傳熱學(xué)緒論2018

1、第一章緒論,2018年傳熱學(xué)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(yùn)動(dòng)”，這種看法影響了許多科學(xué)家。波義耳看到鐵釘被捶擊后會(huì)生熱，想到鐵釘內(nèi)部產(chǎn)生了強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，所以認(rèn)為熱是“物體各部分發(fā)生強(qiáng)烈而雜亂的運(yùn)動(dòng)”；笛卡爾把熱看作是物質(zhì)粒子的一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。胡克用顯微鏡觀察了火花，認(rèn)為熱“并不是什么其他的東西，

2、而是一個(gè)物體的各個(gè)部分的非常活躍和極其猛烈的運(yùn)動(dòng)?！迸ｎD也指出物體的粒子“因運(yùn)動(dòng)而發(fā)熱”。洛克甚至還認(rèn)識(shí)到“極度的冷是不可覺察的粒子的運(yùn)動(dòng)的停止”。,,,熱的定義,What is the definition for heat,法國科學(xué)家和哲學(xué)家伽桑狄認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)著的原子是構(gòu)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(zhì)”和“光”列入無機(jī)界二十三種“元素”之中。

3、布萊克宣稱他“不能形成這種內(nèi)部振動(dòng)的概念”，而采取了熱是某種特殊物質(zhì)的觀點(diǎn)。,,,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(chǎn)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(zhì)。熱不可能是一種物質(zhì)，只能認(rèn)為熱是一種運(yùn)動(dòng)。倫福德否定了熱質(zhì)說，確立了熱的運(yùn)動(dòng)學(xué)說。 經(jīng)過許多科學(xué)家的努力，到19世紀(jì)中期熱質(zhì)說終于被熱的分子運(yùn)動(dòng)論

4、所取代。,,2024/1/21,5,,2024/1/21,6,為什么要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)之高大上篇,,,2024/1/21,7,為什么要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)之高大上篇,327℃，155bar,,2024/1/21,8,為什么要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)之高大上篇,2024/1/21,9,為什么要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)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(xué)教你如何

5、識(shí)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(chǔ)，訓(xùn)練是手段，思考成就大家！,2024/1/21,14,第一章 緒論1.1 傳熱學(xué)研究內(nèi)容及其工程應(yīng)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(xué)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(chǎn)、生活、自然界）,1.1 傳熱學(xué)研究內(nèi)容及其工程應(yīng)用,熱力學(xué)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(chǎn)、生活、自然界）,1.1 傳熱學(xué)研究內(nèi)容及其工程應(yīng)用,熱力學(xué)第二定律,與工程熱力學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系？,2024/1/21,17,傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系,JW,傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)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(xué)應(yīng)用實(shí)例,自然界與生產(chǎn)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(xué)火箭）；太陽能高空無人飛機(jī),傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例(續(xù)),目前已達(dá)到160w/cm2,傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例(續(xù))

10、,生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑煟?組織與器官的冷凍保存軍 事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵； 高溫水源熱泵新 能 源：太陽能；,2024/1/21,22,傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例(續(xù)),,2024/1/21,23,第一章 緒論1.1 傳熱學(xué)研究內(nèi)容及其工程應(yīng)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(xué)的研究方法

11、和發(fā)展史,2024/1/21,24,燃?xì)鉄崴髦械臒崃總鬟f過程：1）燃?xì)馔ㄟ^輻射和對(duì)流方式將熱量傳給壁面左側(cè)；2）通過導(dǎo)熱傳到壁面右側(cè)；3）通過對(duì)流傳給水。,1.2 熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,2024/1/21,25,1.2 熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,,,2024/1/21,26,1.2.1 熱傳導(dǎo)（Conduction）,①熱傳導(dǎo)的定義,②物質(zhì)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(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱量傳遞的現(xiàn)象,只要溫度高于0 K,物體便有熱運(yùn)動(dòng)的本領(lǐng)，所以導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有本質(zhì)。,2024/1/21,27,③導(dǎo)熱的特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移,2024/1/21,28,④導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電固體：晶格

13、結(jié)構(gòu)振動(dòng)液體：兼有氣體和固體導(dǎo)熱的機(jī)理,2024/1/21,29,⑤平壁導(dǎo)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(dǎo)熱方向的截面積[m2],導(dǎo)熱系數(shù),1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier：,2024/1/21,30,,常溫下部分物質(zhì)導(dǎo)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(cè)表面的溫差都維持為tw1 – tw2 = 50℃不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。,解：這是通過

15、大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，對(duì)于純銅板,對(duì)于黃銅板,對(duì)于碳鋼板,2024/1/21,32,1.2.2 熱對(duì)流(convection)與對(duì)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(duì)流(convection)與對(duì)流換

16、熱,若流體有宏觀的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)部存在溫差，則由于流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為熱對(duì)流。若熱對(duì)流過程使具有質(zhì)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(duì)流與對(duì)流換熱,生活中的熱對(duì)流,2024/1/21,34,當(dāng)實(shí)際流體流過物體表面時(shí)，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(dǎo)熱的方式進(jìn)行；離開物體表面，流體有宏觀運(yùn)動(dòng)，熱對(duì)流方式將發(fā)生作用。所以，對(duì)流換熱

17、是熱對(duì)流和導(dǎo)熱兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。,對(duì)流換熱過程,2024/1/21,35,②對(duì)流換熱的特點(diǎn)對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱.不是基本傳熱方式，導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差③對(duì)流換熱的分類a)根據(jù)流動(dòng)原因，分為：強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。b)是否相變，分為：有相變的對(duì)流換熱和無相變的對(duì)流換熱,2024/1/21,36,④ 對(duì)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(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單 位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量h是表征對(duì)流換熱過程強(qiáng)弱的物理量影響h的因素：流體的物性（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、密度、比熱容等）、流動(dòng)的形態(tài)（層流、紊流）、流動(dòng)的成因（自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流）、物體表面的形狀、尺寸，換熱時(shí)有無相變（沸騰或凝結(jié)）等。,2024/1/21,38,燒開水時(shí)，為什么一旦水燒干了，鋁

19、壺就很容易燒壞？答：水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于火焰?zhèn)鹊谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)，沒燒干時(shí)壺底溫度更接近水的溫度，未達(dá)到鋁的熔點(diǎn)。,2024/1/21,39,5000～25000,蒸汽凝結(jié),,2500～35000,沸騰,水的相變換熱,1000～15000,水,,500～3500,高壓水蒸氣,強(qiáng)制對(duì)流,20～100,氣體,,200～1000,水,,1～10,空氣,自然對(duì)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(nèi)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(nèi)空氣之間自然對(duì)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(dāng)于多大功率的電暖氣?,解：暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對(duì)流換熱，,Q= Ah(tw – tf) = 3m2×8 W/(m2·K)×(50-20)K = 720W = 0.72 kW 即相當(dāng)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(nèi)能轉(zhuǎn)變成電磁波的能量而進(jìn)行的輻射過程。物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；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(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象 Radiation heat transfer,2024/1/21,42,②輻射換熱的特點(diǎn),不需

22、要傳熱介質(zhì)，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(zhuǎn)換 : 發(fā)射熱力學(xué)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(duì)黑體。（Black body）,黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng),黑體向外發(fā)射的輻射能：,— 絕對(duì)黑體輻射力— 黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度 ）— 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),2024/1/21,44,實(shí)際物體的輻射能：,— 實(shí)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(guān),計(jì)算表明：幾十?dāng)z氏度表面散熱問題中，對(duì)流換熱與輻射換熱數(shù)量級(jí)相當(dāng)。,對(duì)于兩個(gè)相距很近的黑體表面，由于一

24、個(gè)表面發(fā)射出來的能量幾乎完全落到另一個(gè)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(xué)研究內(nèi)容及其工程應(yīng)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(xué)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(shí)際中的傳熱過程往往是幾種方式聯(lián)合作用的復(fù)合傳熱過程。,2024/1/21,48,傳熱過程：熱量由固體壁

25、面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程 。傳熱過程中三個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)： 對(duì)流換熱 熱流體 壁面高溫側(cè) 導(dǎo)熱壁面高溫側(cè) 壁面低溫側(cè) 對(duì)流換熱壁面低溫側(cè)

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(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，數(shù)值上等于冷熱流體溫差1℃時(shí)，單位面積上的熱流量W/（m2℃）。,圖1-6 傳熱過程的剖析,增強(qiáng)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(dǎo)率為?=1.0W/(m·K) ，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃, 有風(fēng)天

27、墻外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2·K)，室內(nèi)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(nèi)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(duì)于內(nèi)、外墻面與空氣之間的對(duì)流換熱：,2024/1/21,53,思考題：,人體為恒溫體。若空調(diào)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(huì)顯著地感到熱。試分析其原因。,1)傳熱學(xué)研究方法,實(shí)驗(yàn)研究 + 理論分析 + 數(shù)值模擬 過實(shí)驗(yàn)觀察與測試，深刻認(rèn)識(shí)基本現(xiàn)象與規(guī)律、積累第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料在實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，采用宏觀和微細(xì)觀相結(jié)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(jìn)行熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步揭示物理現(xiàn)象本質(zhì),20

29、24/1/21,54,1.4 傳熱學(xué)的研究方法和發(fā)展簡史,2024/1/21,55,2）研究方向,當(dāng)前，能源技術(shù)、環(huán)境技術(shù)、材料科學(xué)、微電子技術(shù)、空間技術(shù)等新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，向傳熱學(xué)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(zhì)傳熱，生物傳熱等新的研究熱點(diǎn)，帶動(dòng)學(xué)科本身和一些交叉學(xué)的發(fā)展 。,電動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度分布模擬,汽車內(nèi)環(huán)境模擬,2024/1/21,56,4）基本物理量及單位 長度m；質(zhì)量kg；時(shí)間s；電流A； 熱力學(xué)溫度K；

30、物質(zhì)的量mol；發(fā)光強(qiáng)度cd。,5）幾個(gè)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(xué)是在18世紀(jì)30年代英國工業(yè)革命促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展的大背景下成長起來的。導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本熱量傳遞方式早為人們所認(rèn)識(shí)，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(rèn)。,2024