《傳熱學(xué)（第二版）/“十二五”江蘇省高等學(xué)校重點教材》：
　　第1章 緒論
　　傳熱學(xué)是研究由溫度差引起的熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)（Heat transfer is the science that deals with the determination of the energy transfer rate as a result of a temperature difference）。
　　能量以不同的形式存在于自然界中�；�于熱力學(xué)的定義，熱（heat）是一種傳遞中的能量。傳遞中的能量不外乎是處于無序狀態(tài)的熱和有序狀態(tài)的功，它們的傳遞過程常常發(fā)生在能量系統(tǒng)處于不平衡的狀態(tài)下，而系統(tǒng)的狀態(tài)是可以用其狀態(tài)參數(shù)來確定的。對于一個不可壓縮的熱力學(xué)系統(tǒng)而言，溫度的高低就反映了系統(tǒng)能量狀態(tài)的高低和單位質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)熱能（或稱熱力學(xué)能，簡稱內(nèi)能）的多少。熱力學(xué)第二定律告訴我們，能量總是自發(fā)地從高能級狀態(tài)向低能級狀態(tài)傳遞和遷移。因此，熱的傳遞和遷移就會發(fā)生在熱力學(xué)系統(tǒng)的高內(nèi)能區(qū)域和低內(nèi)能區(qū)域之間，也就是高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間。對于自然界的物體和系統(tǒng)，將其視為熱力學(xué)系統(tǒng)時，它們往往是處于能量不平衡的狀態(tài)之下，各部位存在著壓力差和溫度差，因而功和熱的傳遞是一種非常普遍的自然現(xiàn)象。
　　傳熱學(xué)的應(yīng)用十分廣泛。幾乎所有的工程領(lǐng)域都會遇到一些在特定條件下的傳熱（heat transfer）問題，甚至有伴隨相變（phase change）和傳質(zhì)（mass transfer）過程的復(fù)雜傳熱問題。例如，在評價鍋爐、制冷機、換熱器和反應(yīng)器等各類動力裝置的設(shè)備大小、能力和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)時，就必須進(jìn)行詳細(xì)的傳熱分析；一些工作在高溫環(huán)境中的部件，如燃?xì)廨啓C的透平葉片和燃燒室能否在設(shè)計工況下正常、長期地運行，將取決于保護(hù)金屬材料的冷卻措施是否可靠合適，同時還必須重視熱應(yīng)力和由此引起的形變等問題；許多新興技術(shù)裝備，如原子反應(yīng)堆的堆芯、大功率火箭的噴管、集成的電子器件和要求重返地面的航天飛行器等，成功的設(shè)計都必須嚴(yán)密控制傳熱情況，維持合理的預(yù)期工作溫度；在機械制造工藝方面，不僅熱加工過程牽涉溫度分布及其隨時間變化速率的控制問題，精密機床的切削速度也會引起刀具和工件的發(fā)熱，影響加工精度和刀具壽命；在電子技術(shù)領(lǐng)域，隨著大規(guī)模集成電路的集成密度不斷提高，電子器件每平方厘米的功率已由20世紀(jì)70年代的10W左右提高到21世紀(jì)初的百瓦量級以上，電子器件的冷卻問題已成為影響其壽命和可靠性以及向更高程度集成的關(guān)鍵技術(shù)之一；在航空動力領(lǐng)域，提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁窃黾雍娇瞻l(fā)動機推重比、減少燃油消耗的重要措施，隨之帶來的發(fā)動機熱端部件強化冷卻以及發(fā)動機排氣系統(tǒng)紅外輻射抑制等關(guān)鍵技術(shù)需要不斷突破；當(dāng)飛行器穿過含過冷水滴的云層或者在有凍霧的氣象條件下飛行時，機翼和發(fā)動機進(jìn)氣道前部容易形成結(jié)冰，必須采取有效的防冰/除冰技術(shù)來保障飛行的安全性。所有這些列舉的傳熱問題，歸納起來有兩種類型：一類是著眼于傳熱速率及其控制問題，或者增強傳熱、縮小設(shè)備尺寸或提高生產(chǎn)能力，或者削弱傳熱、避免散熱損失或保持設(shè)備正常運行的溫度控制；另一類則著眼于溫度分布及其控制問題。要解決這些問題，都需要以傳熱學(xué)理論為支撐。
　　近些年來，能源技術(shù)、環(huán)境技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)和空間技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步給傳熱學(xué)學(xué)科提出了許多新的研究課題：涉及太陽能、地?zé)崮艿刃履茉撮_發(fā)利用中的產(chǎn)熱、蓄熱和放熱等問題；涉及空間技術(shù)中的微重力場下的傳熱問題；涉及材料技術(shù)中的微尺度傳熱問題。這些現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同時也推動了傳熱學(xué)學(xué)科的不斷發(fā)展，促進(jìn)傳熱學(xué)的理論體系日趨完善，內(nèi)容不斷充實，研究手段也更加完備�？梢哉f傳熱學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)中充滿活力的主要基礎(chǔ)學(xué)科之一。
　　傳熱學(xué)也是一門涉及能量利用的科學(xué)。與熱力學(xué)的差異和相關(guān)性體現(xiàn)在，熱力學(xué)討論的是系統(tǒng)的平衡過程，即系統(tǒng)內(nèi)熱能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，關(guān)注的是當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷從一個平衡狀態(tài)到達(dá)另一個平衡狀態(tài)的過程時熱量傳遞的“量（amount）”；傳熱學(xué)則主要分析系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間發(fā)生的熱量傳遞“速率（rate）”，即熱能傳遞的不平衡過程。在以熱能作為研究對象時，系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間的傳熱過程總是受熱力學(xué)的基本定律所支配：熱力學(xué)第一定律要求在傳熱過程中能量必須守恒，也就是說，一系統(tǒng)失去的熱量必等于另一系統(tǒng)（或環(huán)境）得到的熱量；熱力學(xué)第二定律要求熱量自發(fā)地從高溫部分傳給低溫部分，顯示了熱量傳遞的方向性。在傳熱學(xué)文獻(xiàn)中經(jīng)常使用“能量平衡”或“熱平衡”（energy or heat balance）這一術(shù)語作為熱力學(xué)第一定律的簡單稱謂。
　　利用工程熱力學(xué)的方法可以從理論上分析熱力系統(tǒng)的狀態(tài)、能量傳遞和遷移的多少以及系統(tǒng)的發(fā)展方向與性能的優(yōu)劣。但是，能量以何種方式傳遞和遷移？傳遞和遷移的速率以及能量狀態(tài)隨時間和空間的分布如何？熱力學(xué)都沒有給予回答。處理和解決諸如此類的問題就是傳熱學(xué)的根本任務(wù)所在。例如，對于一個物體的加熱過程，我們可以將其視為一個熱力學(xué)過程，因此，熱力學(xué)可以根據(jù)能量守恒的原則（conservation of energy principle），研究這一系統(tǒng)最終達(dá)到的平衡溫度，以及初態(tài)與終態(tài)之間的系統(tǒng)內(nèi)能變化；而傳熱學(xué)則是基于熱傳遞現(xiàn)象的機理，研究該物體在達(dá)到平衡以前的任何時刻、任意位置的溫度變化，以及加熱過程中熱量隨時間的變化關(guān)系。
　　以熱形式傳遞的能量難以直接測量，但它總是與可測量的物理量“溫度（temperature）”有關(guān)系。因此，在傳熱研究中，知悉系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布，具有十分重要的意義。一旦知道了溫度分布，就可以根據(jù)有關(guān)定律求出熱量的傳遞速率。
　　表征熱量傳遞速率的物理參數(shù)：
　　（1） 熱流量（heat transfer rate）Φ。單位時間內(nèi)通過某一給定面積傳遞的熱量，單位為瓦（W）。
　　（2） 熱流密度（heat flux）q。單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，單位為瓦/米2（W/m2）。
　　熱量傳遞按其不同機理可歸納為三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。在大多數(shù)實際傳熱過程中，系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布，常常是兩種或三種傳熱基本方式綜合作用的結(jié)果。要想從這種綜合作用中，單獨考察某一種傳熱方式作用的效果，往往是十分困難的。但是，為了分析上的方便，常常在某些場合，忽略次要的傳熱方式，只考慮某一種主要的傳熱方式。本章首先簡單介紹傳熱的三種基本方式，然后討論綜合的傳熱過程。
　　1.1傳熱的三種基本方式
　　熱量傳遞按其不同機理可歸納為三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。
　　1.1.1熱傳導(dǎo)（Thermal conduction）
　　熱傳導(dǎo)也稱導(dǎo)熱。導(dǎo)熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。具體而言：氣體中，導(dǎo)熱是由于氣體分子熱運動時相互碰撞的結(jié)果；在非導(dǎo)電固體中，導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)中原子、分子在其平衡位置附近的振動所形成的彈性波作用的結(jié)果；在導(dǎo)電固體中，導(dǎo)熱是大量自由電子在晶格間運動的結(jié)果；至于液體中的導(dǎo)熱機理，有一種觀點認(rèn)為定性上類似于氣體，也有觀點認(rèn)為類似于非導(dǎo)電固體。對于液體和氣體來說，由于流體內(nèi)部溫度差異往往造成流體的自由浮升運動，故導(dǎo)熱常常伴隨有對流現(xiàn)象。一般說來，固體和靜止流體中熱量傳遞依靠導(dǎo)熱，但在嚴(yán)格意義上，純粹的導(dǎo)熱只能在不透過熱射線、熱膨脹系數(shù)極小的密實固體內(nèi)進(jìn)行。
　　導(dǎo)熱的基本定律建立在實驗獲得的導(dǎo)熱量與溫度變化率的本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)之上，由法國物理學(xué)家傅里葉（Fourier）于1822年通過對實踐經(jīng)驗的提煉、運用數(shù)學(xué)方法演繹得出，也稱傅里葉定律（Fourier�餾 law of heat conduction）�？疾靾D1��1所示的兩個表面均維持均勻溫度的平板一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，傅里葉定律的一維表達(dá)式可以表述為Φ=－λAdTdx（1��1）圖1��1通過平壁的導(dǎo)熱式中，Φ為導(dǎo)熱熱流量（W），單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量；A為與熱流方向垂直的面積（m2）；dT/dx表示該截面上沿?zé)崃鞣较虻臏囟仍隽浚�簡稱為溫度梯度（temperature gradient）（K/m） ；λ是比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)率（thermal conductivity）［（W/（m?K）］，它是物體的熱物性參數(shù)。其值的大小反映了物體導(dǎo)熱能力的強弱；公式右邊的“-”號表征熱流方向與溫度梯度方向相反。
　　若將式（1-1）改寫為Φ=λATw1－Tw2δ=Tw1－Tw2δλA 并與電學(xué)中的歐姆定律相比較，不難看出，δ/（λA）具有類似于電阻的作用。因此δ/（λA）稱為導(dǎo)熱熱阻（thermal resistance for conductive heat transfer），記作Rλ。
　　物體的導(dǎo)熱可以依據(jù)內(nèi)部溫度隨時間和空間坐標(biāo)的變化情況，分為穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)和一維、多維等導(dǎo)熱類型。更具普遍意義的傅里葉定律矢量表達(dá)式將在第2章敘述。
　　例題1-1為了測量某材料的導(dǎo)熱系數(shù)，用該材料制成一塊厚5mm的平板試件，平板的長和寬遠(yuǎn)大于厚度，在平板的一側(cè)采用電熱膜加熱，并保證所有的加熱熱量均通過該側(cè)傳至平板的另一側(cè)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，測得平板兩側(cè)表面的溫度差為40℃，單位面積的熱流量為9500 W/m2，試確定該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
　　解 根據(jù)式（1-1），有q=ΦA(chǔ)=－λdTdx=－λTw2－Tw1x2－x1=λTw1－Tw2x2－x1
　　9500=40λ5×10－3
　　λ=1.187W/（m?K）討論： 利用平板測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)，要保證所有的加熱熱量均通過該側(cè)傳至平板的另一側(cè)，需要在平板的邊緣和加熱膜的另一側(cè)采取絕熱措施。1.1.2熱對流（Thermal convection）
　　熱對流是指由于流體的宏觀運動，流體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程，熱對流僅發(fā)生在流體中。由于流體微團(tuán)的宏觀運動不是孤立的，與周圍流體微團(tuán)也存在相互碰撞和相互作用，因此對流過程必然伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。流體既充當(dāng)載熱體，又充當(dāng)導(dǎo)熱體。
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