中國礦業(yè)大學《傳熱學》2022-2023學年期末試卷

中國礦業(yè)大學2022～2023學年秋季學期2021級工程熱力學/傳熱學專業(yè)《傳熱學》期末筆試試卷本科試題卷考試時間：120分鐘(閉卷)院(系)：專業(yè)方向：班級：姓名：學號：一、選擇題（每題2分，共20分）傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的科學，其基本理論主要包括哪幾個方面？（）

A.熱傳導、熱對流、熱輻射

B.溫度場、熱流密度、熱平衡

C.熱力學第一定律、熱力學第二定律

D.熱量傳遞的微觀機制、宏觀表現(xiàn)在一維導熱問題中，若導熱系數(shù)λ為常數(shù)，且無內(nèi)熱源，則溫度分布滿足的微分方程是？（）

A.

dx2d2T?+λqv??=0

B.

dxdT?+λAq?=0

C.

dx2d2T?=0

D.

dx2d2T??λqv??=0下列哪項不是影響對流換熱系數(shù)的因素？（）

A.流體的物性

B.流體的流動狀態(tài)

C.換熱表面的幾何形狀

D.換熱表面的材料密度熱輻射的主要特性是什么？（）

A.需要介質(zhì)傳遞

B.傳遞過程中能量不發(fā)生轉(zhuǎn)化

C.輻射能與波長無關

D.以電磁波形式傳遞能量在穩(wěn)態(tài)導熱過程中，通過導熱體的熱量Q與哪些因素有關？（）

A.導熱體的厚度

B.導熱體的面積

C.導熱體的溫度差

D.以上都是下列關于熱傳導的說法中，錯誤的是？（）

A.熱傳導是固體中熱量傳遞的主要方式

B.熱傳導過程中，熱量從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)

C.熱傳導的速率與溫度梯度成正比

D.熱傳導只能在同一物質(zhì)中進行對流換熱的基本方程式（牛頓冷卻公式）表達了什么關系？（）

A.換熱量與溫差成正比

B.換熱量與流體速度成正比

C.換熱量與換熱面積成正比

D.換熱量與流體密度成正比在輻射換熱中，黑體是指一個什么特性的物體？（）

A.對所有波長的輻射都有相同反射率的物體

B.對所有波長的輻射都有相同透射率的物體

C.對所有波長的輻射都有相同吸收率的物體

D.對所有波長的輻射都有相同發(fā)射率的物體復合換熱是指哪幾種換熱方式的組合？（）

A.熱傳導與熱對流

B.熱傳導與熱輻射

C.熱對流與熱輻射

D.熱傳導、熱對流與熱輻射下列哪種情況屬于非穩(wěn)態(tài)導熱？（）

A.導熱體內(nèi)各點溫度隨時間變化

B.導熱體內(nèi)各點溫度不隨時間變化

C.導熱體內(nèi)溫度分布均勻

D.導熱體內(nèi)無熱源二、填空題（每題1分，共10分）傳熱學是研究______、______和______三種基本熱量傳遞方式的科學。在一維導熱問題中，若導熱系數(shù)λ為常數(shù)，且物體內(nèi)部有均勻分布的熱源，則溫度分布滿足的微分方程是______。對流換熱系數(shù)h表示的是______與______之間的換熱強度。熱輻射與熱傳導、熱對流的主要區(qū)別在于，熱輻射______（需要/不需要）介質(zhì)來傳遞能量。在穩(wěn)態(tài)導熱過程中，通過平板的熱量Q可以用公式______來計算。傅里葉定律描述了______與______之間的關系。牛頓冷卻公式中的對流換熱系數(shù)h與______、______等因素有關。黑體對所有波長的輻射都有相同的______率。在復合換熱中，如果熱傳導和熱對流同時存在，則總的換熱系數(shù)應該用______來計算。非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，導熱體內(nèi)各點的溫度______（是/不是）隨時間變化的。三、判斷題（每題1分，共10分）傳熱學只研究熱量在固體中的傳遞規(guī)律。（）在一維導熱問題中，若導熱系數(shù)λ為常數(shù)，則溫度分布一定是線性的。（）對流換熱系數(shù)h越大，表示換熱效果越好。（）熱輻射只能發(fā)生在真空環(huán)境中。（）穩(wěn)態(tài)導熱過程中，通過導熱體的熱量Q與導熱體的厚度成正比。（）傅里葉定律中的導熱系數(shù)λ是物質(zhì)的固有屬性，與溫度無關。（）牛頓冷卻公式適用于所有對流換熱情況。（）黑體對所有波長的輻射都有相同的吸收和發(fā)射能力。（）在復合換熱中，如果熱傳導、熱對流和熱輻射同時存在，則總的換熱效果是三者之和。（）非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，導熱體內(nèi)各點的溫度分布是隨時間變化的。（）四、簡答題（每題5分，共10分）請簡述熱傳導、熱對流和熱輻射三種熱量傳遞方式的基本原理及特點。什么是穩(wěn)態(tài)導熱和非穩(wěn)態(tài)導熱？請分別舉例說明。五、計算題（每題10分，共20分）有一平板，厚度為0.05m，兩側(cè)表面溫度分別為100°C和50°C，導熱系數(shù)為50W/(m·K)，且平板內(nèi)無內(nèi)熱源。請計算通過平板的熱量Q。有一圓管，內(nèi)壁溫度為80°C，外壁溫度為30°C，圓管長度為2m，導熱系數(shù)為35W/(m·K)，且圓管內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)，對流換熱系數(shù)h可通過經(jīng)驗公式h=0.023*λ*(Re0.4)計算（其中Re為雷諾數(shù)，取10000；Pr為普朗特數(shù)，取0.7），圓管內(nèi)徑為0.1m。請計算圓管的對流換熱系數(shù)h，并據(jù)此計算通過圓管的熱量Q（假設圓管外壁絕熱，只考慮內(nèi)壁與流體間的換熱）。六、分析題（每題5分，共10分）分析導熱系數(shù)λ對一維導熱問題中溫度分布的影響，并解釋其原因。在對流換熱過程中，為什么流體的流動狀態(tài)（層流或湍流）對換熱系數(shù)h有顯著影響？七、論述題（10分）請論述熱輻射在工業(yè)生產(chǎn)中的應用及其重要性，并舉例說明。八、綜合應用題（10分）某工廠需要設計一個換熱器，用于將高溫流體的熱量傳遞給低溫流體。請結(jié)合傳熱學的基本原理，提出一個合理的換熱器設計方案，并說明其工作原理及優(yōu)點。中國礦業(yè)大學2022～2023學年秋季學期2021級工程熱力學/傳熱學專業(yè)《傳熱學》期末筆試試卷本科答案一、選擇題答案：A解析：傳熱學主要研究熱量傳遞的規(guī)律，包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種基本方式。這三種方式分別描述了熱量在固體、流體以及通過電磁波在空間中的傳遞過程。答案：D解析：在一維導熱問題中，若導熱系數(shù)λ為常數(shù)，且無內(nèi)熱源，則溫度分布滿足的微分方程是dx2d2T??λqv??=0。但由于題目中明確指出無內(nèi)熱源，即qv?=0，因此方程簡化為dx2d2T?=0。然而，選項中并沒有這個簡化后的方程，考慮到可能是題目表述的簡化意圖，我們選擇最接近的選項D，它包含了qv?項，只是在實際應用中該項會為零。嚴格來說，這個題目可能存在表述上的小瑕疵，但按照題目的意圖和選項的設置，D是最合適的答案。答案：D解析：對流換熱系數(shù)h受多種因素影響，包括流體的物性（如密度、黏度、導熱系數(shù)等）、流體的流動狀態(tài)（層流或湍流）、換熱表面的幾何形狀（如平板、圓管等）以及流體與換熱表面之間的相互作用。而換熱表面的材料密度主要影響的是熱傳導過程，對對流換熱系數(shù)的影響較小。答案：D解析：熱輻射是以電磁波的形式傳遞能量的，它不需要介質(zhì)來傳遞。這與熱傳導和熱對流不同，后兩者都需要通過物質(zhì)（固體、液體或氣體）來傳遞熱量。答案：D解析：在穩(wěn)態(tài)導熱過程中，通過導熱體的熱量Q與導熱體的厚度、面積以及溫度差都有關。具體來說，Q可以表示為Q=λAδΔT?，其中λ是導熱系數(shù)，A是導熱體的面積，ΔT是溫度差，δ是導熱體的厚度。答案：D解析：熱傳導是熱量在物質(zhì)內(nèi)部從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)的過程，它可以在同一物質(zhì)中進行，也可以在不同物質(zhì)之間通過接觸傳遞。因此，選項D中的說法“熱傳導只能在同一物質(zhì)中進行”是錯誤的。答案：A解析：對流換熱的基本方程式（牛頓冷卻公式）Q=hAΔT表達了換熱量Q與溫差ΔT成正比的關系。其中h是對流換熱系數(shù)，A是換熱面積。這個公式描述了流體與固體表面之間的換熱過程。答案：C解析：黑體是一個理想化的物體，它對所有波長的輻射都有相同的吸收率，且吸收率等于1。這意味著黑體能夠吸收所有投射到它上面的輻射能量，而不發(fā)生反射和透射。因此，黑體是一個重要的物理概念，在輻射換熱分析中有著廣泛的應用。答案：D解析：復合換熱是指熱傳導、熱對流和熱輻射三種換熱方式同時存在的情況。在實際工程中，這種情況是很常見的。因此，需要綜合考慮這三種換熱方式的影響，以確定總的換熱效果。答案：A解析：非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，導熱體內(nèi)各點的溫度是隨時間變化的。這與穩(wěn)態(tài)導熱過程不同，在穩(wěn)態(tài)導熱過程中，導熱體內(nèi)各點的溫度是不隨時間變化的。非穩(wěn)態(tài)導熱過程通常發(fā)生在熱源或冷源發(fā)生變化、或者導熱體的邊界條件發(fā)生變化的情況下。二、填空題答案：熱傳導、熱對流、熱輻射答案：dx2d2T?+λqv??=0（注意：這里qv?表示內(nèi)熱源強度，若題目中明確指出無內(nèi)熱源，則方程應簡化為dx2d2T?=0）答案：流體與固體表面之間、換熱強度答案：不需要答案：Q=λAδΔT?（或簡化為Q=kAΔT/L，其中k為導熱系數(shù)與厚度的比值，A為面積，ΔT為溫差，L為厚度或長度）答案：導熱系數(shù)（或?qū)崧剩囟忍荻龋ɑ驘崃髅芏龋┐鸢福毫黧w的物性、流動狀態(tài)（或流速）、換熱表面的幾何形狀（或粗糙度）等答案：吸收（或發(fā)射，因為對于黑體來說，吸收率等于發(fā)射率）答案：適當?shù)膿Q熱系數(shù)計算公式（如并聯(lián)時取兩者之和的倒數(shù)作為總換熱系數(shù)的倒數(shù)，串聯(lián)時取兩者之和作為總換熱系數(shù)；具體公式根據(jù)實際情況而定）答案：是三、判斷題傳熱學只研究熱量在固體中的傳遞規(guī)律。（×）傳熱學研究熱量在固體、液體和氣體中的傳遞規(guī)律，不僅限于固體。在一維導熱問題中，若導熱系數(shù)λ為常數(shù)，則溫度分布一定是線性的。（×）在一維導熱問題中，若導熱系數(shù)λ為常數(shù)且無內(nèi)熱源，溫度分布才是線性的。若存在內(nèi)熱源，溫度分布可能不是線性的。對流換熱系數(shù)h越大，表示換熱效果越好。（√）對流換熱系數(shù)h是衡量對流換熱強弱的物理量，h越大表示在相同的溫差下，單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量越多，即換熱效果越好。熱輻射只能發(fā)生在真空環(huán)境中。（×）熱輻射是電磁波的傳播過程，不需要介質(zhì)，可以在真空中進行，也可以在非真空環(huán)境中發(fā)生。穩(wěn)態(tài)導熱過程中，通過導熱體的熱量Q與導熱體的厚度成正比。（×）在穩(wěn)態(tài)導熱過程中，若導熱系數(shù)和溫度差一定，且導熱體為平板，則通過導熱體的熱量Q與導熱體的厚度成反比（因為厚度增加導致熱阻增大）。若導熱體形狀或條件改變，這個關系可能不成立。傅里葉定律中的導熱系數(shù)λ是物質(zhì)的固有屬性，與溫度無關。（×）傅里葉定律中的導熱系數(shù)λ通常是物質(zhì)的固有屬性，但也可能隨溫度的變化而變化，特別是在高溫或低溫條件下。牛頓冷卻公式適用于所有對流換熱情況。（×）牛頓冷卻公式適用于物體表面與流體之間對流換熱的情況，且假設物體表面溫度與流體溫度相差不大，流體流動狀態(tài)穩(wěn)定且物體形狀簡單。在復雜或特殊的對流換熱情況下，牛頓冷卻公式可能不適用。黑體對所有波長的輻射都有相同的吸收和發(fā)射能力。（√）黑體是一個理想化的物理模型，它能夠吸收所有投射到它上面的輻射能量，并且對所有波長的輻射都有相同的吸收和發(fā)射能力。在復合換熱中，如果熱傳導、熱對流和熱輻射同時存在，則總的換熱效果是三者之和。（×）在復合換熱中，如果熱傳導、熱對流和熱輻射同時存在，且它們之間相互獨立（即沒有相互影響或耦合作用），則總的換熱效果可以看作是三者之和。但在實際情況中，這三種換熱方式之間往往存在相互影響和耦合作用，因此總的換熱效果可能不是簡單的三者之和。非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，導熱體內(nèi)各點的溫度分布是隨時間變化的。（√）非穩(wěn)態(tài)導熱過程是指導熱體內(nèi)各點的溫度隨時間而變化的導熱過程。在非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，導熱體內(nèi)各點的溫度分布確實是隨時間變化的。四、簡答題請簡述熱傳導、熱對流和熱輻射三種熱量傳遞方式的基本原理及特點。熱傳導：熱量通過物體內(nèi)部微觀粒子的相互碰撞和傳遞而實現(xiàn)。特點：熱量傳遞方向與溫度梯度方向相反；傳遞速率與溫度梯度成正比；在固體中最為顯著。熱對流：由于流體（液體或氣體）的宏觀運動而引起的熱量傳遞。特點：熱量傳遞方向與流體運動方向相同或相反；在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中都非常常見。熱輻射：熱量以電磁波的形式在空間傳播。特點：熱量傳遞不需要介質(zhì)；傳遞速率與溫度的四次方成正比（根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律）；在太陽輻射、地球輻射以及工業(yè)加熱和冷卻過程中都起著重要作用。什么是穩(wěn)態(tài)導熱和非穩(wěn)態(tài)導熱？請分別舉例說明。穩(wěn)態(tài)導熱：指導熱體內(nèi)各點的溫度不隨時間而變化的導熱過程。在穩(wěn)態(tài)導熱過程中，熱量傳遞的速率是恒定的，且導熱體內(nèi)各點的溫度分布也是恒定的。例如，在冬天使用電熱毯時，當電熱毯達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，其內(nèi)部的溫度分布就是穩(wěn)態(tài)導熱的例子。非穩(wěn)態(tài)導熱：指導熱體內(nèi)各點的溫度隨時間而變化的導熱過程。在非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，熱量傳遞的速率和導熱體內(nèi)各點的溫度分布都是隨時間變化的。例如，在加熱一個金屬棒時，金屬棒內(nèi)部的溫度會隨著加熱時間的增加而逐漸升高，這就是非穩(wěn)態(tài)導熱的例子。五、計算題根據(jù)傅里葉定律，通過平板的熱量Q可以表示為Q=(λ*A*ΔT)/δ，其中A為平板面積（此題未給出具體數(shù)值，假設為1m2進行計算），ΔT為溫度差，即T1-T2=50°C，λ為導熱系數(shù)50W/(m·K)，δ為平板厚度0.05m。代入數(shù)值計算得：Q=(50*1*50)/0.05=50000W。首先計算對流換熱系數(shù)h：h=0.023*λ*(Re0.4)

=0.023*35*(100000.4)

≈250W/(m2·K)然后計算通過圓管的熱量Q：Q=h*A*ΔT其中A為圓管內(nèi)壁面積，A=π*d*L=π*0.1*2≈0.63m2（d為圓管內(nèi)徑），ΔT為溫度差，即T1-T2=50°C。代入數(shù)值計算得：Q=250*0.63*50=7875W六、分析題分析導熱系數(shù)λ對一維導熱問題中溫度分布的影響，并解釋其原因。答案：導熱系數(shù)λ是描述材料導熱性能的重要參數(shù)，它表示單位時間內(nèi)，單位溫度梯度下，通過單位面積所傳遞的熱量。在一維導熱問題中，導熱系數(shù)λ對溫度分布有著顯著的影響。當導熱系數(shù)λ較大時，意味著材料的導熱性能較好，熱量能夠更快地傳遞，因此溫度分布會更加均勻。相反，當導熱系數(shù)λ較小時，材料的導熱性能較差，熱量傳遞速度較慢，溫度分布的不均勻性會更加明顯。這是因為導熱系數(shù)λ決定了熱量在材料中的傳遞速率。當λ較大時，熱量能夠更快地從一個區(qū)域傳遞到另一個區(qū)域，從而減小了溫度差異。而當λ較小時，熱量傳遞受阻，溫度差異會增大。在對流換熱過程中，為什么流體的流動狀態(tài)（層流或湍流）對換熱系數(shù)h有顯著影響？答案：對流換熱是流體與固體表面之間的熱量傳遞過程。在這個過程中，流體的流動狀態(tài)（層流或湍流）對換熱系數(shù)h有著顯著的影響。層流狀態(tài)下，流體流動平穩(wěn)，流速較低，流體與固體表面之間的換熱主要通過熱傳導方式進行。此時，換熱系數(shù)h相對較小，換熱效果有限。而在湍流狀態(tài)下，流體流動劇烈，流速較高，流體與固體表面之間的換熱不僅通過熱傳導方式進行，還通過流體微團的混合和擾動作用進行。這種混合和擾動作用能夠破壞流體與固體表面之間的熱邊界層，從而增強換熱效果。因此，在湍流狀態(tài)下，換熱系數(shù)h會顯著增大。七、論述題請論述熱輻射在工業(yè)生產(chǎn)中的應用及其重要性，并舉例說明。答案：熱輻射是熱量以電磁波的形式在空間中傳遞的過程。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱輻射有著廣泛的應用和重要的地位。首先，熱輻射是高溫設備熱量傳遞的主要方式之一。例如，在鋼鐵冶煉、玻璃制造等高溫工業(yè)中，設備表面溫度極高，熱量主要通過熱輻射的方式傳遞給周圍環(huán)境。因此，合理設計和利用熱輻射對于提高設備效率、降低能耗具有重要意義。其次，熱輻射在熱工測量和自