生活中的传热学11
传热学知识
传热学知识嘿，你有没有想过，为什么冬天我们要穿上厚厚的棉衣，夏天又渴望躲在阴凉里呢？这可都和传热学知识有着千丝万缕的联系呢！今天呀，我就来给你好好唠唠传热学这档子事儿。
我记得小时候，家里有个暖水瓶。
那时候就特别好奇，为啥这个瓶子能让热水在里面长时间保持热度呢？后来才知道，这就涉及到传热学里的热传导和热辐射的知识啦。
暖水瓶有两层玻璃，中间抽成了真空。
你想啊，热传导需要介质，这真空里啥都没有，就像一道坚固的防线，把热量死死地困在里面。
就好比一群小蚂蚁想从这边走到那边，结果中间突然出现了一条巨大的沟壑，根本过不去呀！而那光亮的内胆涂层呢，又能减少热辐射。
这热辐射啊，就像那些无形的小使者，总是想把热量悄悄地散发出去。
不过暖水瓶内胆的涂层就像是给这些小使者设了个障碍，让它们难以得逞。
有一次，我和朋友出去野营。
我们在野外生火做饭，那时候我就发现了很多传热学的有趣现象。
我们用铁锅在火上煮饭，火苗舔着锅底，热量就迅速地从火焰传递到了锅里。
这就是热传导在发挥作用啦。
锅里的水开始变热，慢慢地沸腾起来。
我那朋友就问我：“你说这火这么热，为啥锅铲的木柄不烫呢？”我就得意洋洋地给他解释起来。
这木柄啊，是热的不良导体，就像一个反应特别迟钝的小懒虫。
热量传递到锅铲的金属部分时，就像遇到了一堵墙，很难再往木柄那边跑了。
这就跟让一个跑步健将在泥巴地里跑步一样，速度一下子就降下来了。
在日常生活中，传热学知识无处不在。
就拿我们住的房子来说吧。
冬天的时候，如果房子的保温不好，那可就像住在冰窖里一样难受。
热量会通过墙壁、窗户等地方偷偷地溜走。
这时候就需要用到一些保温材料啦，像岩棉、聚苯乙烯泡沫板之类的。
这些材料就像是一群忠诚的卫士，紧紧地把热量守在屋子里。
要是没有它们，那我们取暖的费用可就要像火箭一样飙升啦，多不划算啊！再说说夏天，我们都喜欢吹空调。
空调是怎么让房间变凉快的呢？其实就是通过制冷系统，把室内的热量搬运到室外去。
这就像有一个勤劳的小搬运工，不停地把那些让我们觉得热的“捣蛋分子”运走。
传热学现象
问题1 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？回答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。
而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。
而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
问题2 冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？回答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。
而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。
因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。
讨论：读者应注意的是人对冷暖感觉的衡量指标是散热量的大小而不是温度的高低，即当人体散热量低时感到热，散热量高时感到冷，经验告诉我们，当人的皮肤散热热流为58W/㎡时感到热，为232W/㎡时感到舒服，为696W/㎡时感到凉快，而大于为928W/㎡时感到冷。
问题3 夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？回答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度不同。
夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。
而冬季室外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。
因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。
因此，尽管冬季室内温度22℃比夏季略高20℃，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。
根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
问题4 利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？回答：当其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。
工程热力学与传热学11)蒸汽压缩制冷循环
(11-13)
qv
h1' h5 v1'
qv
？
(3)理论比功
w0 h2' h1' (4)单位冷凝热 qk qk h2' h4
(5)制冷系数
1'
w0
增加
(11-14)
增加
(h2' h2 ) (h2 h4 )
(11-14)
h h h h
（7）压缩机
在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。 而实际上，整个过程是一个压缩指数 在不断 变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有 余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道 出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压 缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率 增大。
p
4
pk
3 0
2 2 s
5
p0
(11-11)
在蒸发温度和冷凝温度相同的条 件下：
制冷系数愈大 (6)压缩终温 经济性愈好
t2
影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。
(7)热力完善度
单级压缩蒸气制冷机理论循环的热 力完善度按定义可表示为
0 h1 h4 1 h1 h4 Tk T0 c h2 h1 Tk 1 h2 h1 T0
q0
单位制冷量可按式（11-5）计算。单位制 冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度 x5的关系：
q0 r0 (1 x5 )
(11-6)
由式（11-6）可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则单 位制冷量就越大。
(2)单位容积制冷量
qv
(11-7)
q0 h1 h4 qv v1 v1
传热学第十一章
11. 传热过程分析与换热器计算11.1 知识结构1． 传热系数k （平壁，圆桶壁，肋壁）； 2． 热绝缘临界直径；3． 肋壁传热（肋化系数β，肋效率ηf ，肋面总效率ηo ）； 4． 平均温压Δt m ；5． 换热器计算（设计、校核）（平均温压法、ε-NTU 法）； 6． 污垢热阻，传热过程分热阻的威尔逊图解法； 7． 换热器的型式与特点； 8． 传热的强化与削弱。
11.2 重点内容剖析11.2.1 传热过程分析与计算 一. 传热计算公式与传热系数传热量计算公式： ()k f f f f f f R t t kAt t t t kA 2121211-=-=-=Φ (11-1) 式中：k(传热系数)——传热强弱的度量参数，数值上等于单位传热温差作用下的热流密度。
R k ——传热过程总热阻。
1. 平壁传热热阻和传热系数A h A A h R k 2111++=λδ (11-2) 211111h h AR k k ++==λ (11-3)2. 圆筒壁传热热阻和传热系数ld h d d l l d h A h d d l A h R o o i o i i o o i o i i k ππλππλ1ln 2111ln 211++=++= (11-4)传热系数：（1）以外表面积为基准(l d A o o π=)oi o o i o i ok h d d d d d h A R k 1ln 2111++==λ (11-5)（2）以内表面积为基准(l d A i i π=)oi o i o i i ok d d h d d d h A R k 1ln 2111++==λ (11-6) 热绝缘临界直径：由圆筒壁传热热阻公式可见，对于圆管外保温，随着保温层厚度的增加，导热热阻增加，而外层换热热阻减小，总热阻的极值点外径为临界直径。
令：011212=⋅-=∂∂o o o o k d l h d l d R ππλ ocr o o h d d h λλ20121=⇒=-⇒ (11-7) 由于保温材料的导热系数较小，临界直径一般很小，对于热力工程保温一般无须考虑。
第11章辐射换热
随T的升高，Ebλ对应的波长λｍ向短波迁移。
11-2-2 维恩位移定律
光谱辐射力为 Ebλ,max时，λｍ和 T 之间的关系。
推导
可得: 并且:
当温度不变时:
dEb 0
d
m T 2 .8 9 1 3 7 0 2 .9 6 1 30 m K
E b ,m a1 x .1 0 1 5 6 T 0 5 W /m 3
玻璃
白漆和黑漆
物体的颜色对可见光 呈强烈选择性； 但对红外线的吸收率 均为0.9左右。
可见光，2.5m红外线， 很小，近乎透明体； 紫外线，3m红外线， 1 ，表现不透明性。
温室效应
11-3-3 基尔霍夫定律
1. 灰体
,
大多数工程材料 可作灰体处理。
温度近于太阳表面温度（5800K）时， 与Ebλ,max对应的λｍ位于可见光区段。
11-2-3 斯忒藩-波耳兹曼定律
1879年斯忒藩（实验）,1884年波耳兹曼（理论）
确定了黑体的 Eb与 T的关系。
Eb 0T4
Eb
式中: 0 – 黑体辐射常数
0 5 .6 1 7 80 W /m (2K 4 ) 0
黑体表面温度为627℃时：
分析
E b 2 C 0 ( 1 T 2 ) 4 0 5 .6 0 ( 6 7 1 2 0 ) 4 7 3 0 .2 3 1 7 3 W 0 /m 2
T2 3, Eb2 81
T1
Eb1
说明 高温和低温两种情况下，
黑体的辐射能力有明显的差别。
波段内黑体辐射力：
举例 计算温度分别为2000K 和5800K的黑体 与Ebλ,max对应的λｍ。
解：由维恩位移公式：
生活中辐射传热的例子
生活中辐射传热的例子引言辐射传热是一种非接触的热传递方式，在我们的日常生活中无处不在。
从阳光照射到地球上，到微波炉加热食物，辐射传热的例子随处可见。
本文将探讨几个生活中常见的辐射传热现象，并解释其原理和应用。
电热毯原理电热毯是一种利用辐射传热加热的家用电器。
它内部包含一些发热线圈，通过电流产生热量，然后以辐射的形式传递到周围的环境和人体上。
应用•在冬季寒冷的夜晚，人们可以使用电热毯来增加床上的温暖。
•电热毯还可以帮助缓解肌肉酸痛和关节疼痛，促进血液循环。
太阳能热水器原理太阳能热水器利用太阳能辐射传热的原理来加热水。
太阳能热水器通常由太阳能集热器、储热器和水箱组成。
太阳能集热器吸收太阳辐射的能量，将其转化为热量，然后通过传导和辐射的方式传递给水箱中的水。
应用•太阳能热水器是一种环保、节能的热水供应方式，可以减少对传统能源的依赖。
•在阳光充足的地区，太阳能热水器可以提供稳定和可持续的热水供应。
红外线热感应仪原理红外线热感应仪可以通过红外辐射传热的原理来检测物体的热能分布。
它通过感应红外线辐射的强弱来显示出不同物体的温度差异。
应用•红外线热感应仪常用在工业领域，可用于检测设备运行时的温度异常或故障。
•在建筑领域，红外线热感应仪可以检测建筑物的热漏点，帮助提高能源利用效率。
火炉原理火炉是一种利用辐射传热的加热设备。
火炉内部燃烧燃料，产生高温烟气，这些烟气通过辐射的方式将热量传递给周围的物体。
应用•火炉常用于供暖和烹饪，特别是在没有中央供暖系统的地区。
•在一些工业过程中，火炉还可以用于熔炼金属和烧结陶瓷等。
微波炉原理微波炉是一种利用微波辐射传热的设备。
微波炉产生的微波能量通过辐射传递到食物中，使其分子振动，从而产生热量。
应用•微波炉被广泛应用于食品加热和解冻。
与传统炉灶相比，微波炉能更快速地加热食物。
•微波炉还可以用于家庭实验和科学研究，如测量微波辐射的强度和频率。
总结辐射传热是我们日常生活中常见的热传递方式之一。
工程热力学与传热学：11-2 黑体辐射的基本定律
E 0 E d
对黑体辐射： Eb Eb
2. 普朗特定律 1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。
Eb
C15
C2
e T 1
Eb f (,T )
不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：
T一定时， : 0 ~ m ~
11-2-2 维恩位移定律
光谱辐射力为 Ebλ,max时，λｍ和 T 之间的关系。
推导
可得: 并且:
当温度不变时:
dEb 0
d
mT 2.8976 103 2.9103 m K
Eb,max 1.106105T 5 W / m3
举例 计算温度分别为2000K 和5800K的黑体 与Ebλ,max对应的λｍ。
E d 2
1
b
F F b(02 )
b(01 )
其中： Fb(0) 为黑体辐射函数（表11-1）
则波段内黑体辐射力：
Eb(1 2 ) [Fb(02 ) Fb(01 ) ]Eb
11-2-4 兰贝特定律
1. 立体角
A r2
sr 球面度
对整个半球：
A 2r 2 2 sr
对微元立体角：
d
dA r2
s in dd
sr
n θ
dΩ r dA1
立体角定义
dθ dA2
φ dφ
r sind
rd
dA2
2. 定向辐射强度（辐射强度） 物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角
内发出的辐射能量。
L( ,) d
n
W /(m2 sr)
dф
dAcosd
生活中常见的热学现象分析
生活中常见的热学现象分析物理和我们的实际生活有很大联系，在教材课本上能够学习到的知识，我们几乎都可以在日常生活中看见。
热学是物理知识中最关键的组成结构，在生活中我们经常可以看见热学现象，观察这些现象能够有助于我们更好地学习物理知识。
本文就以实际生活现象为例子，详细地阐述物理中的热学现象。
一、热传递与热膨胀相关的热学现象所谓热传递，其就是指因为温度差导致的热能传递现象。
在整个热传递中，用热量量度物体内能改变。
热传递主要存在热传导、热辐射和热对流三种模式。
例如在生活中我们经常可以看见热学现象：若是直接使用手去端盛菜的盘子就会感到烫手，以及我们在做饭时候使用的锅铲、汤勺等工具的手柄都是用木料做成的，这样做的原因是木料不会传热与导热，以此来防止在做菜时被热量烫到手。
所以热传递一般是根据物体是否是良导体来决定，这也是一种热传导的现象。
或者是我们冬天用烤火炉烤火取暖的时候，只要是在烤火炉旁边，就能够感受到一定的热度，这种现象主要是热传递中的热辐射现象，热辐射属于热传递的一种方式，不含化学物质，不会对人造成伤害。
而热对流也是我们生活中经常能够看见的一种，例如在使用电水壶烧开水的时候，我们主要将盖子打开，就能够看见热水与冷水之间的对流。
再比如打开刚用热水泡得茶，可以看到因为热对流而形成的空气对流。
经过对这些现象的分析，我们就能够知道在热学中的热传递只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就一定会以上述三种方式中的一种或者是多种方式，从高温到低温处传递。
二、物体状态变化的热学现象物体状态的变化也可以理解成为我们物理知识中的物态变化，具体是指将物质从一种状态转化成为另外一种状态的过程，其中的液化、气化以及凝固等相关的形式。
在发生物态变化之时，物体需要吸热或放热。
在物体从高密度向低密度转化时即为吸热从低密度向高密度转化时即为放热。
在我们生活中有很多和物态变化有关的热学现象。
比如在夏天的时候将冰块放在室外，很快就会融化成为水，这就是从固态转换成液态的现象，在这个过程中冰块吸热。
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生活中的传热学
经常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统．这些附加的定律足以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。
传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。
传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。
传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。
热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。
热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。
工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。
决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。
热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。
它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。
太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。
每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。
辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。
我们的生活中就有很多传热学的例子，而且就是我们每天都会碰见的事，这时在我们了解了传热学我们就可以用传热学的知识来解释这种现象或事情。
我们许多人都喜欢在冬天有暖暖阳光时晒被子，我们都会深有体会，冬天经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来会觉得很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。
这就可以用传热学的知识来解释，棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。
而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。
而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
我们还会觉得奇怪的一件事那就是冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。
而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。
因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。
在冬季的晴天，白天和晚上空气温度相同，但白天感觉暖和，晚上却感觉冷。
白天和晚上人体向空气传递的热量相同，且均要向温度很低的太空辐射热量。
但白天和晚上的差别在于：白天可以吸收来自太阳的辐射能量，而晚上却不能。
因而晚上感觉会更冷一些。
夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在
22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度不同。
夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。
而冬季室外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。
因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。
因此，尽管冬季室内温度22℃比夏季略高20℃，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。
根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
我们国家北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，、为什么霜会结在树叶上表面？这是因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。
而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。
由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。
还有就是大家都觉得很讨厌的一件事那就是窗玻璃对红外线几乎不透明，但是隔着玻璃依然会被太阳晒到的发热？这也是窗帘存在的理由。
虽说窗玻璃对红外线不透明，但对可见光却是透明的，因而隔着玻璃晒太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内，因而房间内温度越来越高，因而感到暖和。
我们作为建筑这一行业我们再说说一个关于我们行业的传热学例子。
在寒冷的北方地区，现在建房越来越多的人开始采用多
孔的空心砖。
这也可以用传热学的知识解释，在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/（m·K）（35℃），而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然对流）时其导热系数很低，是很好的绝热材料。
现在在科技高速发展的时代，传热学不仅能解释生活中的现象，还被用到了许多工程中。
传热学也面临着很大的考验，也遇到了很多难题，但同时也与许多学科结合得到了更大的发挥，所以我们应学好传热学。