風天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m