3 1822年，法国数学家Fourier
傅里叶定律是根据热传导实验得到的纯属现象学的 一个定律，经过数学上的处理推广而得到的规律性总 结-------本构关系
T1 Δx
Байду номын сангаас
A T2
Q ∝ A T 1−T2 Δx
Q = λA T 1−T2
Δx
导热的基本定律
T
1822年，法国数学家Fourier：
Tw1 Tw2
3、对流换热的特点： (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程； (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；
也必须有温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴
壁面处会形成速度梯度很大的边界层
4、对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式（1701）
dTw
dτ
∝
(Tw
− T∞ )
Q = hA(Tw − T∞ ) [W]
传热学
Heat transfer
张靖周
能源与动力学院
第一章 绪论
Introduction
1-1 概述
一、传热学学科简介 (1) 研究热量传递规律的一门科学
热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传 给低温热源。有温差就会有传热 热量传递的机理、规律、控制和分析方法
日常生活中的例子：
忽略辐射时
q=
Tf1 −Tf 2
1 +δ + 1
=
k (T
f
1
−
T
f
2
)
=
T
f
1
− 1
T
f
2
= Tf1 −Tf 2 rk
h1 λ h2
k
2、传热系数与传热热阻
[ ] k
=
1
1
+δ +
1
— 传热系数 W (m2 ⋅o C)
h1 λ h2
[ ] rk
=
1 k
=
1 h1
+δ λ
+
1 h2
— 单位面积传热热阻 m2 ⋅o C
(3) 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物 体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量 总的结果是热由高温传到低温
4、黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。
黑体的辐射能力与吸收能力最强
5
-玻尔兹曼定律
黑体向外发射的辐射能：
[ ] Eb = σ bT 4 W m2
(2) 涉及到许多工程学科，是一门基础科学
传热学研究的背景和意义
随着工农业规模的发展，传热学是在20世纪初才从 物理学的热学部分独立出来而形成的专门学科，开始 自成系统地开拓与发展
20世纪80年代以来，我国在动力设备的大型化、核 动力开发与安全性研究、飞行器的发射与回收以及热 设备的节能等方面大力开展了导热、对流、辐射和复 杂几何形状及复杂边界条件耦合的传热过程的基础和 应用研究，取得了明显的经济效益
[ ] Eb — 绝对黑体辐射力 W m2
T — 黑体表面的绝对温度（热力学温度）[K] σ b — 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67 ×10-8 W (m2K 4 )
实际物体辐射能力：低于同温度黑体
[ ] E = εσ bT 4 W m2
ε — 实际物体表面的发射率（黑度），0~1；
与物体的种类、表面状况和温度有关
(W)
k越大，传热越好。若要增大 k，
可增大h1, λ, h2或减小δ
h的强化及增加k值的措施是传热学的重要内容之一
思考
同样是25℃的房子，为什么夏天可以穿衬衫， 而冬天却要穿毛衣？
传热学研究方法
实验研究 + 理论分析 + 数值模拟
通过实验观察与测试，深刻认识基本现象与规律、 积累第一手实验数据资料
傅里叶被公认为导热理论的奠基人（启示）
在傅里叶之后，导热理论求解的领域不断扩大，雷 曼、卡斯劳、耶格尔、雅各布等人的工作
(二) 对流换热
流体流动的理论是对流换热理论的前提。1823年纳 维尔提出的流动方程可适用于不可压缩流体，1845年 经斯托克斯改进为N-S方程，完成了建立流体流动基本 方程的任务----求解困难 挑战
5
[ ] h = Q ( A(Tw − T∞ )) W (m2⋅o C)
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等
6、对流换热热阻：
q
Tw
Q = ΔT = ΔT
1 (hA) Rh
- Radiation
1、定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐 射能的现象；凡物体都具有辐射能力
q=Q A
[ ] = h(Tw − T∞ ) W m2
q
Tw
Q = hA(Tw − T∞ ) [W]
Q — 热流量[W]，单位时间传递的热量
q — 热流密度 [W ]m2
A — 与流体接触的壁面面积 [m2 ] Tw — 固体壁表面温度 [oC] T∞ — 流体温度 [oC]
[ ] h — 表面传热系数 W (m2⋅o C)
自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
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：30度）的空气和水中 的感觉不一样。为什么？ 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利 于保温。如何解释其道理？夹层越厚越好？
若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度T1处流 至温度T2处，则此热对流过程传递的热流量为：
Q = Gcp (T2 − T1) [W ]
流体中有温差 — 热对流必然同时伴随着热传导 2、对流换热：流体与固体壁间存在相对运动时的换热
注：对流换热与热对流有区别 ★
对流换热： 流体与固体 壁间的换热
对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 不是基本传热方式 ★
学习过程是孕育创新能力的过程
(一) 热传导
19世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶都从固体一维导 热的实验研究入手开展研究，1804年，毕渥根据实验 提出了导热过程的本构公式：提高了对导热规律的认 识，只是粗糙了一点
傅里叶在进行实验研究的同时，十分注重数学工具 的运用，很有特色。1822年发表了著名的论著：热的 解析理论，成功地创建了导热理论
物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种 类不同、表面状况不同，其辐射能力不同 2、辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递
注：辐射换热与热辐射有区别 ★
3、辐射换热的特点
(1) 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质 的存在，在真空中就可以传递能量
(2) 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能
Q = λA ΔT [W]
δ
q = Q = λ ΔT Aδ
⎡W⎤ ⎢⎣ m2 ⎥⎦
Tw1
Tw2
Q：热流量，单位时间传递的热量[W]
q：热流密度，单位时间通过单位面
积传递的热量 [W ]m2
体会热力学
A：垂直于导热方向的截面积 [m 2 ] 中的热量与
δ : 平壁的厚度[m]
传热学中的 热流量区别
λ : 热导率（导热系数） [W (m ⋅ K )]
1880年雷诺进行了著名的雷诺实验 实验研究
1909-1915年努塞尔获得了有关无量纲数之间的原则 关系，有力地促进了实验研究求解对流换热问题的进 展。努塞尔成为发展对流换热理论的先驱
ΔT = Tw1 − Tw 2：平壁两侧壁温之差 [K ]
Q = λA ΔT [W]
δ
q = Q = λ ΔT Aδ
⎡W⎤ ⎢⎣ m2 ⎥⎦
4
Q
=
λA
ΔT
δ
[W]
λ= Q A ⋅ ΔT δ
[W (m ⋅ K )]
具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在 它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)
一、热传导（导热）- Conduction
1、定义：物体各部分之间不发生相对位移或两物体 间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒 子热运动而进行的热量传递现象
物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生 2、导热的特点
物体直接接触,无相对位移 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而 传递热量 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中 ★
航空宇航科学技术中的典型应用
燃气涡轮发动机热端部件强化冷却
发动机的热力过程 压缩过程 燃烧过程 膨胀过程
发动机理想的热力循环
2—3为气流在燃烧室中的等压 加热过程
3—5为绝热膨胀过程，其中： 3—4为气流在涡轮中的膨胀 4—5为气流在尾喷管中的膨胀
0—2为绝热压缩过程，其中： 0—1为气流在进气道中的扩压 1—2为气流在压气机中的增压
热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定
λ 金属 > λ 非金属固体 > λ 液体 > λ 气体
λ 纯铜 = 398 W ( m o C ) ; λ水 = 0.6W (m oC ) ;
λ 空气 = 0 .026 W ( m oC ) （ 20 o C ）
注：传热学中热流量的单位是[W]， 而非[J]； [W]= [J]/[s]
二、传热学与工程热力学的关系
工程热力学：热能的性质、热能与机械能及 其他形式能量之间相互转换的规律
传热学：热量 Q 传递过程的规律 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础
热量 Q 传递始终是从高温物体向低温物体传递； 在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终 保持守恒。