第1章導論
§1-1傳熱傳質(zhì)學的研究對象和方法
傳熱傳質(zhì)學是研究由于有溫度差異所引起的能量傳遞過程？包括有“相變”時的相際傳遞和多組分物系因組分分布不均勻的濃度差異伴隨發(fā)生物質(zhì)遷移現(xiàn)象的一門科學？
差異就是矛盾，當物體內(nèi)部或物系之間出現(xiàn)溫度差異，或者溫度不相同的物體彼此接觸時，就有了相對比較“熱”和“冷”的矛盾雙方，總會發(fā)生熱量從溫度較高區(qū)傳往溫度較低區(qū)的傳遞過程，常稱之為“傳熱”？所傳遞的熱量，無法直接看到，但所產(chǎn)生的效應是可被觀察和測定的？體積不變時的物體得到或傳出熱量，將引起“內(nèi)能”的增減，反映為溫度的升降，或者產(chǎn)生“相”和凝聚態(tài)的變化？自發(fā)的傳熱，永遠使對立的冷？熱雙方各自向自己的反面轉(zhuǎn)化:原先溫度比較高的，因傳走熱量而逐漸被冷卻;原先溫度比較低的，則因得到熱量而逐漸被加熱？這樣，隨著相互之間溫度差異的縮小，最終將建立起溫度一致的“平衡”狀態(tài)？如果想維持某部分的溫度高于另一部分的溫度，就必須從外界不斷向溫度高的那部分補充所傳走的熱量，并從溫度低的那部分取走所傳入的熱量？
傳熱，當然包括熱量傳遞同時，出現(xiàn)能量形式之間轉(zhuǎn)化的更復雜的過程？例如，高速氣流對固體表面的“氣動加熱”效應，電機電器的通電發(fā)熱，電光源在白熾高溫下的輻射熱，化學反應總伴隨著吸熱或者放熱等，所傳遞的熱量就來源于機械能？電能？光能？化學能等其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子隨機“熱運動”形式的熱能？因此，廣義的傳熱學可被看做是“能量傳遞學”？而研究熱和其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)化的科學分支是“熱力學”？這表明:傳熱過程必須遵守熱力學第一定律和熱力學第二定律這兩個自然規(guī)律？熱力學第一定律所闡明的，是運動不滅？能量守恒和可轉(zhuǎn)化的自然法則，任何傳熱過程決不能違背能量收支平衡的原則？熱力學第二定律指出自然界的過程總是有條件進行的，傳熱只能從溫度較高處傳往溫度較低處，引起“熵”增和能量可用性的損失[1，2]？熱力學把傳熱量和功量(包括機械功？電功等)作為“轉(zhuǎn)移能”而與宏觀的位能？動能？內(nèi)能的作為“儲存能”明確區(qū)別開來？轉(zhuǎn)移能是由過程前后儲存能的改變轉(zhuǎn)化來的？但是，經(jīng)典熱力學只限于研究“平衡態(tài)”和保持動平衡的“可逆過程”？而熱量傳遞的過程是溫度不平衡的結(jié)果，是典型的不可逆過程，必須由另一個學科分支對傳熱的快慢程度進行定量分析和計算，這個學科分支就是“傳熱學”？具體地說，如果不發(fā)生能量形式的轉(zhuǎn)化，單純傳熱過程的外傳熱量將是過程前后的內(nèi)能差與功量的代數(shù)和？這種熱力學分析，既不涉及傳熱的機理，也不涉及外傳熱量所需時間的長短？溫差越大，傳熱越快，引起能量可用性的損失越多？專門研究傳熱的規(guī)律，計算給定條件下的傳熱速率和“熱流量”①的大小，是傳熱學的任務？傳熱學和熱力學，是理解各種熱物理現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，也是創(chuàng)新熱利用和熱管理技術(shù)及其經(jīng)濟性分析的重要依據(jù)？
在現(xiàn)代工程設計和運行中，經(jīng)常遇到有關(guān)加熱/冷卻？蒸發(fā)/凝結(jié)？熔化/凝固？隔熱保溫等各種各樣的實際問題？例如，熱工和化工技術(shù)人員在評價鍋爐？制冷機？換熱器和反應器的設備大小？能力和技術(shù)經(jīng)濟指標時，就必須進行詳盡的傳熱分析？一些工作在高溫氣氛下的部件，如燃氣輪機的透平葉片和燃燒室壁，能否在設計工況下長期正常運行，取決于保護金屬結(jié)構(gòu)材料的冷卻措施是否合適可靠，還需重視熱應力和由此引起的形變等問題？許多新興技術(shù)裝備，如原子反應堆的堆芯？大功率火箭的噴管？緊密的電子器件？重返地面的宇宙飛行器等，要使設計和運行安全可靠，必須嚴密控制傳熱情況以維持合理的預期工作溫度？而對連續(xù)工作的電機？變壓器和軸承，同樣要防止因超溫過熱而損傷設備？在機械制造工藝方面，不僅熱加工直接牽涉到溫度分布和隨時間變動速率的控制問題，精密機床的切削速度也會引起刀具和加工件的發(fā)熱并影響加工精度和刀具壽命？建筑部門將遇到圍護結(jié)構(gòu)的隔熱保溫？大型混凝土結(jié)構(gòu)在快速澆灌中出現(xiàn)熱應力等技術(shù)問題？列舉的所有傳熱問題可歸納為兩種類型:一類著眼于傳熱速率的大小及其控制問題，或者增強傳熱以縮小設備尺寸或提高生產(chǎn)能力，或者削弱傳熱以避免散熱損失或保持設備內(nèi)部低于周圍環(huán)境溫度;另一類著眼于溫度分布及其控制問題？控制傳熱，必須按照客觀規(guī)律，分析傳熱的具體情況，找出有效的控制措施？有關(guān)高溫部件保護性冷卻的進展，使傳熱與傳質(zhì)緊密地結(jié)合起來，傳熱學逐漸引申為傳熱傳質(zhì)學？