材料科学工程精品课件

1、材料科学工程课件1第1页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1 概 述1.传热学 传热学是研究热量传递规律的学科，其基础为热力学第一定律(能量守恒与转化)和热力学第二定律（熵增原理）。2第2页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.1.1 热量传递过程1 ）稳态传热过程（定常过程） 凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。2 ）非稳态传热过程（非定常过程） 与稳态传热过程相反。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热过程。 3第3页，共48页，2022年，5月

2、20日，22点31分，星期四(1) 日常生活中的例子：1.1.2 应用举例B 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，如何解释其道理？玻璃越厚越好？A 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？4第4页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四(2) 在材料技术领域大量存在传热问题5第5页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四() 在材料技术领域存在节能问题6第6页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.2 热量传递的三种基本方式 1.2.1 导热（热传导） 1 、概念 定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及

3、自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。 7第7页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四导热机理：气体分子不规则运动时相互碰撞；导电固体自由电子（良的电导体也是好的热导体）；非导电固体晶格振动产生的弹性波；液体兼有气体和非导电固体的机理。8第8页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四式中 为热导率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。 1 ）傅立叶定律（ 1822 年，法国物理学家） t1t2（1-1）2 、导热的基本规律傅立叶在解该方程时发现了著名的傅立叶级数9第9页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四说

4、明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（ 1-1 ）、（ 1-2 ）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。（1-2）10第10页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四说明：导热系数 表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，与材料的种类和温度有关，单位： w/mk 。 KKK11第11页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四12第12页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四傅立叶Fourier (公元1768年1830年),法国数学家、物理学家。法国拿破仑时代的高级官员。主要贡献是在研究热的传播时创立了一套数学理论。后期致力于传热理论，18

5、07年提交了234页的论文热的解析理论，但直到1822年才出版。13第13页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四例题 有三块分别由纯铜（热导率1=398W/(mK)）、黄铜（热导率2=109W/(mK)）和碳钢（热导率3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都为10mm，两侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 50不变，试求通过每块平板的导热热流密度。解： 这是通过大平壁的一维稳态导热问题。 14第14页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四15第15页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四对于黄铜板 对于碳钢板 对于纯铜板16第16页

6、，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.2.2 对流1 、基本概念 1) 对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。17第17页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。区别概念：热对流和对流换热对流换热包括热对流和导热。自然界不存在单一的热对流，热对流必然伴随着导热18第18页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2 、对流换热的分类 有无相变无相变对流换热有相变对流换热沸腾换热凝结换热对流引起的原因自然对流强制对

7、流19第19页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3 、对流换热的基本规律 流体被加热时： 流体被冷却时：（1-3）（1-4）Q20第20页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 其中 比例系数（表面传热系数） 单位 。 （1-5）（1-6）如果把温差（亦称温压）记为 ，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可表示为21第21页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四的物理意义：单位温差作用下通过单位面积的热流量。 表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速、换热有无相变有

8、关。 22第22页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四、对流换热研究的基本任务 用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。 K23第23页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四例题1-2 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw = 50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW

9、的电暖气。 24第24页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.2.3 热辐射 2 ）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。 1、基本概念 1 ）辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。25第25页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3 ）导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化

10、。 26第26页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。27第27页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。 28第28页，共48页，20

11、22年，5月20日，22点31分，星期四2 、热辐射的基本规律： 所谓绝对黑体（lack body）：把吸收率等于 1 的物体称黑体，是一种假想的理想物体。 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩玻耳兹曼(Stefan Boltzmann)定律。29第29页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四（1-7）其中 Eb绝对黑体辐射力，W/m2； T 黑体的热力学温度 K ； 斯忒潘玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为5.6710-8 W/m2.k4。黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩玻耳兹曼定律，即 30第30页，共48页，2022年，5月2

12、0日，22点31分，星期四实际物体：物体包容在一个无限大的空腔内，则二表面辐射换热为：（1-7）（1-）31第31页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.3 传热过程和传热系数 1.3.1 传热过程 1 、概念 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。 32第32页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2 、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即： 热流体、热辐射 壁面高温侧； 壁面高温侧 壁面低温侧； 壁面低温侧 冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。 导热对流辐射对流33第33页，共48页，202

13、2年，5月20日，22点31分，星期四（a）（b）（c）稳态传热，传热环节有三种情况，其热流量分别为： 3 、传热过程的计算 34第34页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四将式（a）、（b）、（c）改写成温差的形式：（d）（e）（f）35第35页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四也可以表示成: 式中， 称为传热系数，单位为 。 （1-10）（1-11）三式相加，整理可得:36第36页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.3.2 传热系数1 、概念 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。它等于冷热流体间温差 ， 传热面积 时热流量的

14、值。 影响因素： 参与传热过程的两种流体的种类； 传热过程是否有相变37第37页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四传热系数的表达式为: 或 传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成。38第38页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.4 热阻分析类比方法对各种转移过程的规律进行分析与比较，充分揭示出相互之间的类同之处，并相互应用各自分析的结论，是研究转移过程的一种行之有效方法。热电类比（热阻分析）是传热学常用的研究方法：即将电学中的欧姆定律及电学中电阻的串并联理论应用于传热学热量传递现象的研究。39第39页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，

15、星期四热路与电路的相似性40第40页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四、热阻1）热阻定义：热转移过程的阻力称为热阻。2）热阻分类：不同的热量转移有不同的热阻，其分类较多，如：导热阻、辐射热阻、对流热阻等。对平板导热而言又分：面积热阻RA：单位面积的导热热阻。热阻R：整个平板导热热阻。 41第41页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3）热阻的特点 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，若通过各串联环节的热流量相同，则串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。 42第42页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四、导热热阻单位面积平壁的导热热阻面积为的平壁，导热热阻43第43页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四、对流换热热阻单位壁表面积上的对流换热热阻：对于面积为的平壁，对流换热热阻为44第44页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四单位面积的传热热阻： k越大，传热越好；热阻越小，传热越好45第45页，共48页，2022年，5月20日，22点31分，星期四例题1-3、一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(mK) ，冬季室外空气温度为tf2=-10, 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)，室内空气温度为tf1= 25,