傳熱學緒論2018

1、第一章緒論,2018年傳熱學課件,,,熱的定義,What is the definition for heat,培根從摩擦生熱等現(xiàn)象中得出“熱是一種膨脹的、被約束的而在其斗爭中作用于物體的較小粒子之上的運動”，這種看法影響了許多科學家。波義耳看到鐵釘被捶擊后會生熱，想到鐵釘內部產生了強烈的運動，所以認為熱是“物體各部分發(fā)生強烈而雜亂的運動”；笛卡爾把熱看作是物質粒子的一種旋轉運動。胡克用顯微鏡觀察了火花，認為熱“并不是什么其他的東西，

2、而是一個物體的各個部分的非?；钴S和極其猛烈的運動?！迸ｎD也指出物體的粒子“因運動而發(fā)熱”。洛克甚至還認識到“極度的冷是不可覺察的粒子的運動的停止”。,,,熱的定義,What is the definition for heat,法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的。1789年，拉瓦錫還將“熱質”和“光”列入無機界二十三種“元素”之中。

3、布萊克宣稱他“不能形成這種內部振動的概念”，而采取了熱是某種特殊物質的觀點。,,,熱的定義,What is the definition for heat,于1798年1月25日發(fā)表了題為《論摩擦激起的熱源》的論文，指出：摩擦產生的熱是無窮盡的，與外部絕熱的物體不可能無窮盡地提供熱物質。熱不可能是一種物質，只能認為熱是一種運動。倫福德否定了熱質說，確立了熱的運動學說。 經過許多科學家的努力，到19世紀中期熱質說終于被熱的分子運動論

4、所取代。,,2024/1/21,5,,2024/1/21,6,為什么要學習傳熱學之高大上篇,,,2024/1/21,7,為什么要學習傳熱學之高大上篇,327℃，155bar,,2024/1/21,8,為什么要學習傳熱學之高大上篇,2024/1/21,9,為什么要學習傳熱學之生活篇,冷水煮湯圓,徒手拿蒸雞蛋,,2024/1/21,10,http://jandan.net/2016/06/13/diy-aircon.html,傳熱學教你如何

5、識別信息正確性,,,,2024/1/21,11,取之于生活，用之于生活，又高于生活,,2024/1/21,12,熱的傳遞,,2024/1/21,13,教材是基礎，訓練是手段，思考成就大家！,2024/1/21,14,第一章 緒論1.1 傳熱學研究內容及其工程應用1.2 熱量傳遞的基本方式1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)1.4 傳熱學的研究方法和發(fā)展史,2024/1/21,15,傳熱現(xiàn)象的普遍性——有溫差就有傳熱

6、 （生產、生活、自然界）,1.1 傳熱學研究內容及其工程應用,熱力學第二定律,2024/1/21,16,傳熱現(xiàn)象的普遍性——有溫差就有傳熱 （生產、生活、自然界）,1.1 傳熱學研究內容及其工程應用,熱力學第二定律,與工程熱力學的區(qū)別與聯(lián)系？,2024/1/21,17,傳熱學與工程熱力學的關系,JW,傳熱學與工程熱力學的關系,The science of thermodynamics deal with

7、 the amount of heat transfer as a system undergoes a process from one equilibrium state to another, and makes no reference to how long the process will take. In engineering, we are often interested in the rate of heat t

8、ransfer, which is the topic of the science of heat transfer.,2024/1/21,18,傳熱學應用實例,自然界與生產過程到處存在溫差 ? 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？,(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

9、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？,2024/1/21,20,集成電路芯片,航空航天,（1）高溫葉片氣膜冷卻；（2）火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；（3）衛(wèi)星與空間站熱控制；（4）空間飛行器重返大氣層冷卻；（5）超高音速飛行器冷卻；（6）核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學火箭）；太陽能高空無人飛機,傳熱學應用實例(續(xù)),目前已達到160w/cm2,傳熱學應用實例(續(xù))

10、,生物醫(yī)學：腫瘤高溫熱療； 組織與器官的冷凍保存軍 事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調/熱泵； 高溫水源熱泵新 能 源：太陽能；,2024/1/21,22,傳熱學應用實例(續(xù)),,2024/1/21,23,第一章 緒論1.1 傳熱學研究內容及其工程應用1.2 熱量傳遞的基本方式1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)1.4 傳熱學的研究方法

11、和發(fā)展史,2024/1/21,24,燃氣熱水器中的熱量傳遞過程：1）燃氣通過輻射和對流方式將熱量傳給壁面左側；2）通過導熱傳到壁面右側；3）通過對流傳給水。,1.2 熱量傳遞基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射,2024/1/21,25,1.2 熱量傳遞基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射,,,2024/1/21,26,1.2.1 熱傳導（Conduction）,①熱傳導的定義,②物質的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生,溫度不同的物

12、體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而進行熱量傳遞的現(xiàn)象,只要溫度高于0 K,物體便有熱運動的本領，所以導熱是物質的固有本質。,2024/1/21,27,③導熱的特點必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對位移,2024/1/21,28,④導熱機理氣體：氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞的結果導電固體：自由電子運動非導電固體：晶格

13、結構振動液體：兼有氣體和固體導熱的機理,2024/1/21,29,⑤平壁導熱公式,?：傳熱量（熱流量） [W],q：熱流密度 [W/m2],平壁的厚度[m]；,A：垂直于導熱方向的截面積[m2],導熱系數(shù),1822年，法國數(shù)學家Fourier：,2024/1/21,30,,常溫下部分物質導熱系數(shù)?銀：427 水：0.599 純銅： 398 空氣：0.0259 純鋁：

14、236 水垢：1~3 普通鋼：30~50 保溫材料：<0.14 煙垢 0.1~0.3,2024/1/21,31,例1 有三塊分別由純銅（λ1=398W/(m·K)）、黃銅（λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側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

15、大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，對于純銅板,對于黃銅板,對于碳鋼板,2024/1/21,32,1.2.2 熱對流(convection)與對流換熱,Heated air rises, cools, then falls.  Air near heater is replaced by cooler air, and the cycle repeats.,2024/1/21,33,1.2.2 熱對流(convection)與對流換

16、熱,若流體有宏觀的運動，且內部存在溫差，則由于流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混而產生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為熱對流。若熱對流過程使具有質量流量G的流體由溫度t1處流至溫度t2處，則此過程傳遞的熱流量為：,① 熱對流與對流換熱,生活中的熱對流,2024/1/21,34,當實際流體流過物體表面時，由于粘性作用，緊貼物體表面的流體是靜止的，熱量傳遞只能依導熱的方式進行；離開物體表面，流體有宏觀運動，熱對流方式將發(fā)生作用。所以，對流換熱

17、是熱對流和導熱兩種基本傳熱方式共同作用的結果。,對流換熱過程,2024/1/21,35,②對流換熱的特點對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導熱.不是基本傳熱方式，導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差③對流換熱的分類a)根據(jù)流動原因，分為：強制對流換熱和自然對流換熱。b)是否相變，分為：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱,2024/1/21,36,④ 對流換熱公式—牛頓冷

18、卻公式,h — 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),— 固體壁表面溫度,— 流體溫度,2024/1/21,37,h —— 當流體與壁面溫度相差1度時、每單 位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量h是表征對流換熱過程強弱的物理量影響h的因素：流體的物性（導熱系數(shù)、粘度、密度、比熱容等）、流動的形態(tài)（層流、紊流）、流動的成因（自然對流或強制對流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時有無相變（沸騰或凝結）等。,2024/1/21,38,燒開水時，為什么一旦水燒干了，鋁

19、壺就很容易燒壞？答：水側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠大于火焰?zhèn)鹊谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)，沒燒干時壺底溫度更接近水的溫度，未達到鋁的熔點。,2024/1/21,39,5000～25000,蒸汽凝結,,2500～35000,沸騰,水的相變換熱,1000～15000,水,,500～3500,高壓水蒸氣,強制對流,20～100,氣體,,200～1000,水,,1～10,空氣,自然對流,,,過程,,,,,,,,,,,,,,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍,2024/1/21,

20、40,例：一室內暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw = 50℃，和溫度為20℃的室內空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h = 8 W/(m2·K)。試問該暖氣片相當于多大功率的電暖氣?,解：暖氣片和室內空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，,Q= Ah(tw – tf) = 3m2×8 W/(m2·K)×(50-20)K = 720W = 0.72 kW 即相當于功率為0.72kW的電暖氣。,2

21、024/1/21,41,1.2.3 熱輻射(Thermal radiation) ①定義輻射：物體通過電磁波傳遞能量的方式。熱輻射：由于熱的原因，物體的內能轉變成電磁波的能量而進行的輻射過程。物體的溫度越高、輻射能力越強；若物體的種 類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同.輻射換熱：物體間由于吸收和輻射的綜合作用產生的熱量傳遞現(xiàn)象 Radiation heat transfer,2024/1/21,42,②輻射換熱的特點,不需

22、要傳熱介質，在真空中就可以傳遞能量;在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉換 : 發(fā)射熱力學能 電磁波能 吸收無論溫度高低，物體都在不停地相互輻射能量；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;總的效果是熱量由高溫物體傳到了低溫物體。在熱平衡體系中，雖然輻射傳熱量為零，但輻射與吸收過程并未停止。,,,2024/1/21,43,③斯蒂芬-玻爾茲曼定律(四次方定律),黑體：能全部

23、吸收投射到其表面輻射能的物體。 或稱絕對黑體。（Black body）,黑體的輻射能力與吸收能力最強,黑體向外發(fā)射的輻射能：,— 絕對黑體輻射力— 黑體表面的絕對溫度（熱力學溫度 ）— 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),2024/1/21,44,實際物體的輻射能：,— 實際物體表面的發(fā)射率（黑度）；0~1,與物體的種類、表面狀況和溫度有關,計算表明：幾十攝氏度表面散熱問題中，對流換熱與輻射換熱數(shù)量級相當。,對于兩個相距很近的黑體表面，由于一

24、個表面發(fā)射出來的能量幾乎完全落到另一個表面上，那么它們之間的輻射換熱量為 ：,2024/1/21,45,2024/1/21,46,第一章 緒論1.1 傳熱學研究內容及其工程應用1.2 熱量傳遞的基本方式1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù)1.4 傳熱學的研究方法和發(fā)展史,2024/1/21,47,1.3 傳熱過程與傳熱系數(shù),工程實際中的傳熱過程往往是幾種方式聯(lián)合作用的復合傳熱過程。,2024/1/21,48,傳熱過程：熱量由固體壁

25、面一側的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋攘黧w中去的過程 。傳熱過程中三個串聯(lián)環(huán)節(jié)： 對流換熱 熱流體 壁面高溫側 導熱壁面高溫側 壁面低溫側 對流換熱壁面低溫側

26、 冷流體,,,,2024/1/21,49,,聯(lián)列消去tw1、tw2，整理得：,,傳熱系數(shù)k：表征傳熱過程強烈程度的標尺，數(shù)值上等于冷熱流體溫差1℃時，單位面積上的熱流量W/（m2℃）。,圖1-6 傳熱過程的剖析,增強換熱？,2024/1/21,50,,分析：熱電類比,,2024/1/21,51,例：一房屋的混凝土外墻厚度為?=200mm ，混凝土熱導率為?=1.0W/(m·K) ，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃, 有風天

27、墻外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2·K)，室內空氣溫度為tf1= 25℃,與墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5 W/(m2·K)。求單位面積墻壁的散熱損失及內外墻壁面的溫度。,解：單位面積墻壁的散熱損失為,2024/1/21,52,根據(jù)牛頓冷卻公式，對于內、外墻面與空氣之間的對流換熱：,2024/1/21,53,思考題：,人體為恒溫體。若空調房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20攝氏度，那么人所穿的衣服能否一樣？

28、雙層玻璃為什么能隔熱？空氣層是否越厚越好？用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會顯著地感到熱。試分析其原因。,1)傳熱學研究方法,實驗研究 + 理論分析 + 數(shù)值模擬 過實驗觀察與測試，深刻認識基本現(xiàn)象與規(guī)律、積累第一手實驗數(shù)據(jù)資料在實驗和分析的基礎上，采用宏觀和微細觀相結合的方法，發(fā)展出能夠正確反映物理現(xiàn)象規(guī)律的數(shù)理模型采用數(shù)值模擬手段進行熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究，進一步揭示物理現(xiàn)象本質,20

29、24/1/21,54,1.4 傳熱學的研究方法和發(fā)展簡史,2024/1/21,55,2）研究方向,當前，能源技術、環(huán)境技術、材料科學、微電子技術、空間技術等新興科學技術的發(fā)展，向傳熱學提出了的新的課題和新的挑戰(zhàn)。微尺度傳熱，非連續(xù)介質傳熱，生物傳熱等新的研究熱點，帶動學科本身和一些交叉學的發(fā)展 。,電動機內溫度分布模擬,汽車內環(huán)境模擬,2024/1/21,56,4）基本物理量及單位 長度m；質量kg；時間s；電流A； 熱力學溫度K；

30、物質的量mol；發(fā)光強度cd。,5）幾個換算系數(shù)1 atm=101325 Pa ； 1 kgf = 9.80665 N ；1 kcal=4.1868 kJ ； 1 kcal/h=1.163 W 。,3）發(fā)展簡史傳熱學是在18世紀30年代英國工業(yè)革命促進生產力發(fā)展的大背景下成長起來的。導熱和對流兩種基本熱量傳遞方式早為人們所認識，但輻射作為一種熱量傳遞方式，直到1803年發(fā)現(xiàn)紅外線以后才被確認。,2024