中國礦業(yè)大學(xué)《傳熱學(xué)》2022-2023學(xué)年期末試卷

中國礦業(yè)大學(xué)2022～2023學(xué)年秋季學(xué)期2021級工程熱力學(xué)/傳熱學(xué)專業(yè)《傳熱學(xué)》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(xué)號：一、選擇題（每題2分，共20分）傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，其基本理論主要包括哪幾個方面？（）

A.熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射

B.溫度場、熱流密度、熱平衡

C.熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律

D.熱量傳遞的微觀機制、宏觀表現(xiàn)在一維導(dǎo)熱問題中，若導(dǎo)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(guān)

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

A.導(dǎo)熱體的厚度

B.導(dǎo)熱體的面積

C.導(dǎo)熱體的溫度差

D.以上都是下列關(guān)于熱傳導(dǎo)的說法中，錯誤的是？（）

A.熱傳導(dǎo)是固體中熱量傳遞的主要方式

B.熱傳導(dǎo)過程中，熱量從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)

C.熱傳導(dǎo)的速率與溫度梯度成正比

D.熱傳導(dǎo)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(guān)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(fù)合換熱是指哪幾種換熱方式的組合？（）

A.熱傳導(dǎo)與熱對流

B.熱傳導(dǎo)與熱輻射

C.熱對流與熱輻射

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

A.導(dǎo)熱體內(nèi)各點溫度隨時間變化

B.導(dǎo)熱體內(nèi)各點溫度不隨時間變化

C.導(dǎo)熱體內(nèi)溫度分布均勻

D.導(dǎo)熱體內(nèi)無熱源二、填空題（每題1分，共10分）傳熱學(xué)是研究______、______和______三種基本熱量傳遞方式的科學(xué)。在一維導(dǎo)熱問題中，若導(dǎo)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(dǎo)、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(dǎo)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(guān)系。牛頓冷卻公式中的對流換熱系數(shù)h與______、______等因素有關(guān)。黑體對所有波長的輻射都有相同的______率。在復(fù)合換熱中，如果熱傳導(dǎo)和熱對流同時存在，則總的換熱系數(shù)應(yīng)該用______來計算。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，導(dǎo)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(xué)只研究熱量在固體中的傳遞規(guī)律。（）在一維導(dǎo)熱問題中，若導(dǎo)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(dǎo)熱過程中，通過導(dǎo)熱體的熱量Q與導(dǎo)熱體的厚度成正比。（）傅里葉定律中的導(dǎo)熱系數(shù)λ是物質(zhì)的固有屬性，與溫度無關(guān)。（）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(fù)合換熱中，如果熱傳導(dǎo)、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(dǎo)熱過程中，導(dǎo)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(dǎo)、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(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)熱系數(shù)λ對一維導(dǎo)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(yīng)用及其重要性，并舉例說明。八、綜合應(yīng)用題（10分）某工廠需要設(shè)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(xué)的基本原理，提出一個合理的換熱器設(shè)計方案，并說明其工作原理及優(yōu)點。中國礦業(yè)大學(xué)2022～2023學(xué)年秋季學(xué)期2021級工程熱力學(xué)/傳熱學(xué)專業(yè)《傳熱學(xué)》期末筆試試卷本科答案一、選擇題答案：A解析：傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞的規(guī)律，包括熱傳導(dǎo)、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(dǎo)熱問題中，若導(dǎo)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(yīng)用中該項會為零。嚴(yán)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱過程中，通過導(dǎo)熱體的熱量Q與導(dǎo)熱體的厚度、面積以及溫度差都有關(guān)。具體來說，Q可以表示為Q=λAδΔT?，其中λ是導(dǎo)熱系數(shù)，A是導(dǎo)熱體的面積，ΔT是溫度差，δ是導(dǎo)熱體的厚度。答案：D解析：熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(yīng)用。答案：D解析：復(fù)合換熱是指熱傳導(dǎo)、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(dǎo)熱過程中，導(dǎo)熱體內(nèi)各點的溫度是隨時間變化的。這與穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程不同，在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，導(dǎo)熱體內(nèi)各點的溫度是不隨時間變化的。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程通常發(fā)生在熱源或冷源發(fā)生變化、或者導(dǎo)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(dǎo)、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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)?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(xué)只研究熱量在固體中的傳遞規(guī)律。（×）傳熱學(xué)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(dǎo)熱問題中，若導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)，則溫度分布一定是線性的。（×）在一維導(dǎo)熱問題中，若導(dǎo)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(dǎo)熱過程中，通過導(dǎo)熱體的熱量Q與導(dǎo)熱體的厚度成正比。（×）在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，若導(dǎo)熱系數(shù)和溫度差一定，且導(dǎo)熱體為平板，則通過導(dǎo)熱體的熱量Q與導(dǎo)熱體的厚度成反比（因為厚度增加導(dǎo)致熱阻增大）。若導(dǎo)熱體形狀或條件改變，這個關(guān)系可能不成立。傅里葉定律中的導(dǎo)熱系數(shù)λ是物質(zhì)的固有屬性，與溫度無關(guān)。（×）傅里葉定律中的導(dǎo)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(shè)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(fù)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(fù)合換熱中，如果熱傳導(dǎo)、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(fù)合換熱中，如果熱傳導(dǎo)、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(dǎo)熱過程中，導(dǎo)熱體內(nèi)各點的溫度分布是隨時間變化的。（√）非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程是指導(dǎo)熱體內(nèi)各點的溫度隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，導(dǎo)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(dǎo)、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(dǎo)：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(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？請分別舉例說明。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：指導(dǎo)熱體內(nèi)各點的溫度不隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，熱量傳遞的速率是恒定的，且導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)熱的例子。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：指導(dǎo)熱體內(nèi)各點的溫度隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，熱量傳遞的速率和導(dǎo)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(dǎo)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(shè)為1m2進行計算），ΔT為溫度差，即T1-T2=50°C，λ為導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)λ對一維導(dǎo)熱問題中溫度分布的影響，并解釋其原因。答案：導(dǎo)熱系數(shù)λ是描述材料導(dǎo)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(dǎo)熱問題中，導(dǎo)熱系數(shù)λ對溫度分布有著顯著的影響。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)λ較大時，意味著材料的導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)λ較小時，材料的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)λ決定了熱量在材料中的傳遞速率。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用和重要的地位。首先，熱輻射是高溫設(shè)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(shè)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(shè)計和利用熱輻射對于提高設(shè)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