《傳熱與傳質(zhì)》大學(xué)筆記

《傳熱與傳質(zhì)》大學(xué)筆記第一章：導(dǎo)論1.1傳熱與傳質(zhì)的基本概念在工程領(lǐng)域中，傳熱是指由于溫度差的存在，熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移的過(guò)程；而傳質(zhì)則是指物質(zhì)因濃度梯度不同而導(dǎo)致的遷移現(xiàn)象。兩者雖然研究對(duì)象不同——一個(gè)是能量傳輸，另一個(gè)是物質(zhì)傳輸——但它們之間存在著密切聯(lián)系，在許多自然現(xiàn)象和技術(shù)應(yīng)用中都同時(shí)發(fā)生。傳熱方式主要包括：導(dǎo)熱：通過(guò)直接接觸進(jìn)行的熱能傳遞。對(duì)流：依靠流體運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量交換。輻射：不需要介質(zhì)即可發(fā)生的熱能傳播形式。傳質(zhì)機(jī)制主要涉及：擴(kuò)散：由濃度差異引起的自發(fā)性物質(zhì)移動(dòng)。對(duì)流傳質(zhì)：伴隨流體流動(dòng)過(guò)程中的物質(zhì)交換。相變傳質(zhì)：如蒸發(fā)、凝結(jié)等過(guò)程中伴隨著物質(zhì)狀態(tài)變化的傳質(zhì)現(xiàn)象。1.2研究背景及重要性隨著科技的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)能源利用效率的要求越來(lái)越高，如何有效控制和優(yōu)化傳熱與傳質(zhì)過(guò)程成為了一個(gè)至關(guān)重要的課題。無(wú)論是提高工業(yè)生產(chǎn)效率、改善生活品質(zhì)還是保護(hù)環(huán)境，都離不開(kāi)對(duì)這些基本物理現(xiàn)象深刻理解與合理應(yīng)用。例如，在電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)、化工反應(yīng)器優(yōu)化、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，有效地管理和控制傳熱與傳質(zhì)過(guò)程可以顯著提升系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。應(yīng)用領(lǐng)域主要挑戰(zhàn)解決方案電子產(chǎn)品冷卻空間限制導(dǎo)致難以采用傳統(tǒng)冷卻方法開(kāi)發(fā)高效微型散熱器化工工藝高溫高壓條件下保證安全穩(wěn)定運(yùn)行選用耐腐蝕材料，加強(qiáng)密封措施可再生能源提高轉(zhuǎn)換效率降低成本創(chuàng)新設(shè)計(jì)以增強(qiáng)吸熱能力1.3本課程結(jié)構(gòu)概覽本課程將按照以下順序展開(kāi)：第二章至第五章重點(diǎn)介紹傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用；第六章至第九章探討不同類(lèi)型對(duì)流傳熱的具體情況；第十章專(zhuān)門(mén)討論輻射傳熱；第十一章至第十四章則轉(zhuǎn)向傳質(zhì)領(lǐng)域，包括氣相、液相傳質(zhì)以及兩者之間的相互作用；最后，在第十五章中我們將展望該領(lǐng)域的最新進(jìn)展和技術(shù)趨勢(shì)。第二章：熱力學(xué)基礎(chǔ)2.1熱力學(xué)第一定律回顧熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，表明在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。對(duì)于傳熱過(guò)程而言，這意味著輸入系統(tǒng)的熱量等于輸出的熱量加上系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量變化量。公式表示為：Q=ΔU+WQ=ΔU+W其中，QQ代表傳遞給系統(tǒng)的熱量，ΔUΔU表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，WW是系統(tǒng)對(duì)外做的功。閉口系統(tǒng)：沒(méi)有物質(zhì)進(jìn)出，只有能量交換。開(kāi)口系統(tǒng)（或稱為控制體積）：允許物質(zhì)和能量同時(shí)穿越邊界。2.2熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用與第一定律不同的是，熱力學(xué)第二定律強(qiáng)調(diào)了能量轉(zhuǎn)化的方向性問(wèn)題。它指出，自然界中所有自發(fā)過(guò)程總是朝著熵增方向發(fā)展。具體來(lái)說(shuō)，在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，總熵永遠(yuǎn)不會(huì)減少。這一定律揭示了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在不可逆損失的本質(zhì)原因，并為分析實(shí)際工程問(wèn)題提供了理論依據(jù)?？ㄖZ循環(huán)：理想化的工作循環(huán)模型，用于計(jì)算最大可能的熱機(jī)效率。熵：衡量系統(tǒng)無(wú)序程度的一個(gè)物理量，單位為焦耳每開(kāi)爾文(J/K)。熵產(chǎn)原理表明，任何實(shí)際過(guò)程中都會(huì)有熵的產(chǎn)生，這部分額外熵反映了系統(tǒng)內(nèi)部不可逆因素所造成的能量損失。2.3溫度、內(nèi)能、焓等基本概念溫度(TT)：描述物體冷熱程度的物理量，通常使用開(kāi)爾文(K)作為單位。內(nèi)能(UU)：系統(tǒng)內(nèi)部所有分子動(dòng)能與勢(shì)能之和。焓(HH)：定義為H=U+PVH=U+PV，其中PP代表壓力，VV是體積。焓是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，在特定條件下可用于簡(jiǎn)化熱力學(xué)計(jì)算。比熱容是衡量物質(zhì)吸收或釋放熱量能力大小的一個(gè)參數(shù)，分為定壓比熱容cpcp?和定容比熱容cvcv?兩種類(lèi)型。兩者關(guān)系為cp=cv+Rcp?=cv?+R，其中RR為氣體常數(shù)。第三章：傳熱模式介紹3.1導(dǎo)熱概述導(dǎo)熱是一種通過(guò)直接接觸傳遞熱量的方式，其速率取決于材料性質(zhì)、溫度梯度等因素。根據(jù)傅里葉定律，導(dǎo)熱率qxqx?可表示為：qx=?kdTdxqx?=?kdxdT?這里，kk是材料的熱導(dǎo)率，單位為瓦特每米開(kāi)爾文(W/m·K)；dTdxdxdT?表示沿x方向的溫度梯度。各向同性材料：其熱導(dǎo)率在各個(gè)方向上相同。各向異性材料：熱導(dǎo)率隨方向變化，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。3.2對(duì)流換熱簡(jiǎn)介當(dāng)流體相對(duì)于固體表面流動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生導(dǎo)熱，還會(huì)因?yàn)榱黧w粒子攜帶熱量移動(dòng)而產(chǎn)生對(duì)流換熱。對(duì)流換熱系數(shù)hh定義為單位面積上單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量與壁面溫度差之比，單位為瓦特每平方米開(kāi)爾文(W/m2·K)。自然對(duì)流：由密度差異引起，如加熱液體底部形成的上升流。強(qiáng)制對(duì)流：外力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的流動(dòng)，比如風(fēng)扇吹風(fēng)。3.3輻射傳熱原理輻射傳熱無(wú)需介質(zhì)參與，而是通過(guò)電磁波形式傳遞能量。絕對(duì)黑體是最理想的輻射源，其發(fā)射功率遵循斯特藩-玻爾茲曼定律：E=σT4E=σT4其中，σ=5.67×10?8W/(m2?K4)σ=5.67×10?8W/(m2?K4)為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，EE為輻射強(qiáng)度，TT為絕對(duì)溫度。灰體：假設(shè)其在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有相同的吸收率和反射率。選擇性表面：某些特殊材料只對(duì)特定波段表現(xiàn)出較高的吸收或發(fā)射特性。第四章：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱4.1一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析在討論一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，我們假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布僅沿著一個(gè)方向變化，并且隨著時(shí)間的推移保持不變。這種情況下，根據(jù)傅里葉定律，導(dǎo)熱量qxqx?可以表示為：qx=?kdTdxqx?=?kdxdT?其中，kk是材料的熱導(dǎo)率，dTdxdxdT?表示沿x方向的溫度梯度。邊界條件：解決導(dǎo)熱問(wèn)題時(shí)，必須明確指出系統(tǒng)的邊界處的具體情況，如指定溫度（第一類(lèi)邊界條件）或指定熱流密度（第二類(lèi)邊界條件）。多層復(fù)合壁：當(dāng)存在多個(gè)不同材料組成的層時(shí)，需要考慮各層界面之間的連續(xù)性條件，即界面上的溫度和熱流密度都應(yīng)該是連續(xù)的。表4-1不同材料的熱導(dǎo)率值材料熱導(dǎo)率(W/m·K)銅385鋁237鋼40水0.6空氣0.026通過(guò)上表我們可以看到，金屬通常具有較高的熱導(dǎo)率，而氣體則較低。這解釋了為什么在實(shí)際應(yīng)用中，例如保溫隔熱材料的選擇上，會(huì)優(yōu)先考慮使用低熱導(dǎo)率的物質(zhì)來(lái)減少不必要的熱量損失。4.2多層材料的復(fù)合壁導(dǎo)熱對(duì)于由兩種或更多種不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析時(shí)，關(guān)鍵在于正確處理每層材料間的接口條件。設(shè)有一個(gè)n層厚的平板，每一層的厚度分別為L(zhǎng)1,L2,...,LnL1?,L2?,...,Ln?，相應(yīng)的熱導(dǎo)率為k1,k2,...,knk1?,k2?,...,kn?，那么整個(gè)結(jié)構(gòu)的總熱阻RtotalRtotal?可表示為：Rtotal=∑i=1nLikiARtotal?=∑i=1n?ki?ALi??這里AA代表傳熱面積。如果知道兩側(cè)的溫度差以及總的熱阻，則可通過(guò)以下公式計(jì)算出總的熱流量：Q=T1?T2RtotalQ=Rtotal?T1??T2??4.3接觸電阻的影響即使是在理想條件下，當(dāng)兩種固體表面直接接觸時(shí)，它們之間也存在著微小間隙，導(dǎo)致所謂的“接觸電阻”。這種額外的阻力會(huì)顯著影響整體的傳熱效率。為了降低接觸電阻帶來(lái)的負(fù)面影響，可以通過(guò)增加接觸壓力、使用導(dǎo)熱膏等方式來(lái)改善界面間的熱傳遞性能。第五章：非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.1非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題簡(jiǎn)介與穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱相對(duì)應(yīng)的是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，在這種情況下，系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布隨時(shí)間變化。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程更接近于自然界中的實(shí)際情況，比如突然加熱或冷卻物體時(shí)所發(fā)生的瞬態(tài)響應(yīng)。熱擴(kuò)散方程：描述非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象的基本方程之一，其一般形式為：ρcp?T?t=??(k?T)+Qρcp??t?T?=??(k?T)+Q其中，ρρ是密度，cpcp?是比熱容，QQ代表單位體積內(nèi)的熱源強(qiáng)度。5.2半無(wú)限大物體內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱考慮一個(gè)初始溫度均勻的半無(wú)限大物體，當(dāng)其表面突然受到恒定溫度的作用后，物體內(nèi)部將經(jīng)歷一個(gè)逐漸升溫的過(guò)程。利用分離變量法等數(shù)學(xué)工具，可以求得解析解，進(jìn)而得到溫度分布隨時(shí)間和位置的變化規(guī)律。誤差函數(shù)：在處理此類(lèi)問(wèn)題時(shí)常遇到的一個(gè)特殊函數(shù)，它用來(lái)描述累積正態(tài)分布曲線下的面積。對(duì)于簡(jiǎn)單的半無(wú)限體加熱模型，溫度分布可以近似表達(dá)為：T(x,t)=Ts+(Ti?Ts)?erf(x2αt)T(x,t)=Ts?+(Ti??Ts?)?erf(2αt?x?)這里，TsTs?是表面溫度，TiTi?是初始溫度，α=kρcpα=ρcp?k?稱為熱擴(kuò)散系數(shù)。5.3使用拉普拉斯變換解決非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題面對(duì)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，有時(shí)直接求解偏微分方程較為困難。此時(shí)，可以采用拉普拉斯變換方法將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為更容易處理的形式。通過(guò)對(duì)方程兩邊同時(shí)實(shí)施變換，再利用逆變換恢復(fù)到原始變量空間，從而獲得所需解。步驟概述：對(duì)給定的偏微分方程及邊界條件執(zhí)行拉普拉斯變換。解決變換后的代數(shù)方程。利用適當(dāng)?shù)哪孀儞Q技術(shù)恢復(fù)到時(shí)間域內(nèi)。第六章：對(duì)流傳熱基礎(chǔ)6.1對(duì)流換熱機(jī)制對(duì)流傳熱是指由于流體運(yùn)動(dòng)而引起的熱量交換過(guò)程。根據(jù)流動(dòng)起因的不同，可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩大類(lèi)。無(wú)論是哪種類(lèi)型，其基本原理都可以用牛頓冷卻定律來(lái)描述：q′′=h(Ts?T∞)q′′=h(Ts??T∞?)這里，q′′q′′表示單位面積上的熱流密度，hh是對(duì)流換熱系數(shù)，TsTs?是固體表面溫度，T∞T∞?則是遠(yuǎn)離表面處流體的溫度。自然對(duì)流：主要由流體內(nèi)部密度差異引起，如加熱容器底部的液體上升形成循環(huán)。強(qiáng)制對(duì)流：外部力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生流動(dòng)，如風(fēng)扇吹風(fēng)加速空氣流動(dòng)。6.2牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律提供了一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的模型來(lái)估算對(duì)流傳熱速率。雖然它基于實(shí)驗(yàn)觀察而非嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，但在許多工程應(yīng)用中仍非常有用。該定律表明，對(duì)流傳熱量與溫差成正比，比例常數(shù)就是對(duì)流換熱系數(shù)hh。值得注意的是，hh值取決于多種因素，包括流體性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)、幾何形狀等。無(wú)量綱參數(shù)：為了更好地理解和比較不同條件下的對(duì)流傳熱特性，引入了諸如雷諾數(shù)(Re)、普朗特?cái)?shù)(Pr)等無(wú)量綱參數(shù)。這些參數(shù)有助于識(shí)別控制對(duì)流傳熱的關(guān)鍵物理量，并指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。6.3自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流的區(qū)別自然對(duì)流的特點(diǎn)是流速較低，通常發(fā)生在封閉空間內(nèi)，如房間內(nèi)的空氣循環(huán)；而強(qiáng)制對(duì)流則涉及更高的速度范圍，常見(jiàn)于管道系統(tǒng)或其他有外加動(dòng)力源的情況。自然對(duì)流過(guò)程中，流體運(yùn)動(dòng)完全依賴于溫度梯度造成的密度變化；相比之下，強(qiáng)制對(duì)流則由泵送裝置或其他機(jī)械手段驅(qū)動(dòng)。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，可能需要結(jié)合使用這兩種方式以達(dá)到最佳效果，例如在電子設(shè)備散熱方案設(shè)計(jì)中，既利用自然對(duì)流促進(jìn)熱量散失，又通過(guò)風(fēng)扇增強(qiáng)局部區(qū)域的強(qiáng)制對(duì)流。第七章：外部流動(dòng)中的對(duì)流傳熱7.1流體繞過(guò)物體時(shí)的邊界層發(fā)展當(dāng)流體繞過(guò)一個(gè)固定不動(dòng)的物體時(shí)，會(huì)在物體表面附近形成一層薄薄的流體區(qū)域，稱為邊界層。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，流體速度從零（緊貼物體表面）逐漸增加到自由流速度。根據(jù)流態(tài)的不同，邊界層可以分為層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在低雷諾數(shù)條件下形成，特點(diǎn)是流線平滑、無(wú)渦旋。湍流邊界層：隨著雷諾數(shù)增加，邊界層內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)不規(guī)則的小尺度渦旋運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致能量耗散加劇。表7-1不同幾何形狀下典型臨界雷諾數(shù)幾何形狀臨界雷諾數(shù)(Re_c)圓柱約40,000平板約5×10^5球體約3×10^57.2湍流對(duì)傳熱效率的影響與層流相比，湍流狀態(tài)下的傳熱效率通常更高，因?yàn)橥牧髦写嬖诖罅康男〕叨葴u旋，這些渦旋能夠有效地將熱量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。為了定量描述這一現(xiàn)象，引入了努塞爾數(shù)(Nu)，它定義為：Nu=hLkNu=khL?其中hh是對(duì)流換熱系數(shù)，LL是特征長(zhǎng)度，kk是流體的熱導(dǎo)率。努塞爾數(shù)越大，表示對(duì)流傳熱越強(qiáng)。經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛用于估算不同條件下的對(duì)流換熱系數(shù)。例如，對(duì)于圓柱繞流情況，可以使用Dittus-Boelter方程來(lái)預(yù)測(cè)平均努塞爾數(shù)：NuD=0.023?ReD0.8?PrnNuD?=0.023?ReD0.8??Prn其中ReDReD?是基于直徑的雷諾數(shù)，PrPr是普朗特?cái)?shù)，n=0.4n=0.4對(duì)于加熱過(guò)程，n=0.3n=0.3對(duì)于冷卻過(guò)程。7.3自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流的區(qū)別盡管自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流都涉及流體的移動(dòng)，但它們之間存在顯著差異。自然對(duì)流主要由溫度引起的密度變化驅(qū)動(dòng)，而強(qiáng)制對(duì)流則是由外部力如泵或風(fēng)扇等機(jī)械裝置引起的。此外，在自然對(duì)流情況下，由于流速較低，因此其對(duì)流傳熱效果通常不如強(qiáng)制對(duì)流明顯。綜合效應(yīng)：在某些復(fù)雜系統(tǒng)中，兩種對(duì)流方式可能同時(shí)存在并相互作用，需要綜合考慮以優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，在電子設(shè)備散熱器的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)合理布局增強(qiáng)自然對(duì)流的同時(shí)，加入風(fēng)扇以提高局部區(qū)域的強(qiáng)制對(duì)流效率。第八章：內(nèi)部流動(dòng)中的對(duì)流傳熱8.1圓管內(nèi)流體流動(dòng)特征當(dāng)流體在圓形管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)模式和傳熱特性受到多種因素的影響，包括流體性質(zhì)、流量大小以及管道幾何尺寸等。根據(jù)流態(tài)的不同，可以區(qū)分出層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)兩大類(lèi)。層流流動(dòng)：在低雷諾數(shù)條件下發(fā)生，此時(shí)流體粒子沿軸向平行排列，流動(dòng)穩(wěn)定且易于預(yù)測(cè)。湍流流動(dòng)：隨著流速增加，雷諾數(shù)超過(guò)一定閾值后，流體內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)隨機(jī)性很強(qiáng)的渦旋結(jié)構(gòu)，使得流動(dòng)變得不穩(wěn)定。8.2入口效應(yīng)對(duì)于圓管內(nèi)的流動(dòng)，特別是在層流向湍流轉(zhuǎn)變過(guò)程中，入口效應(yīng)是一個(gè)不可忽視的因素。這是指流體進(jìn)入管道初期，由于邊界層尚未完全建立，導(dǎo)致局部區(qū)域的流動(dòng)及傳熱特性與后續(xù)部分有所不同。一般來(lái)說(shuō)，入口段的長(zhǎng)度大約為管道直徑的10倍左右。影響因素：入口效應(yīng)的程度取決于入口處的初始條件，比如流體是否預(yù)熱、是否有擾動(dòng)等。正確處理入口效應(yīng)對(duì)于精確模擬和分析整個(gè)管道系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。8.3增強(qiáng)傳熱技術(shù)為了提高圓管內(nèi)部的傳熱效率，人們開(kāi)發(fā)了多種增強(qiáng)傳熱的技術(shù)手段，包括但不限于：肋片：通過(guò)在管壁上安裝肋片增加傳熱面積，從而加快熱量交換速率。螺旋槽：在管道內(nèi)壁刻劃螺旋形凹槽，促進(jìn)流體旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)混合效果。微通道：利用更細(xì)小的通道結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的傳熱，適用于緊湊型換熱器設(shè)計(jì)。納米流體：向基礎(chǔ)流體中添加納米顆粒，改善其熱物理性質(zhì)，進(jìn)而提升整體傳熱性能。每種方法都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，選擇合適的增強(qiáng)措施需結(jié)合具體需求進(jìn)行綜合考量。第九章：相變傳熱9.1凝固與熔化過(guò)程中的傳熱在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，凝固和熔化是兩種重要的相變過(guò)程，它們伴隨著顯著的能量釋放或吸收。這兩種相變傳熱現(xiàn)象在許多工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如金屬鑄造、冷凍食品加工等。潛熱：在相變過(guò)程中，物質(zhì)吸收或釋放的熱量稱為潛熱。對(duì)于給定的物質(zhì)，其熔化潛熱和凝固潛熱數(shù)值相同，但符號(hào)相反。界面穩(wěn)定性：在凝固過(guò)程中，液-固界面的形態(tài)穩(wěn)定性對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要影響。理想情況下，希望界面保持平坦以避免形成缺陷。9.2沸騰傳熱機(jī)理沸騰是一種非常有效的傳熱方式，它發(fā)生在液體接觸加熱表面時(shí)，隨著溫度上升至沸點(diǎn)，液體內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，并迅速上升脫離表面。沸騰傳熱可分為以下幾個(gè)階段：核態(tài)沸騰：當(dāng)壁面溫度略高于飽和溫度時(shí)，氣泡僅在某些特殊位置形成。過(guò)渡沸騰：隨著溫差增大，氣泡生成速率急劇上升，導(dǎo)致劇烈的沸騰現(xiàn)象。膜態(tài)沸騰：如果溫差進(jìn)一步增加，會(huì)在加熱表面上形成一層蒸汽膜，阻礙直接接觸，反而降低了傳熱效率。9.3冷凝傳熱現(xiàn)象與沸騰相對(duì)應(yīng)的是冷凝過(guò)程，即氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。冷凝傳熱同樣是非常高效的傳熱機(jī)制之一，常見(jiàn)于制冷系統(tǒng)、發(fā)電廠冷凝器等領(lǐng)域。根據(jù)冷凝形式的不同，可將其分為滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種類(lèi)型。滴狀冷凝：在這種情況下，冷凝形成的液滴會(huì)沿著傾斜或垂直表面滑落，帶走大量熱量。雖然這種模式具有較高的傳熱系數(shù)，但由于液滴的不連續(xù)性，很難維持穩(wěn)定。膜狀冷凝：當(dāng)液滴合并成連續(xù)的液膜覆蓋在表面上時(shí)，形成了更為常見(jiàn)的膜狀冷凝。該模式下，液膜厚度隨時(shí)間增長(zhǎng)，傳熱效率逐漸降低。第十章：輻射傳熱10.1黑體輻射理論黑體是一種理想的物體，它可以完全吸收所有入射的電磁輻射而不反射或透射任何部分。因此，在相同的溫度下，黑體是發(fā)射輻射最強(qiáng)的物體。根據(jù)普朗克定律，黑體輻射的能量分布可以表示為：E(λ,T)=2πhc2λ51ehcλkT?1E(λ,T)=λ52πhc2?eλkThc??11?其中，E(λ,T)E(λ,T)是波長(zhǎng)λλ處的單色輻射強(qiáng)度，hh是普朗克常數(shù)，cc是光速，kk是玻爾茲曼常數(shù)，TT是絕對(duì)溫度。斯蒂芬-玻爾茲曼定律：黑體單位面積上總輻射功率與溫度的四次方成正比：Eb=σT4Eb?=σT4其中，σ=5.67×10?8W/(m2?K4)σ=5.67×10?8W/(m2?K4)為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。維恩位移定律：黑體輻射的最大發(fā)射率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度呈反比關(guān)系：λmax=bTλmax?=Tb?這里，b=2.898×10?3m?Kb=2.898×10?3m?K是維恩位移常數(shù)。表10-1黑體輻射特性特性描述吸收率完全吸收（α=1）發(fā)射率在給定溫度下最大發(fā)射率反射率不反射（ρ=0）透射率不透射（τ=0）10.2實(shí)際物體間的輻射交換在現(xiàn)實(shí)世界中，并不存在真正的黑體，但我們可以用發(fā)射率來(lái)描述一個(gè)物體接近黑體的程度。發(fā)射率εε定義為實(shí)際物體的輻射能力與相同溫度下黑體輻射能力之比。對(duì)于灰體（即發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化的物體），其輻射能量可以通過(guò)以下公式計(jì)算：E=εσT4E=εσT4當(dāng)兩個(gè)物體之間發(fā)生輻射換熱時(shí)，不僅需要考慮各自的發(fā)射特性，還要考慮它們之間的幾何關(guān)系。使用角系數(shù)FijFij?來(lái)表示從表面i到表面j的輻射能傳遞比例，滿足以下關(guān)系：Fii+∑j≠iFij=1Fii?+∑j=i?Fij?=110.3輻射網(wǎng)絡(luò)分析法為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的多表面系統(tǒng)中的輻射換熱問(wèn)題，可以采用輻射網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行分析。這種方法將每個(gè)表面視為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)連接線表示它們之間的輻射交換。通過(guò)建立相應(yīng)的電路模型，可以方便地求解各表面的溫度以及整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)電壓法：類(lèi)似于電路中的節(jié)點(diǎn)電壓法，通過(guò)設(shè)定參考點(diǎn)并列出所有節(jié)點(diǎn)的輻射能量守恒方程，最終求得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度。節(jié)點(diǎn)電流法：另一種方法是基于節(jié)點(diǎn)電流的概念，即將流入某節(jié)點(diǎn)的所有輻射流等于流出該節(jié)點(diǎn)的輻射流，從而建立方程組解決問(wèn)題。第十一章：傳質(zhì)基礎(chǔ)11.1擴(kuò)散與質(zhì)量傳遞擴(kuò)散是指物質(zhì)由于濃度梯度而自發(fā)地從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移的過(guò)程。這一過(guò)程遵循菲克第一定律，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的質(zhì)量通量與濃度梯度成正比：J=?DdcdxJ=?Ddxdc?這里，JJ是質(zhì)量通量，DD是擴(kuò)散系數(shù)，dcdxdxdc?是沿x方向的濃度梯度。分子擴(kuò)散：發(fā)生在氣體和液體中的基本擴(kuò)散形式，由分子間的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起。對(duì)流傳質(zhì)：伴隨流體流動(dòng)發(fā)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，通常涉及較大的尺度范圍。11.2質(zhì)量傳遞方程質(zhì)量傳遞方程描述了物質(zhì)在空間和時(shí)間上的分布規(guī)律。對(duì)于一維穩(wěn)態(tài)情況下的質(zhì)量傳遞，其通用形式為：Dd2cdx2=0Ddx2d2c?=0更一般地，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)、多維情況，需要引入時(shí)間和空間變量，得到如下方程：?c?t=D?2c+S?t?c?=D?2c+S其中，SS代表源項(xiàng)，反映了局部生成或消耗的影響。邊界條件：解決質(zhì)量傳遞問(wèn)題時(shí)，同樣需要明確指定邊界上的具體條件，如固定濃度或指定通量等。11.3傳質(zhì)邊界層理論類(lèi)似于