传热学第1章
《传热学》(第五版)
第一章导热理论基础2已知：10.62()W m K λ=∙、20.65()W m K λ=∙、30.024()W m K λ=∙、40.016()W m K λ=∙求：'R λ、''R λ 解：2'3124124224259210 1.1460.620.650.016m K R W λσσσλλλ-⨯⨯⨯⨯⎛⎫∙=++=++⨯= ⎪⎝⎭'"232232560.265/0.650.024R m k W λσσλλ⨯⎛⎫=+=+=⋅ ⎪⎝⎭由计算可知，双Low-e 膜双真空玻璃的导热热阻高于中空玻璃，也就是说双Low-e 膜双真空玻璃的保温性能要优于中空玻璃。
5．6．已知：50mm σ=、2t a bx =+、200a =℃、2000b =-℃/m 2、45()Wm K λ=∙求：（1）0x q =、6x q = （2）v q解：（1）00020x x x dtq bx dx λλ====-=-= 3322452(2000)5010910x x x dtW q bx m dx σσσλλ-====-=-=-⨯⨯-⨯⨯=⨯（2）由220vq d t dx λ+=2332245(2000)218010v d t W q b m dxλλ=-=-=-⨯-⨯=⨯9．取如图所示球坐标，其为无内热源一维非稳态导热 故有：22t a t r r r r τ∂∂∂⎛⎫= ⎪∂∂∂⎝⎭00,t t τ==0,0tr r∂==∂ ,()f tr R h t t rλ∂=-=-∂ 10．解：建立如图坐标，在x=x 位置取dx 长度微元体，根据能量守恒有：x dx x Q Q Q ε++= （1）x dt Q dx λ=-+()x dx d dtQ t dx dx dxλ+=-++∙ 4()b b Q EA E A T Udx εεεσ===代入式（1），合并整理得：2420b fU d t T dx εσλ-= 该问题数学描写为：2420b f U d t T dx εσλ-= 00,x t T == ,0()x ldtx l dx ===假设的 4()b e x ldtfT f dx λεσ=-=真实的 第二章稳态导热3.解：（1）温度分布为 121w w w t t t t x δ-=-(设12w w t t >)其与平壁的材料无关的根本原因在 coust λ=（即常物性假设），否则t 与平壁的材料有关 （2）由 dtq dxλ=- 知，q 与平壁的材料即物性有关5.解： 2111222()0,(),w w ww d dt r dr drr r t t t t r r t t===>==设有：12124()11w w Q t t r r πλ=-- 21214F r r R r r λπλ-=7.已知：4,3,0.25l m h m δ=== 115w t =℃, 25w t =-℃, 0.7/()W m k λ=⋅ 求：Q解： ,l h δ ，可认为该墙为无限大平壁15(5)0.7(43)6720.25tQ FW λδ∆--∴==⨯⨯⨯= 8.已知：2220,0.14,15w F m m t δ===-℃，31.28/(), 5.510W m k Q W λ=⋅=⨯ 求：1w t解： 由 tQ Fλδ∆= 得一无限平壁的稳态导热312 5.510150.141520 1.28w w Q t t F δλ⨯=+=-+⨯=⨯℃ 9.已知：12240,20mm mmδδ==，120.7/(),0.58/()W m k W m k λλ=⋅=⋅3210.06/(),0.2W m k q q λ=⋅=求：3δ解： 设两种情况下的内外面墙壁温度12w w t t 和保持不变，且12w w t t >221313由题意知：1211212w w t t q δδλλ-=+122312123w w t t q δδδλλλ-=++再由： 210.2q q =，有121231212121230.2w w w w t t t t δδδδδλλλλλ--=+++得：123312240204()40.06()90.60.70.58mm δδδλλλ=+=⨯⨯+= 10.已知：1450w t =℃，20.0940.000125,50w t t λ=+=℃，2340/q W m ≤ 求：δ 解： 412,0.094 1.25102w w t t tq m m λλδ+∆==+⨯⨯41212[0.094 1.2510]2w w w w t t t t tmq qδλ+-∆==+⨯⋅ 44505045050[0.094 1.2510]0.14742340m +-=+⨯⨯⨯= 即有 2340/147.4q W m m mδ≤≥时有 11.已知：11120,0.8/()mm W m k δλ==⋅，2250,0.12/()mm W m k δλ==⋅33250,0.6/()mm W m k δλ==⋅求：'3?δ=解： '2121'3123112313,w w w w t t t t q q δδδδδλλλλλ--==+++由题意知：'q q =212tw 1tw 2q 11λ12λ23λ322即有：2121'3123112313w w w wt t t t δδδδδλλλλλ--=+++'33322λδδδλ=+ 0.6250505000.12mm =+⨯= 12.已知：1600w t =℃，2480w t =℃，3200w t =℃，460w t =℃ 求：123,,R R R R R R λλλλλλ解：由题意知其为多层平壁的稳态导热 故有： 14122334123w w w w w w w w t t t t t t t t q R R R R λλλλ----====∴112146004800.2260060w w w w R t t R t t λλ--===-- 223144802000.5260060w w w w R t t R t t λλ--===--33414200600.2660060w w w w R t t R t t λλ--===-- 14.已知：1）11012,40/(),3,250f mm W m k mm t δλδ==⋅==℃，60f t =℃ 220112,75/(),50/()h W m k h W m k λλ==⋅=⋅ 2）223,320/()mm W m k δλ==⋅ 3）2'23030,,70/()h W m k δδλλ===⋅求：123123,,,,,q q q k k k ∆∆∆ 解：未变前的122030102250605687.2/1113101754050f f t t q W m h h δλ---===⨯++++tw 1tw 4tw 2tw 3R 1R2R3R =R 1+R 2R3+t αt f221）21311121129.96/()1112101754050k W m k h h δλ-===⋅⨯++++ 21129.96(25060)5692.4/q k t W m =∆=⨯-= 21105692.45687.2 5.2/q q q W m ∆=-=-= 2）22321221129.99/()11131017532050k W m k h h δλ-===⋅⨯++++ 22229.99(25060)5698.4/q k t W m =∆=⨯-= 22205698.45687.211.2/q q q W m ∆=-=-= 3) 22330'101136.11/()131********k W m k h h δλ-===⋅⨯++++ 23336.11(25060)6860.7/q k t W m =∆=⨯-= 23306860.75687.21173.5/q q q W m ∆=-=-= 321q q q ∴∆∆>∆ ，第三种方案的强化换热效果最好 15.已知：35,130A C B mm mm δδδ===，其余尺寸如下图所示，1.53/(),0.742/()A C B W m k W m k λλλ==⋅=⋅求：R λ解：该空斗墙由对称性可取虚线部分，成为三个并联的部分R 1R 1R 1R2R3R 2R 2R3R311113222,A B C A B C R R R R RR R R R =++==++ 3321111311135101301020.1307()/1.53 1.53C A B A B C R R m k W δδδλλλ--⨯⨯∴=++=⨯+==⋅332322222335101301020.221()/1.530.742C A B A B C R m k W δδδλλλ--⨯⨯=++=⨯+=⋅2212115.0410()/1111220.13070.221R m k W R R λ-∴===⨯⋅⨯+⨯+16.已知：121160,170,58/()d mm d mm W m k λ===⋅，2230,0.093/()mm W m k δλ==⋅33140,0.17/(),300w mm W m k t δλ==⋅=℃，450w t =℃求：1）123,,R R R λλλ; 2) l q : 3) 23,w w t t . 解：1）4211111170lnln 1.66410()/2258160d R m k W d λπλπ-===⨯⋅⨯2222221117060lnln 0.517()/220.093170d R m k W d λδπλπ++===⋅⨯ 223332222111706080lnln 0.279()/2220.1717060d R m k W d λδδπλδπ++++===⋅+⨯+tw 1112323tw 4132R R R λλλ∴< 2) 2330050314.1/0.5170.279l i t t q W m R R R λλλ∆∆-====++∑ 3）由 121w w l t t q R λ-=得 4211300314.1 1.66410299.95w w l t t q R λ-=-=-⨯⨯=℃ 同理：34350314.10.279137.63w w l t t q R λ=+=+⨯=℃ 17.已知：1221211,,22m m d d δδλλ=== 求：'ll q q 解：忽略管壁热阻010121020122211ln ln 222d d R d d λδδδπλπλδ+++=++ '010122010122211ln ln 222d d R d d λδδδπλπλδ+++=++ '',l l t tq q R R λλ∆∆== （管内外壁温13,w w t t 不变）01012'20101'010*******22211lnln 22222211ln ln 222l l d d q R d d d d q R d d λλδδδπλπλδδδδπλπλδ+++++∴==+++++01010010101001241lnln 22241ln ln 22d d d d d d d d δδδδδδ++++=++++由题意知： 1001011[(2)]2m d d d d δδ=++=+ 2112011[(2)]32mm m d d d d δδ=++=+ 即：21010101232()m m d d d d d δδδ=⇒+=+⇒= （代入上式）3''15ln 3ln23 1.277ln 3ln 23l l q R q R λλ+∴===+ 即： '0.783l l q q ='21.7%l llq q q -∆==即热损失比原来减小21.7%。
传热学第1章答案
传热学习题集第一章思考题1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。
答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。
联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。
导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。
2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。
试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
答：① 傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt －沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。
② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；f t －流体的温度。
③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。
3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。
这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。
4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。
试分析引入传热方程式的工程实用意义。
答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。
5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。
《传热学》课后习题答案-第一章
传热学习题集第一章思考题1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。
答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。
联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。
导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能 量的转移还伴有能量形式的转换。
2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。
试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
答：① 傅立叶定律：，其中，－热流密度；－导热系数；－沿x方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。
② 牛顿冷却公式：，其中，－热流密度；－表面传热系数；－固体表面温度；－流体的温度。
③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：，其中，－热流密度；－斯忒藩－玻耳兹曼常数；－辐射物体的热力学温度。
3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。
这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。
4． 当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。
试分析引入传热方程式的工程实用意义。
答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。
5． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。
而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就烧坏。
试从传热学的观点分析这一现象。
传热学
传热学第一章绪论1.传热学的定义: 研究由于温度差而引起的热能传递规律的科学.2.热流量（heat transfer rate）：单位时间内通过某一给定面积A的热量，记为Φ，单位为 W3.热流密度（或称面积热流量）:通过单位面积的热流量，记为q，单位是 W/m24.稳态过程与非稳态过程稳态过程：热量传递系统中各点温度不随时间而改变的过程非稳态过程：各点温度随时间而改变的过程5.热传导的定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递过程1）导热是物质的固有属性2）固、液、气等均具有一定的导热能力3）纯导热只发生在密实的固体和静止的流体中导热现象的判断？1）有温差；2）密实固体或静止流体6.模型一平壁稳态导热.影响因素:平壁面积,厚度,温差平壁稳态导热的计算公式：7.λ —热导率，又称导热系数.单位：W/(m·K) (热物理参数)8.热对流：流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象特点: 1）发生在流体中2）流体内部必须存在温差3）流体必须有宏观运动4）伴随着热传导9.对流传热：流动的流体与温度不同的固体壁面间的热量传递过程.(热对流的一种方式,传热学研究方式).分类:按流体流动的起因：1）自然对流、自由对流：流体冷、热各部分密度不同而引起的2）受迫对流、强迫对流：流体的流动是在外力（在泵或风机）作用下产生的技巧：给出流体速度的为强迫对流按流体有无相变：1）无相变的对流传热2）有相变的对流传热：沸腾换热、凝结换热10.如何判断对流传热1）发生在壁面和流体之间：参与物质类型2）壁面和流体存在温差：热量传递的前提3）流体要运动：速度体现一定不要遗漏自然对流11.对流传热的计算—牛顿冷却公式（对流传热的热量传递速率方程）当流体被加热时：当流体被冷却时：h-表面传热系数(过程量)，W/(m2·K)13.热辐射：由于自身温度（热）的原因而发出辐射能的现象（heat radiation）1）辐射传热：物体之间因为相互辐射、相互吸收而引起的热量传递过程2）理想物体：绝对黑体，简称黑体（能够全部吸收投射到其表面上辐射能的物体）14.黑体辐射的斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltamann）定律实际物体的辐射能力：注意：1）σ—斯忒藩-玻耳兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4) 2）ε—发射率（emissivity），习惯上也称为黑度，物性参数15.理想模型2—两平行黑体平板间的辐射传热（相距很近，表面间充满了透明介质）16.理想模型3—非凹表面1包容在面积很大的空腔2中注意：1）辐射传热必须采用热力学温度2）注意公式的使用条件3）“动态平衡”的含义（p8）17．导热、对流与辐射的辨析：1）导热、对流只在有物质存在的条件下才能实现；热辐射不需中间介质（非接触性传热）2）辐射不仅有能量的转移，而且伴随能量形式的转换；3）辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程；4）辐射能力与其温度有关，导热、对流与温差有关；导热与对流的辨析：气、液、固均具有导热能力，纯导热只发生在静止的流体中；对流只发生在流动的流体中；18．传热过程：热量由固体一侧的高温流体通过固体壁面传给另一侧低温流体的热量传递过程 。
传热学第四版第一章
第一章1-1夏天的早晨，一个大学生离开宿舍时的温度为20℃。
他希望晚上回到房间时的温度能够低一些，于是早上离开时紧闭门窗，并打开了一个功率为15W 的电风扇，该房间的长、宽、高分别为5m 、3m 、2.5m 。
如果该大学生10h 以后回来，试估算房间的平均温度是多少？ 解：因关闭门窗户后，相当于隔绝了房间内外的热交换，但是电风扇要在房间内做工产生热量：为J 54000036001015＝⨯⨯全部被房间的空气吸收而升温，空气在20℃时的比热为：1.005KJ/Kg.K,密度为1.205Kg/m 3,所以89.11005.1205.15.235105400003=⨯⨯⨯⨯⨯=∆-t当他回来时房间的温度近似为32℃。
1-2理发吹风器的结构示意图如附图所示，风道的流通面积2260cm A =，进入吹风器的空气压力kPa p 100=，温度251=t ℃。
要求吹风器出口的空气温度472=t ℃，试确定流过吹风器的空气的质量流量以及吹风器出口的空气平均速度。
电加热器的功率为1500W 。
解：1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟31000cm 。
冷水通过电热器从15℃被加热到43℃。
试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出可以将用过后的热水（温度为38℃）送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。
如果该换热器能将冷水加热到27℃，试计算采用余热回收换热器后洗澡15min 可以节省多少能源？ 解：1-4对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？解：（a ）中热量交换的方式主要为热传导。
（b ）热量交换的方式主要有热传导和自然对流。
所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用（a ）布置。
1-5 一个内部发热的圆球悬挂于室内，对于附图所示的三种情况，试分析：（1）圆球表面散热的方式；（2）圆球表面与空气之间的换热方式。
传热学讲义第一章—导热理论基础
第一章 导热理论基础本章重点：准确理解温度场、温度梯度、导热系数等基本概念，准确掌握导热基本定律及导热问题的基本分析方法。
物质内部导热机理的物理模型：（1）分子热运动；（2）晶格（分子在无限大空间里排列成周期性点阵）振动形成的声子运动；（3）自由电子运动。
物质内部的导热过程依赖于上述三种机理中的部分项，这几种机理在不同形态的物质中所起的作用是不同的。
导热理论从宏观研究问题，采用连续介质模型。
第一节 基本概念及傅里叶定律1-1 导热基本概念一、温度场(temperature field)（一）定义：在某一时刻，物体内各点温度分布的总称，称为即为温度场（标量场）。
它是空间坐标和时间坐标的函数。
在直角坐标系下，温度场可表示为：),,,(τz y x f t = （1-1）（二）分类：1．从时间坐标分：① 稳态温度场：不随时间变化的温度场，温度分布与时间无关，0=∂∂τt ，此时，),,(z y x f t =。
（如设备正常运行工况） 稳态导热：发生于稳态温度场中的导热。
② 非稳态温度场：随时间而变化的温度场，温度分布与时间有关，),,,(τz y x f t =。
（设备启动和停车过程）非稳态导热：在非稳态温度场中发生的导热。
2．从空间坐标分： ① 三维温度场：温度与三个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),,(),,,(z y x f t z y x f t τ ② 二维温度场：温度与二个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态),(),,(y x f t y x f t τ∆tt-∆tgrad t③ 一维温度场：温度只与一个坐标有关的温度场，⎩⎨⎧==稳态非稳态，)()(x f t x f t τ 二、等温面与等温线1．等温面(isothermal surface)：在同一时刻，物体内温度相同的点连成的面即为等温面。
2．等温线(isotherms)：用一个平面与等温面相截，所得的交线称为等温线。
为了直观地表示出物体内部的温度分布，可采用图示法，标绘出物体中的等温面（线）。
《传热学》第1章-绪论
三、传热学应用实例
● 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
日常生活中的例子：
● 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持 20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？ 为什么？
● 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一 样。为什么？
v 1904年他在哥廷根大学（Göttingen University）担任流体力学研究所的所 长，同年他发表了其具有历史意义的关于 边界层的著名论文，奠定了现代流体力学 和空气动力学以及对流换热分析的基础。 在风洞实验技术；机翼理论；湍流理论均 有杰出贡献；
v T. von 卡门是他的学生；
传热学名人-4
v 发展对流换热理论的杰出先 驱：对流换热的无量纲准则， 用实验方法求解对流换热问 题；
v 凝结换热理论解 ； v 层流入口段换热机理研究 ；
传热学名人-5
v 施密特（1892－1975）,出生 于1892年2月11日，是德国的 科学家，工程热物理学，尤其 是传热传质学研究领域的先 驱；
v 他是第一个测量自然对流边界 层的速度场和温度场以及膜态 凝结的当量传热系数的人。
™ 偏微分方程（导热）和偏微分方程组（对流） ™ 数值模拟----差分方程
v 实用性也强；
™ 由实验得出的对流换热的经验公式
对学习方法的建议
v 以方法论学习为主
™课堂上要注意学习建立方程的方法; ™不要去记复杂的公式; ™要记住最基本的公式;
v 对学习效果的要求程度
™合上书忘了——不要紧，但是翻开书就能看懂,能 想起来——基本可以;
q1
=
λ1
tw1
− tw2 δ
传热学-第1章
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工作单位：能源与动力学院
热工教研室
办公地点：2#综合实验楼
416A室
第一章 绪论
1
参考书
《传热学 要点与解题》 王秋旺 《数值传热学》陶文铨 《凝结与沸腾》 施明恒等 《辐射换热》 余其铮 Heat Transfer Anthony F Heat Transfer J.P.Holman
第一章 绪论
tf
24
表1-1 一些表面传热系数的数值范围
对流换热类型 空气自然对流换热 水自然对流换热 空气强迫对流换热 水强迫对流换热 水沸腾 水蒸气凝结
表 面 传 热 系 数 h /[W /(
m2K])
1～10
100～1 000
10～100
100～15 000
2500～35 000
5000～25 000
dt
q tw1 tw2
第一章 绪论
16
7. 导热热阻
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位导热热阻
第一章 绪论
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导热热阻图示
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例 题 1-1
例题 1-1 一块厚度δ =50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在
第一章 绪论
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课程安排
上课时间：1-10 周一7，8节 周四 3，4节
地点： 综-311
学 时：40 学 分：2.5 课程性质：必修课
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一、导言
因此，对于所有微电子机械系统的设计及应用 来说，全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及 材料的热物性、热行为等已经成了迫在眉睫的任务。 然而，目前的科学和工程水平尚无法做到这一步， 于是现代热科学中的一门崭新学科——微米/纳米尺 度传热学应运而生。 早期的微尺度传热学研究主要集中在导热问 题上，之后则扩展到辐射和对流问题。 为说明微尺度传热学的主要研究内容，如下 扼要地介绍一些典型例子，以开拓读者的思路，但 其远远不能代表该学科的全貌，因为微尺度传热的 内涵正不断扩展
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
到7000W/m³ 。如此高密度的热量输运是一个富有挑 战性的课题。
图1.3 计算机体系内热耗散与系 统体积的关系
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
冷却微小系统的困难在于： 首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减 小声学噪音； 其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的 冷却流体空间； 第三，同样的要求不允许在模板上安装大容量 热沉； 第四，低造价的原则要求尽可能地采用塑料封 装芯片，而这又会增大芯片与模板表面之间的导热 热阻，于是热量将主要聚集在基底材料上。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
个量级。所以，分析薄膜中的传热问题自然成为进 一步提高仪器性能的关键步骤。 一系列的研究表明Fourier定律不适于分析高 温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和厚度区域内的 热传导问题。在这方面，Boltzmann方程被公认为 是一种最具普适性和有效性的工具。Majumdar发 展了一个基于Boltzmann理论的声子辐射输运方程， 以分析单个薄膜中的导热。其研究表明，在微尺度 区域内，晶格振动或声子的热传导表现为辐射传热 的形式。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 3、窄线及量子阱 对建立在砷化镓基础上的量子阱结构的研究近 年来进展十分迅速。量子阱结构通常由嵌入高能隙介 质中的一层或多层超薄(~200A或更小)低能隙半导体 层组成。研究发现，其热导率与相对应的宏观体材值 相比甚至在室温小也要小一个量级。相当窄的金属线， 如纳米线，是另一个热物性依赖于尺寸即直径的例子， 而纳米线的制作与研究正成为当前的研究焦点之一。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
总体上，用于分析微尺度材料中的热导率的 方法基本分为三步： (1) 找出反映材料电导率尺寸效应的合适表达
式；
(2) 确定电导率中的平均自由程； (3) 应用电学-热学输运比拟关系计算出热导 率的尺寸效应。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 2、颗粒和点结构 这方面的两个典型例子是单晶及多晶。当晶体 的单位元胞在三维空间内重复生成，并形成一种无任 何周期间断或界面的宏观物体时，即称为单晶。然而， 固体通常是以多晶形式出现的，它由称为颗粒的多个 单晶组成，而各单晶簇又由称作颗粒边界的界面分隔 开，界面对固体的机械、化学、电学及热学性质起着 非常重要的作用。除颗粒边界外，晶体缺陷也强烈地 影响固体的性质。对颗粒和点结构材料热物性的测量 及其传热的研究，近几年来得到了广泛的关注。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 1、薄膜中的热传导 1987年，瑞士科学家发现YBa2Cu3O7陶瓷有高 温超导性，人们第一次认识到，自然界存在一个超导 体及半导体均可工作的温度范围，于是一种集超导体半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。 这些复合器件的基本单元是一种高温超导薄膜， 其另一种潜在应用是作为液氮温区的测辐射热仪， 此时超导薄膜充当一个辐射吸收器，而电阻温度计 则成型到一个热沉上。测辐射热仪是具有卓越相应 功能的红外辐射探测器，已经发现，高温超导测辐 射热仪的噪声强度较之室温焦热电探测器小两
以往研究得最多的是人类感官所能触及 的对象，近几年来自然科学和工程技术发展的 一个重要趋势是朝微型化迈进，人们的注意力 逐渐转向那些发生在小尺度或快速过程中的现 象及其相应器件上。 其中微电子机械系统(MEMS)尤其取得 了巨大成功。
一、导言
这类系统指的是那些特征尺寸在1mm以下但 又大于1μ m的器件，它集电子及机械元件于一身， 并要通过集成电路制造中所采用的批量加工方法制 成。 微电子机械系统的尺寸比氢原子直径大四 个量级，比传统人造器械尺寸小四个量级，纳米 器件进一步推进了微电子机械系统的小型化。 微电子机械系统的影响遍及相当广泛的领 域，如仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、 导航及计算机应用等。
图1.11反映的是一类喷墨打印机中墨滴重量随 年代降低的情况，图中水平线代表人眼所能感知的 最小液滴重量，低于这一临界值，可以获得高精度 打印图像。
图1.11 喷墨液滴重量随年代的演化情况；采用图中虚线以 下的液滴重量町以获得高质量的打印图像
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 8、微尺度生物传热 对细胞尺度范围内的传热介质问题的研究近 年来逐渐成为诸多领域的研究重心。 细胞相变温度强烈地依赖于脂双层的组分、 链长及饱和度，而细胞膜脂双层中发生的相变会 影响到其隔离细胞内外溶液并控制质量输运的能 力，因而理解和控制这一相变过程是微尺度生物 传热研究最为重要的课题之一。
微米/纳米尺度传热学
第一章 绪论
西安电子科技大学
第一章 绪论
一 、导言 二、一些典型微热器件及其相应的热现象 三、微器件中传热问题的尺寸效应 四、微尺度传热学中的一些分析方法
五、微尺度传热学的一些研究进展
六、小结
一、导言
• 自然界各种物体的尺寸可以归纳为图1.1。
图1.1 自然界各种物体的尺寸
一、导言
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
图1.10 集成化热喷墨芯片的横截面。该图显示出由加热电阻产生 的“驱动气泡”迫使墨滴从发射腔喷出的情形，每一发射腔对应 于一个N通道金属氧化物半导体晶体管
由于打印图像的质量强烈地依赖于墨滴重量， 实现微笑液滴发射的控制技术一度成为人们追求的 目标。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
微尺度下的生物传热问题实际上是形形色色的，如 在生命个体中，一些生物体与生俱来的天然结构就包含着 独特的微质量和能量输运机理。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
微尺度传热在一些最先进的生物技术中也得到 了应用，如利用生物组织化学反应速率对温度的高 度敏感性，人们设计了独立的具有高效热控性能的 硅微结构。从而使得过去需长达3个小时的多聚酶链 式反应现在仅需20分钟左右即可完成，这是因为硅 微结构中采用了具有合适高宽比和大面积的反应容 积，从而能在一个低热质交换器中得到快速的加热 和冷却速率。 类似于此类生化反应器件，关于生物芯片 的制造方法及其微传热传质、微控制、微信号的 采集等也必将成为新一轮的研究焦点。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
另一个微尺度热控制的例子可在打印机工业 中找到。 热喷墨打印头(或笔)封装在一种体积在9cm³ 到50cm³ 的可替换性液滴发射腔内，它们通常由一 个墨水池及制作在硅基地上的与喷墨阀门阵列相 对应的微型加热电阻阵列构成。 图1.10为一个带有集成运动电子装置的热喷 墨头的横截面。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 7、微尺度热控制 图1.9所示为Lin等设计的利用微气泡作为驱动 部件的装置。
图1.9 汽泡驱动的微型热效应管
(悬臂末端的平板可随微小汽泡的形成而朝上移动)
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
与热驱动相比，一些传统微制动技术，若要 实现较大的力输出，则其位移相对较小(<10μm)； 而双压电晶片虽可获得大的位移，但输出的力又相 对较小；此外，电力驱动则对颗粒和潮湿环境非常 敏感；而磁制动又不易加工到亚毫米尺度。 据报道，采用热相变驱动的效应器可以获得 相对较大的力，且可实现数十微米的位移。不过， 由于微热控制器较敏感于温度，它们不能在温度 变动很大的状况下使用。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 9、分子机器 对分子水平上的机械装置进行加工的执着追求 导致了一系列相应器件的产生，如转子、齿轮、开 关、闸门、转栅、马达，棘齿等，其中马达在生物 系统中比较普遍，其制作最近在实验室中也已成为 现实。 如今，对于分子机器中热控问题的研究显然 已经不再是一个遥远的梦想。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 4、计算机元器件及其传热问题 近年来，微电子工业发展的一个显著特征是个 人计算机和工作站呈爆炸式增长，在这些小型或中型 尺寸的系统中，无一例外地要用到受迫对流空气来冷 却发热器件。 图1.3示出了系统水平上的热耗散与系统体积 之间的关系图。从图可见，所有பைடு நூலகம்冷系统数据均落 在图1.3中的两条平行线之间的带内；由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系 统尺寸，其范围大约在3000W/m³ 到7000W/m³ 之间， 其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最高，达
一、导言
“纳米技术”的含义是指利用一些新技术，如 激光束、离子束及电子束研磨，来完成的超精细材 料加工技术，其定义可为“0.1~100nm尺度起关键作 用的技术”。 不难理解，所有微尺度科学中的一个共同特 征是物质和能量的输运均发生在一个有限的微小结 构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和 能量的转换。据热力学第二定律可知，任何不可逆 过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现 的；此外，化学反应和相变过程中的任意分子重构 也必然涉及到与周围环境的能量交换问题。
槽道或肋片可采用光刻技术或利用微型工具 通过精密切割而制作在薄片上。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
图1.5 微型换热器示意图(晶片上加工 有流道，其表面覆盖有耐热平板玻璃)
图1.6 微型换热器横截面 示意图
除上述微槽型换热器外，如图1.7所示的微热管 是另一类具有高效热输运能力的微型换热器，其内 存在着诸多复杂的微尺度流动、传热及相变机理有 待揭示。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
所以，针对各类电子器件中相当高的热源密度 (图1.4)，寻求具有高效热输运效能的微槽传热方法 多年来一直是人们探索的主题。