传热的目的
• 根据热力不平衡程度定量确定传热速率。或者说，通过研究传热的机 理以及建立计算传热速率的各种关系式来拓展热力学分析。
• 自身是一门独立学科，在材料、科学或工程中具有重要应用。
1.1 何谓传热及如何传热
传热是因存在温差而发生的热能的转移。
1. 温度的概念：第零定律，平衡态，多大尺度以上成立？
不论物质处于哪种状态，这种发射 2 都是因为组成物质的原子或分子中
电子排列位置的改变所造成的。
辐射场的能量依靠电磁波传输，
辐射传热不需要介质，
3 且辐射能的传输是靠消耗发射
4 在真空中传输最有效。
辐射的物质的内能来实现的。
（2）黑体（Black Body）：具有下述性质的一种理想表面
1 黑体能够吸收处于任何波长和来自任意方向的全部投射辐射。
2. 只要一个介质中或两个介质之间存在温差（驱动势），就必然会发生传热。
3. “冷”或“热”的感觉是由温差引起的热流造成的，而热流的大小则与物质 的性质有关。
握手的深度分析
不同类型的传热过程称为传热的不同模式（modes）。
当静态介质中存在温度梯度时，不论该介质是固体还是流体， 介质中都会发生传热，这种传热过程即为传导（ Conduction）。
物体的各部分间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等 微观粒子的热运动而发生的热量传递称为导热（热传导）。
气体
分 子
热
运
动
液体
观 点
固体 自由电子 晶格波
速率方程（Rate Equation）：用于计算传热过程在单位时间内传输了 多少能量（J/s=W）。
对于热传导，速率方程为傅里叶定律（Fourier’s Law）。
4 在很多工程问题中（涉及太阳辐射或表面温度很高的源的辐射问题除 外）可认为液体对辐射传热是不透明的，而气体则是透明的，固体可 以是不透明的或半透明的。这是一个尺度问题！
传热分析和检验的基本准则！
• 热力学第二定律（熵增定律）
不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能 从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。
明确了传热这一自发过程的方向！
• 热力学第三定律（0K不能达到原理） 任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K。
鼓励我们无限逼近0K！
当一个表面与一种运动的流体处于不同的温度时，它们之间 发生的传热即为对流（Convection）。[边界层]
所有具有一定温度的表面都以电磁波的形式发射能量。若两个 温度不同的表面不存在参与传热的介质，则它们只通过热辐射进行 传热。 Convection）。
传热是因存在温差而发生的热能的转移。
1.2 物理机理和速率方程-热传导
E Eb Ts4
1.5
ε为表面的辐射性质，称为发射率或发射比，值在0到1之前， 表示与理想辐射体相比，一个表面发射能力的大小。
事实上是全波长半球向发射率！
（4）周围环境对表面的投射辐射 辐照密度G：单位时间内投射在单位面积上的辐射能。
太阳、天空、地表
可由吸收率确定单位表面积在单位时间内 所吸收的辐射能（改变物质的内能）：
受迫 对流
沸腾
自然 对流
凝结
（4）对流能量传输速率方程：牛顿冷却公式
q h Ts T
(1.3)
对流热流密度正比于表面温度 与流体自由流温度之间的差值。
比例系数h称为对流换热系数、膜传导系数或膜系数
1 引入该系数的目的是试图将所有 影响对流传热的因素包含在单一 量之中。
2 典型对流系数的取值范围
单位面积在单位时间内发射的能量称为发射功率E。 其上限由斯蒂芬—波尔茨曼定律给出：
Eb Ts4
W m2
1.4
1 Ts为表面的绝对温度（K）。
2 5.67 108 W/(m2 K4 ) 为斯蒂芬—波尔茨曼常数。 3 这种表面为理想发射体或黑体。
Байду номын сангаас
在相同温度下，实际表面发射的热流密度要比黑体的小，为
第一章 导 论
• 热力学第零定律（热平衡定律）
若两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态， 则两个系统也必互相处于热平衡状态。
温度的定义及其测量方法的基础！
• 热力学第一定律（能量守恒定律） 热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能
或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
热力学的局限性
• 虽然热力学涉及系统间相互作用时的热能传输，且该传输在第一和第 二定律中极为重要，但热力学既不讨论传热的机理，也不讨论传热速 率的计算方法。
• 热力学讨论的是物质的平衡态，而平衡态必不存在温度梯度，虽然热 力学可以确定一个系统从一个平衡态到另一个平衡态所需的热能，但 热力学不去理会传热在本质上就是非平衡过程。
2
对于规定了的温度和波长，不存在能比黑体发射更多能量的表面。
虽然黑体所发射的辐射是温度和波长的函数，但它与方向无关，
3
也即黑体是漫发射体。
作为理想的吸收体和发射体，黑体具有标准体的作用， 4 可用作比较实际表面的辐射性质。
（3）表面发射能量的速率；发射率
表面发射的辐射源自以表面 为界限的内部物质的热能。
表面的几何形状
h
f
边界层内的条件
=f
界面的特性
流体的运动特性 层流、湍流、相态等
流体的热力学和输运特性
任何关于对流的研究都归结为确定h的方法研究！
1.2 物理机理和速率方程-辐射
（1）热辐射是处于一定温度下的物质所发射的能量。
固体表面、液体和气体都可以 1 发射能量，我们重点讨论固体
表面的辐射。
qx
k(T ) dT dx
k
dT dx
(1.1)
一维平壁
1.2 物理机理和速率方程-对流
（1）表面与流体的相互作用——边界层的形成与发展
V.B.L
T.B.L
（2）对流的机理 分子随机运动（扩散）造成的能量传输
流体的整体或宏观运动形成的能量传输
这种双重作用下的传输，习惯上称为对流。
（3）对流的分类
Gabs G
1.6
关于吸收这件事
1 0 1 ，若表面是不透射的，部分投射会被反射；若表面是半透射的， 则部分投射可穿过。
2 虽然吸收和发射的辐射会分别增加和减少物质的热能（从而影响其温 度），但反射和透射的辐射对该能量没有影响。
3 表面的吸收率与投射辐射的特性及表面本身有关，因此一般意义上 不是性质或属性。表面对太阳辐射的吸收率可以不同于对炉墙发出 的辐射的吸收率。