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传热学：第一章绪论

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第一章绪论

1-1传热学概述

按照热力学的定义，热是一种传递中的能量。传递中的能量不外乎是处于无序状态的热和有序状态的功。实际的传递过程常常发生在能量系统处于不平衡的状态之下，而系统的状态是可以用其状态参数来确定的。热力学的基本状态参数是压力p、温度T和比容υ。对于一个不可压缩的热力学系统，温度的高低就反映了系统能量状态的高低和单位质量系统内热能（或称热力学能，简称内能）或焓的多少。热力学第二定律告诉我们，能量总是自发地从高能级状态向低能级状态传递和迁移。因此，热的传递和迁移就会发生在热系统的高内能（焓）区域和低内能（焓）区域之间，也就是高温区域和低温区域之间。对于自然界的物体和系统，当将其视为一个热力学系统时，他们常常是处于不平衡的能量状态之下，各部位存在着温度差和压力差，因而热和功的传递是一种非常普遍的自然现象。例如，一个物体的加热过程可以视为一个热力学过程，热力学可以根据能量守恒的原则，研究这一系统最终达到的平衡温度，以及初始状态和最终状态之间的能量变化，而传热学则是基于物质传递热量的机理，研究该物体在达到平衡以前的任何时刻、任意位置的温度变化，以及传热过程中热量随时间的变化关系。

从以上的分析可知，传热学是研究热量传递规律的科学。它分析各种具体的传热过程是如何进行的，探求工程及自然现象中热量传递过程的物理本质，发现各种热现象的传输机理，建立能量输运过程的数学模型，分析计算传热系统的温度和热流水平，揭示热量传递的具体规律。在一些较为复杂的场合，则通过计算机模拟或直接采用实验方法，研究热量传递的规律。

由于热现象的普遍性，致使传热学成为工程类专业学生的一门重要的专业基础课程。一般而言,诸如：热能工程中热力设备的设计与运行；冶金工程中金属的熔化和凝固传热及加热炉、熔化炉的热力设计；汽车与船用热力发动机的工作过程和设计；机械加工中的热变形与热应力的控制和预测；激光成型过程中的传热问题；机械电子器件中的热设计；材料加工与处理过程中所用各类热力设备的设计；陶瓷、玻璃类无机材料制造过程中的燃烧、干燥和冷却问题；环境工程中的传热传质及流体流动问题；航空和航天技术中的传热与流动问题等，都必须用传热学的理论去分析，用传热学的计算方法去处理。因此，学习传热学，掌握热量传递过程的基本理论和研究方法，提高分析和处理传热问题的能力必然是工程类学生的十分重要的任务之一。

传热学要分析和处理的具体问题很多，但归纳起来有两个大类型。一类是确定在任意时刻物体系统内的温度分布，从而了解系统的特性以便于进行温度和热流的调整与控制及其进行其它的计算，如物体热应力、热变形计算。另一类是计算和控制传热速率（即热流量，也就是单位时间通过传热面积的热量），例如，为了使热交换器紧凑、高效，必须增强传热；为了减少热设备散热，节约能源，必须削弱传热。因此，在给定条件下计算温度分布和传热速率，是传热学研究的主要任务。

1-2热量传递的基本方式

研究表明，自然界存在三种基本的热量传递方式，它们是热传导、热对流和热辐射。下面我们将分别对这三种基本的热量传递方式进行简要的分析和讨论。

传热学：第一章绪论

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1热传导

当物体内部存在温度差(也就是物体内部能量分布不均匀)时，在物体内部没有宏观位

t1Q移的情况下，热量会从物体的高温部分传到低温部分；此外，不同温度的物体互相接触时，热量也会在相互没有物质转移的情况下，从高温物体传递到低温物体。这样一种热量传递的方式被称为热传导或简称为导热（从实际的热传导特性分析应称为热扩散）。

t1

Q

t2

Ax0因此，热传导可以归纳为是借助于物质微观粒子的无序热运动而实现的热量传递过程。

A

x

0

在热传导问题的研究中，毕欧（Boit）在对平板导热实验研究的基础上得出如下结论：

图1-1通过无限大平板的导热通过垂直于平板方向上的热流量正比于平板两侧的

图1-1通过无限大平板的导热

,1-1

式中，Q为单位时间沿x方向传导的热量，称为热流量，单位为W；A为垂直于x方向的导热面积，单位为m2；t1?t2为大平板两表面之间的温差，单位为℃（或K）；λ为相应的比例系数，称为平板材料的导热系数（或热传导率），它是表示物体导热能力大小的物性量，单位是W/(m.oC)。上式亦可表示为如下形式，

,