《傳熱學(xué)（第二版）/“十二五”江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)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(wú)序狀態(tài)的熱和有序狀態(tài)的功，它們的傳遞過(guò)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(lái)確定的。對(duì)于一個(gè)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(jiǎn)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(jí)狀態(tài)向低能級(jí)狀態(tài)傳遞和遷移。因此，熱的傳遞和遷移就會(huì)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(duì)于自然界的物體和系統(tǒng)，將其視為熱力學(xué)系統(tǒng)時(shí)，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(huì)遇到一些在特定條件下的傳熱（heat transfer）問(wèn)題，甚至有伴隨相變（phase change）和傳質(zhì)（mass transfer）過(guò)程的復(fù)雜傳熱問(wèn)題。例如，在評(píng)價(jià)鍋爐、制冷機(jī)、換熱器和反應(yīng)器等各類動(dòng)力裝置的設(shè)備大小、能力和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，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(jī)的透平葉片和燃燒室能否在設(shè)計(jì)工況下正常、長(zhǎng)期地運(yùn)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(shí)還必須重視熱應(yīng)力和由此引起的形變等問(wèn)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(jì)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(jī)械制造工藝方面，不僅熱加工過(guò)程牽涉溫度分布及其隨時(shí)間變化速率的控制問(wèn)題，精密機(jī)床的切削速度也會(huì)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(jí)以上，電子器件的冷卻問(wèn)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(dòng)力領(lǐng)域，提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁窃黾雍娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)推重比、減少燃油消耗的重要措施，隨之帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件強(qiáng)化冷卻以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)含過(guò)冷水滴的云層或者在有凍霧的氣象條件下飛行時(shí)，機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)保障飛行的安全性。所有這些列舉的傳熱問(wèn)題，歸納起來(lái)有兩種類型：一類是著眼于傳熱速率及其控制問(wèn)題，或者增強(qiáng)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(yùn)行的溫度控制；另一類則著眼于溫度分布及其控制問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題，都需要以傳熱學(xué)理論為支撐。
　　近些年來(lái)，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(yáng)能、地?zé)崮艿刃履茉撮_(kāi)發(fā)利用中的產(chǎn)熱、蓄熱和放熱等問(wèn)題；涉及空間技術(shù)中的微重力場(chǎng)下的傳熱問(wèn)題；涉及材料技術(shù)中的微尺度傳熱問(wèn)題。這些現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也推動(dòng)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(shí)，研究手段也更加完備�？梢哉f(shuō)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(guò)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(gè)平衡狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程時(shí)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(guò)程。在以熱能作為研究對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間的傳熱過(guò)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(guò)程中能量必須守恒，也就是說(shuō)，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(yǔ)作為熱力學(xué)第一定律的簡(jiǎn)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(shí)間和空間的分布如何？熱力學(xué)都沒(méi)有給予回答。處理和解決諸如此類的問(wèn)題就是傳熱學(xué)的根本任務(wù)所在。例如，對(duì)于一個(gè)物體的加熱過(guò)程，我們可以將其視為一個(gè)熱力學(xué)過(guò)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(jī)理，研究該物體在達(dá)到平衡以前的任何時(shí)刻、任意位置的溫度變化，以及加熱過(guò)程中熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系。
　　以熱形式傳遞的能量難以直接測(cè)量，但它總是與可測(cè)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(shí)間內(nèi)通過(guò)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(shí)間內(nèi)通過(guò)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(jī)理可歸納為三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。在大多數(shù)實(shí)際傳熱過(guò)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(dú)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(chǎng)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(jiǎn)單介紹傳熱的三種基本方式，然后討論綜合的傳熱過(guò)程。
　　1.1傳熱的三種基本方式
　　熱量傳遞按其不同機(jī)理可歸納為三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果；在非導(dǎo)電固體中，導(dǎo)熱是通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)中原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)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(yùn)動(dòng)的結(jié)果；至于液體中的導(dǎo)熱機(jī)理，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為定性上類似于氣體，也有觀點(diǎn)認(rèn)為類似于非導(dǎo)電固體。對(duì)于液體和氣體來(lái)說(shuō)，由于流體內(nèi)部溫度差異往往造成流體的自由浮升運(yùn)動(dòng)，故導(dǎo)熱常常伴隨有對(duì)流現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)，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(guò)熱射線、熱膨脹系數(shù)極小的密實(shí)固體內(nèi)進(jìn)行。
　　導(dǎo)熱的基本定律建立在實(shí)驗(yàn)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(guó)物理學(xué)家傅里葉（Fourier）于1822年通過(guò)對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的提煉、運(yùn)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(gè)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(guò)平壁的導(dǎo)熱式中，Φ為導(dǎo)熱熱流量（W），單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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�，�?jiǎn)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(qiáng)弱；公式右邊的“-”號(hào)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(shí)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(cè)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(zhǎng)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(guò)該側(cè)傳至平板的另一側(cè)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，測(cè)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(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)，要保證所有的加熱熱量均通過(guò)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(duì)流（Thermal convection）
　　熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程，熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。由于流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)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(duì)流過(guò)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。
　　……