傳熱學(xué)資料

【專家解說】：">經(jīng)常被稱為熱科學(xué)的工程領(lǐng)域包括熱力學(xué)和傳熱學(xué).傳熱學(xué)的作用是利用可以預(yù)測(cè)能量傳遞速率的一些定律去補(bǔ)充熱力學(xué)分析，因后裔只討論在平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)．這些附加的定律足以3種基本的傳熱方式為基礎(chǔ)的，即導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。 傳熱學(xué)是研究不同溫度的物體，或同一物體的不同部分之間熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。傳熱不僅是常見的自然現(xiàn)象，而且廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域。例如，提高鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，防止燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過熱、減小內(nèi)燃機(jī)氣缸和曲軸的熱應(yīng)力、確定換熱器的傳熱面積和控制熱加工時(shí)零件的變形等，都是典型的傳熱問題。

傳熱學(xué)作為學(xué)科形成于19世紀(jì)。在熱對(duì)流方面，英國科學(xué)家牛頓于1701年在估算燒紅鐵棒的溫度時(shí)，提出了被后人稱為牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，不過它并沒有揭示出對(duì)流換熱的機(jī)理。

對(duì)流換熱的真正發(fā)展是19世紀(jì)末葉以后的事情。1904年德國物理學(xué)家普朗特的邊界層理論和1915年努塞爾的因次分析，為從理論和實(shí)驗(yàn)上正確理解和定量研究對(duì)流換熱奠定了基礎(chǔ)。1929年，施密特指出了傳質(zhì)與傳熱的類同之處。

在熱傳導(dǎo)方面，法國物理學(xué)家畢奧于1804年得出的平壁導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果是導(dǎo)熱定律的最早表述。稍后，法國的傅里葉運(yùn)用數(shù)理方法，更準(zhǔn)確地把它表述為后來稱為傅里葉定律的微分形式。

熱輻射方面的理論比較復(fù)雜。1860年，基爾霍夫通過人造空腔模擬絕對(duì)黑體，論證了在相同溫度下以黑體的輻射率(黑度)為最大，并指出物體的輻射率與同溫度下該物體的吸收率相等，被后人稱為基爾霍夫定律。

1878年，斯忒藩由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輻射率與絕對(duì)溫度四次方成正比的事實(shí)，1884年又為玻耳茲曼在理論上所證明，稱為斯忒藩-玻耳茲曼定律，俗稱四次方定律。1900年，普朗克在研究空腔黑體輻射時(shí)，得出了普朗克熱輻射定律。這個(gè)定律不僅描述了黑體輻射與溫度、頻率的關(guān)系，還論證了維恩提出的黑體能量分布的位移定律。

傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。

熱傳導(dǎo)是指在不涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)移的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位，或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過程，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。

熱對(duì)流是指不同溫度的流體各部分由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對(duì)流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流綜合作用的結(jié)果。決定換熱強(qiáng)度的主要因素是對(duì)流的運(yùn)動(dòng)情況。

熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。它是波長在0.1～100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對(duì)溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環(huán)境對(duì)它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導(dǎo)致的熱量轉(zhuǎn)移稱為輻射換熱。

實(shí)際傳熱過程一般都不是單一的傳熱方式，如火焰對(duì)爐壁的傳熱，就是輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的綜合，而不同的傳熱方式則遵循不同的傳熱規(guī)律。為了分析方便，人們?cè)趥鳠嵫芯恐邪讶N傳熱方式分解開來，然后再加以綜合。

20世紀(jì)以前，傳熱學(xué)是作為物理熱學(xué)的一部分而逐步發(fā)展起來的。20世紀(jì)以后，傳熱學(xué)作為一門獨(dú)立的技術(shù)學(xué)科獲得迅速發(fā)展，越來越多地與熱力學(xué)、流體力學(xué)、燃燒學(xué)、電磁學(xué)和機(jī)械工程學(xué)等一些學(xué)科相互滲透，形成多相傳熱、非牛頓流體傳熱、燃燒傳熱、等離子體傳熱和數(shù)值計(jì)算傳熱等許多重要分支。

現(xiàn)在，機(jī)械工程仍不斷地向傳熱學(xué)提出大量新的課題。如澆鑄和冷凍技術(shù)中的相變導(dǎo)熱，切削加工中的接觸熱阻和噴射冷卻，等離子工藝中帶電粒子的傳熱特性，核工程中有限空間的自然對(duì)流，動(dòng)力和化工機(jī)械中超臨界區(qū)換熱，小溫差換熱，兩相流換熱，復(fù)雜幾何形狀物體的換熱，湍流換熱等。

隨著激光等新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的引入和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為傳熱學(xué)的發(fā)展提供了廣闊前景。