熱工基礎(chǔ)(正式)

熱力學(xué)+傳熱學(xué)=熱科學(xué)

系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過(guò)程中傳遞熱量的多少。

關(guān)心的是熱量傳遞的過(guò)程，即熱量傳遞的速率。水，M220oC鐵塊,M1300oC熱工基礎(chǔ)熱力學(xué)傳熱學(xué)：工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)是研究熱能與其他形式的能量（尤其是機(jī)械能）之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。自然界中的許多現(xiàn)象都與熱能的傳遞與轉(zhuǎn)化有關(guān)，而且?guī)缀跞魏我环N形式的能量最終都是以熱能的形式耗散于環(huán)境及宇宙之中因此研究熱能的傳遞、轉(zhuǎn)換與控制的工程熱力學(xué)是大多數(shù)工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。主要內(nèi)容：熱力學(xué)基本概念、熱力學(xué)三大定律。熱力學(xué)第零定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——溫度；

熱力學(xué)第一定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——內(nèi)能（焓）

熱力學(xué)第二定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——熱溫比（熵）熱力學(xué)第三定律，理論證明存在——絕對(duì)零度（0k）熱力學(xué)三大定律如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱(chēng)做《熱力學(xué)第零定律》。熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。它為建立溫度概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

熱力學(xué)第零定律表明，一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有一個(gè)數(shù)值上相等的共同的宏觀性質(zhì)──溫度。溫度計(jì)測(cè)定物體溫度正是依據(jù)這個(gè)原理。熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第一定律在熱力學(xué)中，系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)與環(huán)境之間交換的熱為Q，與環(huán)境交換的功為W，可得熱力學(xué)能（亦稱(chēng)內(nèi)能或焓）的變化為ΔU=Q+W

一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中能量的總和不變。熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γσ部梢赞D(zhuǎn)變?yōu)闊?；消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時(shí)，也必產(chǎn)生一定的功。熱力學(xué)第一定律是對(duì)能量守恒定律的一種表述方式。

卡諾（法國(guó)物理學(xué)家）看到從英國(guó)進(jìn)口的蒸汽機(jī)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自己國(guó)家生產(chǎn)的，便決心從事熱機(jī)效率問(wèn)題的研究。他獨(dú)辟蹊徑，從理論上對(duì)熱機(jī)的工作原理進(jìn)行研究，以期得到普遍性的規(guī)律；卡諾出色地運(yùn)用了理想模型的研究方法，以他富于創(chuàng)造性的想象力，精心構(gòu)思了理想化的熱機(jī)——卡諾可逆熱機(jī)，提出了作為熱力學(xué)重要理論基礎(chǔ)的卡諾循環(huán)，從理論上解決了提高熱機(jī)效率的根本途徑。卡諾指出了熱機(jī)工作過(guò)程中最本質(zhì)的東西：熱機(jī)必須工作于兩個(gè)熱源之間，才能將高溫?zé)嵩吹臒崃坎粩嗟剞D(zhuǎn)化為有用的機(jī)械功；法國(guó)物理學(xué)家卡諾焦耳

英國(guó)杰出的物理學(xué)家這說(shuō)明了焦耳不愧為真正的實(shí)驗(yàn)大師。他的這一實(shí)驗(yàn)常數(shù)，為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律提供了無(wú)可置疑的證據(jù)。焦耳用了近40年的時(shí)間，先后用不同的方法做了400多次實(shí)驗(yàn)，不懈地鉆研和測(cè)定了熱功當(dāng)量。他得出結(jié)論：熱功當(dāng)量是一個(gè)普適常量，與做功方式無(wú)關(guān)。公認(rèn)值是427千克重·米每千卡。自然界的能量是守恒的，哪里消耗了能，總在另外地方得到相當(dāng)?shù)臒?。人們?cè)O(shè)想制造一種能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響的機(jī)器，這種空想出來(lái)的熱機(jī)叫第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。第一定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過(guò)程進(jìn)行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。有人曾設(shè)想，地球表面有10億立方千米的海水，以它作單一熱源，若把海水溫度降低0.25度，放出熱量，將能變成一千萬(wàn)億度的電能足夠全世界使用一千年。它并不違反熱力學(xué)第一定律，但卻違反第二定律。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律第二定律指出在自然界中任何的過(guò)程都不可能自動(dòng)地復(fù)原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必需借助外界的作用，由此可見(jiàn)，熱力學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的不可逆過(guò)程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異，這種差異決定了過(guò)程的方向。人們就用態(tài)函數(shù)熵來(lái)描述這個(gè)差異。熵：常指熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度。魯?shù)婪颉た藙谛匏?/p>

1850年，克勞修斯首次提出熵的概念。它用來(lái)表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大。一個(gè)體系的能量完全均勻分布時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。讓一個(gè)熱物體同一個(gè)冷物體相接觸，熱就會(huì)以下面所說(shuō)的方式流動(dòng)：熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個(gè)物體達(dá)到相同的溫度為止。能量分布得越均勻，熵就越大。一個(gè)體系的能量完全均勻分布時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值?？赡娼^熱過(guò)程Sf=Si

不可逆絕熱過(guò)程Sf>SiSf和Si分別為系統(tǒng)的最終熵和最初熵。熵值直接反映了它所處狀態(tài)的均勻程度，系統(tǒng)的熵值越小，它所處的狀態(tài)越是有序，越不均勻；系統(tǒng)的熵值越大，它所處的狀態(tài)越是無(wú)序，越均勻。系統(tǒng)總是力圖自發(fā)地從熵值較小的狀態(tài)向熵值較大（即從有序走向無(wú)序）的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這就是熵增原理。熱力學(xué)第三定律是對(duì)熵的論述，一般當(dāng)封閉系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，熵應(yīng)該為最大值，在任何過(guò)程中，熵總是增加，但理想氣體如果是絕熱可逆過(guò)程熵的變化為零，熱力學(xué)第三定律發(fā)現(xiàn)者德國(guó)物理化學(xué)家能斯特當(dāng)系統(tǒng)趨近于絕對(duì)溫度零度時(shí)，系統(tǒng)等溫可逆過(guò)程的熵變化趨近于零。第三定律只能應(yīng)用于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此也不能將物質(zhì)看做是理想氣體，絕對(duì)零度不可達(dá)到。理想氣體實(shí)際并不存在，在現(xiàn)實(shí)物質(zhì)中，即使是絕熱可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵也在增加，不過(guò)增加的少。熱力學(xué)第三定律三、理想氣體的狀態(tài)方程Pam3

kg氣體常數(shù)：J/(kg.K)K

按理想氣體狀態(tài)方程求空氣在表列溫度、壓力條件下的密度v，并與實(shí)測(cè)值比較。已知空氣氣體常數(shù)Rg=287.06J/(kg·K)解：R=mRg=8.3145J/(mol.K)3.狀態(tài)坐標(biāo)圖坐標(biāo)圖上每一點(diǎn)代表一個(gè)平衡狀態(tài)；坐標(biāo)圖上每一條線代表一個(gè)準(zhǔn)平衡過(guò)程；1、平衡狀態(tài)

一個(gè)熱力系統(tǒng)，在不受外界影響的條件下（與外界隔絕一切聯(lián)系）或處在不變的外界條件下（外界的壓力、溫度保持不變）經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)保持均勻一致，不隨時(shí)間而改變，這樣熱力系統(tǒng)處于熱力平衡狀態(tài)。三、系統(tǒng)熱力狀態(tài)

16

1、系統(tǒng)本身未達(dá)到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)就會(huì)由不平衡狀態(tài)趨向平衡狀態(tài)

；2、準(zhǔn)平衡過(guò)程（可用連續(xù)實(shí)線表示）2、當(dāng)系統(tǒng)本身已處于平衡狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的變化必須在外界功和熱的作用下才能發(fā)生，促使向新的狀態(tài)變化。17

3、

可逆過(guò)程

當(dāng)完成某一過(guò)程之后，如果有可能使工質(zhì)沿相同的途徑返回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，并使相互作用中所涉及到的外界也恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過(guò)程，稱(chēng)為可逆過(guò)程。

若摩擦等耗散效應(yīng)，不滿足上述條件的過(guò)程為不可逆過(guò)程：如果系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)過(guò)程后，系統(tǒng)可沿原過(guò)程的路線反向進(jìn)行，回復(fù)到原狀態(tài)，不在外界留下任何影響，則該過(guò)程稱(chēng)為可逆過(guò)程。正向運(yùn)動(dòng)（膨脹）時(shí)，吸收熱源的熱量，所作膨脹功除去用于排斥大氣外，全部?jī)?chǔ)存在飛輪的動(dòng)能中。反向運(yùn)動(dòng)（壓縮）時(shí)，利用飛輪的動(dòng)能來(lái)推動(dòng)活塞逆行，壓縮工質(zhì)所消耗的功恰與膨脹功相等。若無(wú)摩擦等耗散效應(yīng)同時(shí)壓縮過(guò)程中質(zhì)向熱源所排熱量也恰與膨脹時(shí)所吸收的熱量相等。3.1可逆過(guò)程中的功壓容圖上過(guò)程線的下面積表示膨脹功20

溫熵圖上過(guò)程線下面積表示熱量3.2可逆過(guò)程中的熱單位質(zhì)量：工程熱力學(xué)上約定：工質(zhì)從外界吸熱，熱量為正；工質(zhì)向外界放熱，熱量為負(fù)。熱與功的異同：

1.都是通過(guò)邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比容變化是作功標(biāo)志；

熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；

4.功是物系間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的

能量；

熱是物系間通過(guò)紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。

2.都是過(guò)程量；正向循環(huán)的目的是輸出功，如發(fā)電廠的蒸汽循環(huán)輸出電力，故又稱(chēng)動(dòng)力循環(huán)?？赡嬲蜓h(huán)過(guò)程以順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行，膨脹過(guò)程線在壓縮過(guò)程線上方循環(huán)中工質(zhì)膨脹對(duì)外作功大于外界壓縮工質(zhì)作功，工質(zhì)吸熱量大于放熱量。據(jù)循環(huán)的熱力學(xué)特征，可把循環(huán)分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。具體應(yīng)用逆向循環(huán)是把熱量由低溫系統(tǒng)傳向高溫系統(tǒng)．以逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行，壓縮過(guò)程線在膨脹過(guò)程線上方循環(huán)中工質(zhì)放熱量大于吸熱量，外界壓縮工質(zhì)作功大于工質(zhì)膨脹對(duì)外作功排向高溫?zé)嵩吹臒崃考訜岬臒岜?，熱泵空調(diào)排出低溫冷庫(kù)熱量，保持冷庫(kù)制冷實(shí)例：鍋爐—產(chǎn)生蒸汽（將燃料的化學(xué)轉(zhuǎn)換為熱能并傳遞給工質(zhì)）汽輪機(jī)—將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能冷凝器—將乏汽冷凝成水水泵—使得工作介質(zhì)循環(huán)（保證系統(tǒng)內(nèi)部的高壓）工質(zhì)（水、蒸汽）周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的任務(wù)25

說(shuō)明1、熱力系統(tǒng)三要素：高溫?zé)嵩矗べ|(zhì)＋低溫?zé)嵩?、系統(tǒng)與外界的人為性；

3、邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動(dòng)的

c）實(shí)際的或虛擬的

1.工質(zhì)：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)對(duì)工質(zhì)的要求:

物質(zhì)三態(tài)中

氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性;

2）流動(dòng)性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對(duì)環(huán)境友善

6）價(jià)廉，易大量獲取27

2.熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。高溫?zé)嵩矗嵩?-

heat

source

）低溫?zé)嵩矗ɡ湓础猦eat

sink）恒溫?zé)嵩?constant

heat

reservoir)

變溫?zé)嵩?8

3.熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant)定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備。內(nèi)燃機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

傳熱學(xué)

（HeatTransfer）第一章概述

1.傳熱學(xué)（HeatTransfer）

(1)

研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來(lái)講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法

(2)

熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：溫差熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?/p>

有溫差就會(huì)有傳熱溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力

工程熱力學(xué)和工程傳熱學(xué)的區(qū)別

（以換熱器為例）換熱量=質(zhì)量流量X進(jìn)出口溫差X比熱這個(gè)是《工程熱力學(xué)》問(wèn)題換熱量=換熱系數(shù)X平均溫差X換熱面積這個(gè)是《傳熱學(xué)》問(wèn)題工程熱力學(xué)主要著重于系統(tǒng)整體狀態(tài)變化，研究一個(gè)過(guò)程發(fā)生的始末，而不關(guān)注中間過(guò)程。傳熱學(xué)則關(guān)注熱量具體是如何傳遞的，研究導(dǎo)熱，對(duì)流和輻射。3傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例

自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差

傳熱很普遍

b夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺(jué)不一樣。為什么？c北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？(1)日常生活中的例子：a人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？(2)特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域存在傳熱問(wèn)題a航空航天：高溫葉片冷卻；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻；

b微電子：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e新能源：太陽(yáng)能；燃料電池3、傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史傳導(dǎo)換熱（Convectionheattransfer）鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（B.T.Rumford,1798年）兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（H.Davy,1799年）導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J.Biot,1804年）對(duì)流換熱（Convectionheattransfer）不可壓縮流動(dòng)方程（M.Navier,1823年)流體流動(dòng)Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880年）自然對(duì)流的理論解（L.Lorentz,1881年）管內(nèi)換熱的理論解（L.Graetz,1885年）熱邊界層概念（E.Pohlhausen,1921年）熱輻射及輻射換熱(Thermalradiation)黑體輻射能量和溫度的關(guān)系(J.Stefan）黑體輻射光譜能量分布的公式維恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式物體的發(fā)射率與吸收比的關(guān)系（G.Kirchhoff）物體間輻射換熱的計(jì)算方法（波略克，1935年)3、傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史§1-1熱量傳遞的三種基本方式1導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a必須有溫差；b物體直接接觸；c依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。(4)導(dǎo)熱的基本定律：

上式稱(chēng)為導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉導(dǎo)出

：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量[W]；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積[m2]；

：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）[W/(mK)]。一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0

x

dxdtQq：熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量；(6)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻

(5)導(dǎo)熱系數(shù)

表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物質(zhì)性質(zhì)參數(shù)，與材料種類(lèi)和溫度關(guān)。t0

x

dxdtQ穩(wěn)態(tài)

q=常數(shù)，于是積分傅立葉定律有：Q圖1-3導(dǎo)熱熱阻的圖示

t0

x

dxdtQ導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻例題1-1一塊厚度δ=50mm的平板，兩側(cè)表面分別維持在試求下列條件下的熱流密度。材料為銅，λ=375w/(mK);材料為鋼，λ=36.4

w/(mK);材料為鉻磚，λ=2.32

w/(mK)；材料為鉻藻土磚，λ=0.242

w/(mK)。

鉻磚：硅藻土磚：銅：鋼：由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同的條件下通過(guò)銅板的導(dǎo)熱量比硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。可見(jiàn)銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚則有較強(qiáng)隔熱作用定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。2對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)(2)對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)：

a導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程

b必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差

c壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層對(duì)流換熱的分類(lèi)無(wú)相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱(4)對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式——牛頓冷卻公式h—

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

—熱流量[W]，單位時(shí)間傳遞的熱量q—熱流密度A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度當(dāng)流體與壁面溫度相差一度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等(5)對(duì)流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))對(duì)流換熱熱阻單位面積對(duì)流換熱熱阻(1)

定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象3熱輻射(Thermalradiation)(2)

特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。(3)生活中的例子：

a當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；

b冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒(méi)有窗簾時(shí)要舒服；

c太陽(yáng)能傳遞到地面

d冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0℃以上，但地面卻可能結(jié)冰。(5)輻射換熱的特點(diǎn)a

不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量b

在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換物體熱力學(xué)能電磁波能物體熱力學(xué)能c

無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫(6)輻射換熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律(7)黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長(zhǎng)，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)黑體輻射的控制方程：

Stefan-Boltzmann定律

，

，真實(shí)物體則為：

（9）

兩黑體表面間的輻射換熱

例題1-2一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外表面實(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W/(m2K),

保溫層外表面的發(fā)射率問(wèn)：（1）此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；（2）計(jì)算每米長(zhǎng)度管道的總散熱量。解：（1）此管道的散熱有輻射換熱和自然對(duì)流換熱兩種方式。（2）把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度，于是每米長(zhǎng)度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：討論：計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于表面溫度為幾上幾十?dāng)z氏度的一類(lèi)表面的散熱問(wèn)題，自然對(duì)流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長(zhǎng)度上的自然對(duì)流散熱二、傳熱過(guò)程1傳熱過(guò)程的定義：兩流體間通過(guò)固體壁面進(jìn)行的換熱2傳熱過(guò)程包含的傳熱方式：輻射換熱對(duì)流換熱熱傳導(dǎo)墻壁的散熱3一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中的熱量傳遞圖1－9一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程忽略熱輻射換熱固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對(duì)流換熱熱阻左側(cè)對(duì)流換熱熱阻上面?zhèn)鳠徇^(guò)程中傳遞的熱量為：傳熱系數(shù)，是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過(guò)程有關(guān)。

傳熱系數(shù)單位熱阻或面積熱阻一、

k越大，傳熱越好。若要增大k，可增大三、

h1、h2的計(jì)算方法及增加k值的措施是《傳熱學(xué)》

的重要內(nèi)容二、

非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程以及有內(nèi)熱源時(shí)，不能用熱阻分析法本章小結(jié)：(1)導(dǎo)熱

Fourier定律：

(2)對(duì)流換熱

Newton冷卻公式：

(3)熱輻射

Stenfan-Boltzmann定律：

(4)傳熱過(guò)程

第二章導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱§2-1導(dǎo)熱基本定律一、溫度場(chǎng)（Temperaturefield）

某時(shí)刻空間所有各點(diǎn)溫度分布的總稱(chēng)溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù)，即：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)Steady-stateconduction）非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)（Transientconduction）等溫面與等溫線(1)溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交●等溫面：同一時(shí)刻、溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)連接起來(lái)所構(gòu)成的面●等溫線：用一個(gè)平面與各等溫面相交，在這個(gè)平面上得到一個(gè)等溫線簇等溫面與等溫線的特點(diǎn)：(2)在連續(xù)的溫度場(chǎng)中，等溫面或等溫線不會(huì)中斷，它們或者是物體中完全封閉的曲面（曲線），或者就終止與物體的邊界上物體的溫度場(chǎng)通常用等溫面或等溫線表示等溫面上沒(méi)有溫差，不會(huì)有熱量傳遞溫度梯度

(Temperaturegradient）不同的等溫面之間，有溫差，有熱量傳遞溫度梯度：沿等溫面法線方向上的溫度增量與法向

距離比值的極限，gradt直角坐標(biāo)系：（Cartesiancoordinates）注：溫度梯度是向量；正向朝著溫度增加的方向熱流密度矢量熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積上所傳遞的熱量；直角坐標(biāo)系中：熱流密度矢量：等溫面上某點(diǎn)，以通過(guò)該點(diǎn)處最大熱流密度的方向?yàn)榉较?、?shù)值上正好等于沿該方向的熱流密度不同方向上的熱流密度的大小不同（Heatflux）二、導(dǎo)熱基本定律(Fourier’slaw）1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉（Fourier）在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱基本規(guī)律——傅里葉定律導(dǎo)熱基本定律：垂直導(dǎo)過(guò)等溫面的熱流密度，正比于該處的溫度梯度，方向與溫度梯度相反熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）直角坐標(biāo)系中：注：傅里葉定律只適用于各向同性材料

各向同性材料：熱導(dǎo)率在各個(gè)方向是相同的（Thermalconductivity）有些天然和人造材料，如：石英、木材、疊層塑料板、疊層金屬板，其導(dǎo)熱系數(shù)隨方向而變化——各向異性材料各向異性材料中：三、熱導(dǎo)率（Thermalconductivity）熱導(dǎo)率的數(shù)值：就是物體中單位溫度梯度、單位時(shí)間、通過(guò)單位面積的導(dǎo)熱量

—物質(zhì)的重要熱物性參數(shù)影響熱導(dǎo)率的因素：物質(zhì)的種類(lèi)、材料成分、溫度、濕度、壓力、密度等熱導(dǎo)率的數(shù)值表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同物質(zhì)熱導(dǎo)率的差異：構(gòu)造差別、導(dǎo)熱機(jī)理不同1、氣體的熱導(dǎo)率氣體的導(dǎo)熱：由于分子的熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞時(shí)發(fā)生的能量傳遞氣體分子運(yùn)動(dòng)理論：常溫常壓下氣體熱導(dǎo)率可表示為：除非壓力很低或很高，在2.67*10-3MPa~2.0*103MPa范圍內(nèi)，氣體的熱導(dǎo)率基本不隨壓力變化：氣體分子運(yùn)動(dòng)的均方根速度氣體的溫度升高時(shí)：氣體分子運(yùn)動(dòng)速度和定容比熱隨T升高而增大。氣體的熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大：氣體分子在兩次碰撞間平均自由行程：氣體的密度；：氣體的定容比熱氣體的壓力升高時(shí)：氣體的密度增大、平均自由行程減小、而兩者的乘積保持不變?；旌蠚怏w熱導(dǎo)率不能用部分求和的方法求；只能靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定分子質(zhì)量小的氣體（H2、He）熱導(dǎo)率較大—分子運(yùn)動(dòng)速度高2、液體的熱導(dǎo)率液體的導(dǎo)熱：主要依靠晶格的振動(dòng)晶格：理想的晶體中分子在無(wú)限大空間里排列成周期性點(diǎn)陣，即所謂晶格大多數(shù)液體（分子量M不變）：水和甘油等強(qiáng)締合液體，分子量變化，并隨溫度而變化。在不同溫度下，熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律不一樣液體的熱導(dǎo)率隨壓力p的升高而增大3、固體的熱導(dǎo)率純金屬的導(dǎo)熱：依靠自由電子的遷移和晶格的振動(dòng)主要依靠前者金屬導(dǎo)熱與導(dǎo)電機(jī)理一致；良導(dǎo)電體為良導(dǎo)熱體：(1)金屬的熱導(dǎo)率：—晶格振動(dòng)的加強(qiáng)干擾自由電子運(yùn)動(dòng)合金：金屬中摻入任何雜質(zhì)將破壞晶格的完整性，干擾自由電子的運(yùn)動(dòng)金屬的加工過(guò)程也會(huì)造成晶格的缺陷合金的導(dǎo)熱：依靠自由電子的遷移和晶格的振動(dòng)；主要依靠后者溫度升高、晶格振動(dòng)加強(qiáng)、導(dǎo)熱增強(qiáng)如常溫下：黃銅：70%Cu,30%Zn非金屬的導(dǎo)熱：依靠晶格的振動(dòng)傳遞熱量；比較小建筑隔熱保溫材料：(2)非金屬的熱導(dǎo)率：大多數(shù)建筑材料和絕熱材料具有多孔或纖維結(jié)構(gòu)多孔材料的熱導(dǎo)率與密度和濕度有關(guān)保溫材料：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350度時(shí)熱導(dǎo)率小于

0.12W/(mK)的材料（絕熱材料）§2-2導(dǎo)熱微分方程式（HeatDiffusionEquation）確定導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布是導(dǎo)熱理論的首要任務(wù)傅里葉定律：確定熱流密度的大小，應(yīng)知道物體內(nèi)的溫度場(chǎng):理論基礎(chǔ)：傅里葉定律+熱力學(xué)第一定律假設(shè)：(1)所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質(zhì)

(2)熱導(dǎo)率、比熱容和密度均為已知

(3)物體內(nèi)具有內(nèi)熱源；強(qiáng)度qv[W/m3];

內(nèi)熱源均勻分布；qv

表示單位體積的導(dǎo)熱

體在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量化學(xué)反應(yīng)發(fā)射藥熔化過(guò)程一、導(dǎo)熱微分方程式在導(dǎo)熱體中取一微元體熱力學(xué)第一定律：

d

時(shí)間內(nèi)微元體中：[導(dǎo)入