中国矿业大学《传热学》2022-2023学年期末试卷

中国矿业大学2022～2023学年秋季学期2021级工程热力学/传热学专业《传热学》期末笔试试卷本科试题卷考试时间：120分钟(闭卷)院(系)：专业方向：班级：姓名：学号：一、选择题（每题2分，共20分）传热学是研究热量传递规律的科学，其基本理论主要包括哪几个方面？（）

A.热传导、热对流、热辐射

B.温度场、热流密度、热平衡

C.热力学第一定律、热力学第二定律

D.热量传递的微观机制、宏观表现在一维导热问题中，若导热系数λ为常数，且无内热源，则温度分布满足的微分方程是？（）

A.

dx2d2T​+λqv​​=0

B.

dxdT​+λAq​=0

C.

dx2d2T​=0

D.

dx2d2T​−λqv​​=0下列哪项不是影响对流换热系数的因素？（）

A.流体的物性

B.流体的流动状态

C.换热表面的几何形状

D.换热表面的材料密度热辐射的主要特性是什么？（）

A.需要介质传递

B.传递过程中能量不发生转化

C.辐射能与波长无关

D.以电磁波形式传递能量在稳态导热过程中，通过导热体的热量Q与哪些因素有关？（）

A.导热体的厚度

B.导热体的面积

C.导热体的温度差

D.以上都是下列关于热传导的说法中，错误的是？（）

A.热传导是固体中热量传递的主要方式

B.热传导过程中，热量从高温区传向低温区

C.热传导的速率与温度梯度成正比

D.热传导只能在同一物质中进行对流换热的基本方程式（牛顿冷却公式）表达了什么关系？（）

A.换热量与温差成正比

B.换热量与流体速度成正比

C.换热量与换热面积成正比

D.换热量与流体密度成正比在辐射换热中，黑体是指一个什么特性的物体？（）

A.对所有波长的辐射都有相同反射率的物体

B.对所有波长的辐射都有相同透射率的物体

C.对所有波长的辐射都有相同吸收率的物体

D.对所有波长的辐射都有相同发射率的物体复合换热是指哪几种换热方式的组合？（）

A.热传导与热对流

B.热传导与热辐射

C.热对流与热辐射

D.热传导、热对流与热辐射下列哪种情况属于非稳态导热？（）

A.导热体内各点温度随时间变化

B.导热体内各点温度不随时间变化

C.导热体内温度分布均匀

D.导热体内无热源二、填空题（每题1分，共10分）传热学是研究______、______和______三种基本热量传递方式的科学。在一维导热问题中，若导热系数λ为常数，且物体内部有均匀分布的热源，则温度分布满足的微分方程是______。对流换热系数h表示的是______与______之间的换热强度。热辐射与热传导、热对流的主要区别在于，热辐射______（需要/不需要）介质来传递能量。在稳态导热过程中，通过平板的热量Q可以用公式______来计算。傅里叶定律描述了______与______之间的关系。牛顿冷却公式中的对流换热系数h与______、______等因素有关。黑体对所有波长的辐射都有相同的______率。在复合换热中，如果热传导和热对流同时存在，则总的换热系数应该用______来计算。非稳态导热过程中，导热体内各点的温度______（是/不是）随时间变化的。三、判断题（每题1分，共10分）传热学只研究热量在固体中的传递规律。（）在一维导热问题中，若导热系数λ为常数，则温度分布一定是线性的。（）对流换热系数h越大，表示换热效果越好。（）热辐射只能发生在真空环境中。（）稳态导热过程中，通过导热体的热量Q与导热体的厚度成正比。（）傅里叶定律中的导热系数λ是物质的固有属性，与温度无关。（）牛顿冷却公式适用于所有对流换热情况。（）黑体对所有波长的辐射都有相同的吸收和发射能力。（）在复合换热中，如果热传导、热对流和热辐射同时存在，则总的换热效果是三者之和。（）非稳态导热过程中，导热体内各点的温度分布是随时间变化的。（）四、简答题（每题5分，共10分）请简述热传导、热对流和热辐射三种热量传递方式的基本原理及特点。什么是稳态导热和非稳态导热？请分别举例说明。五、计算题（每题10分，共20分）有一平板，厚度为0.05m，两侧表面温度分别为100°C和50°C，导热系数为50W/(m·K)，且平板内无内热源。请计算通过平板的热量Q。有一圆管，内壁温度为80°C，外壁温度为30°C，圆管长度为2m，导热系数为35W/(m·K)，且圆管内流体处于湍流状态，对流换热系数h可通过经验公式h=0.023*λ*(Re0.4)计算（其中Re为雷诺数，取10000；Pr为普朗特数，取0.7），圆管内径为0.1m。请计算圆管的对流换热系数h，并据此计算通过圆管的热量Q（假设圆管外壁绝热，只考虑内壁与流体间的换热）。六、分析题（每题5分，共10分）分析导热系数λ对一维导热问题中温度分布的影响，并解释其原因。在对流换热过程中，为什么流体的流动状态（层流或湍流）对换热系数h有显著影响？七、论述题（10分）请论述热辐射在工业生产中的应用及其重要性，并举例说明。八、综合应用题（10分）某工厂需要设计一个换热器，用于将高温流体的热量传递给低温流体。请结合传热学的基本原理，提出一个合理的换热器设计方案，并说明其工作原理及优点。中国矿业大学2022～2023学年秋季学期2021级工程热力学/传热学专业《传热学》期末笔试试卷本科答案一、选择题答案：A解析：传热学主要研究热量传递的规律，包括热传导、热对流和热辐射三种基本方式。这三种方式分别描述了热量在固体、流体以及通过电磁波在空间中的传递过程。答案：D解析：在一维导热问题中，若导热系数λ为常数，且无内热源，则温度分布满足的微分方程是dx2d2T​−λqv​​=0。但由于题目中明确指出无内热源，即qv​=0，因此方程简化为dx2d2T​=0。然而，选项中并没有这个简化后的方程，考虑到可能是题目表述的简化意图，我们选择最接近的选项D，它包含了qv​项，只是在实际应用中该项会为零。严格来说，这个题目可能存在表述上的小瑕疵，但按照题目的意图和选项的设置，D是最合适的答案。答案：D解析：对流换热系数h受多种因素影响，包括流体的物性（如密度、黏度、导热系数等）、流体的流动状态（层流或湍流）、换热表面的几何形状（如平板、圆管等）以及流体与换热表面之间的相互作用。而换热表面的材料密度主要影响的是热传导过程，对对流换热系数的影响较小。答案：D解析：热辐射是以电磁波的形式传递能量的，它不需要介质来传递。这与热传导和热对流不同，后两者都需要通过物质（固体、液体或气体）来传递热量。答案：D解析：在稳态导热过程中，通过导热体的热量Q与导热体的厚度、面积以及温度差都有关。具体来说，Q可以表示为Q=λAδΔT​，其中λ是导热系数，A是导热体的面积，ΔT是温度差，δ是导热体的厚度。答案：D解析：热传导是热量在物质内部从高温区传向低温区的过程，它可以在同一物质中进行，也可以在不同物质之间通过接触传递。因此，选项D中的说法“热传导只能在同一物质中进行”是错误的。答案：A解析：对流换热的基本方程式（牛顿冷却公式）Q=hAΔT表达了换热量Q与温差ΔT成正比的关系。其中h是对流换热系数，A是换热面积。这个公式描述了流体与固体表面之间的换热过程。答案：C解析：黑体是一个理想化的物体，它对所有波长的辐射都有相同的吸收率，且吸收率等于1。这意味着黑体能够吸收所有投射到它上面的辐射能量，而不发生反射和透射。因此，黑体是一个重要的物理概念，在辐射换热分析中有着广泛的应用。答案：D解析：复合换热是指热传导、热对流和热辐射三种换热方式同时存在的情况。在实际工程中，这种情况是很常见的。因此，需要综合考虑这三种换热方式的影响，以确定总的换热效果。答案：A解析：非稳态导热过程中，导热体内各点的温度是随时间变化的。这与稳态导热过程不同，在稳态导热过程中，导热体内各点的温度是不随时间变化的。非稳态导热过程通常发生在热源或冷源发生变化、或者导热体的边界条件发生变化的情况下。二、填空题答案：热传导、热对流、热辐射答案：dx2d2T​+λqv​​=0（注意：这里qv​表示内热源强度，若题目中明确指出无内热源，则方程应简化为dx2d2T​=0）答案：流体与固体表面之间、换热强度答案：不需要答案：Q=λAδΔT​（或简化为Q=kAΔT/L，其中k为导热系数与厚度的比值，A为面积，ΔT为温差，L为厚度或长度）答案：导热系数（或导热率）、温度梯度（或热流密度）答案：流体的物性、流动状态（或流速）、换热表面的几何形状（或粗糙度）等答案：吸收（或发射，因为对于黑体来说，吸收率等于发射率）答案：适当的换热系数计算公式（如并联时取两者之和的倒数作为总换热系数的倒数，串联时取两者之和作为总换热系数；具体公式根据实际情况而定）答案：是三、判断题传热学只研究热量在固体中的传递规律。（×）传热学研究热量在固体、液体和气体中的传递规律，不仅限于固体。在一维导热问题中，若导热系数λ为常数，则温度分布一定是线性的。（×）在一维导热问题中，若导热系数λ为常数且无内热源，温度分布才是线性的。若存在内热源，温度分布可能不是线性的。对流换热系数h越大，表示换热效果越好。（√）对流换热系数h是衡量对流换热强弱的物理量，h越大表示在相同的温差下，单位时间内通过单位面积的热量越多，即换热效果越好。热辐射只能发生在真空环境中。（×）热辐射是电磁波的传播过程，不需要介质，可以在真空中进行，也可以在非真空环境中发生。稳态导热过程中，通过导热体的热量Q与导热体的厚度成正比。（×）在稳态导热过程中，若导热系数和温度差一定，且导热体为平板，则通过导热体的热量Q与导热体的厚度成反比（因为厚度增加导致热阻增大）。若导热体形状或条件改变，这个关系可能不成立。傅里叶定律中的导热系数λ是物质的固有属性，与温度无关。（×）傅里叶定律中的导热系数λ通常是物质的固有属性，但也可能随温度的变化而变化，特别是在高温或低温条件下。牛顿冷却公式适用于所有对流换热情况。（×）牛顿冷却公式适用于物体表面与流体之间对流换热的情况，且假设物体表面温度与流体温度相差不大，流体流动状态稳定且物体形状简单。在复杂或特殊的对流换热情况下，牛顿冷却公式可能不适用。黑体对所有波长的辐射都有相同的吸收和发射能力。（√）黑体是一个理想化的物理模型，它能够吸收所有投射到它上面的辐射能量，并且对所有波长的辐射都有相同的吸收和发射能力。在复合换热中，如果热传导、热对流和热辐射同时存在，则总的换热效果是三者之和。（×）在复合换热中，如果热传导、热对流和热辐射同时存在，且它们之间相互独立（即没有相互影响或耦合作用），则总的换热效果可以看作是三者之和。但在实际情况中，这三种换热方式之间往往存在相互影响和耦合作用，因此总的换热效果可能不是简单的三者之和。非稳态导热过程中，导热体内各点的温度分布是随时间变化的。（√）非稳态导热过程是指导热体内各点的温度随时间而变化的导热过程。在非稳态导热过程中，导热体内各点的温度分布确实是随时间变化的。四、简答题请简述热传导、热对流和热辐射三种热量传递方式的基本原理及特点。热传导：热量通过物体内部微观粒子的相互碰撞和传递而实现。特点：热量传递方向与温度梯度方向相反；传递速率与温度梯度成正比；在固体中最为显著。热对流：由于流体（液体或气体）的宏观运动而引起的热量传递。特点：热量传递方向与流体运动方向相同或相反；在自然界和工业生产中都非常常见。热辐射：热量以电磁波的形式在空间传播。特点：热量传递不需要介质；传递速率与温度的四次方成正比（根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律）；在太阳辐射、地球辐射以及工业加热和冷却过程中都起着重要作用。什么是稳态导热和非稳态导热？请分别举例说明。稳态导热：指导热体内各点的温度不随时间而变化的导热过程。在稳态导热过程中，热量传递的速率是恒定的，且导热体内各点的温度分布也是恒定的。例如，在冬天使用电热毯时，当电热毯达到稳定工作状态后，其内部的温度分布就是稳态导热的例子。非稳态导热：指导热体内各点的温度随时间而变化的导热过程。在非稳态导热过程中，热量传递的速率和导热体内各点的温度分布都是随时间变化的。例如，在加热一个金属棒时，金属棒内部的温度会随着加热时间的增加而逐渐升高，这就是非稳态导热的例子。五、计算题根据傅里叶定律，通过平板的热量Q可以表示为Q=(λ*A*ΔT)/δ，其中A为平板面积（此题未给出具体数值，假设为1m²进行计算），ΔT为温度差，即T1-T2=50°C，λ为导热系数50W/(m·K)，δ为平板厚度0.05m。代入数值计算得：Q=(50*1*50)/0.05=50000W。首先计算对流换热系数h：h=0.023*λ*(Re0.4)

=0.023*35*(100000.4)

≈250W/(m²·K)然后计算通过圆管的热量Q：Q=h*A*ΔT其中A为圆管内壁面积，A=π*d*L=π*0.1*2≈0.63m²（d为圆管内径），ΔT为温度差，即T1-T2=50°C。代入数值计算得：Q=250*0.63*50=7875W六、分析题分析导热系数λ对一维导热问题中温度分布的影响，并解释其原因。答案：导热系数λ是描述材料导热性能的重要参数，它表示单位时间内，单位温度梯度下，通过单位面积所传递的热量。在一维导热问题中，导热系数λ对温度分布有着显著的影响。当导热系数λ较大时，意味着材料的导热性能较好，热量能够更快地传递，因此温度分布会更加均匀。相反，当导热系数λ较小时，材料的导热性能较差，热量传递速度较慢，温度分布的不均匀性会更加明显。这是因为导热系数λ决定了热量在材料中的传递速率。当λ较大时，热量能够更快地从一个区域传递到另一个区域，从而减小了温度差异。而当λ较小时，热量传递受阻，温度差异会增大。在对流换热过程中，为什么流体的流动状态（层流或湍流）对换热系数h有显著影响？答案：对流换热是流体与固体表面之间的热量传递过程。在这个过程中，流体的流动状态（层流或湍流）对换热系数h有着显著的影响。层流状态下，流体流动平稳，流速较低，流体与固体表面之间的换热主要通过热传导方式进行。此时，换热系数h相对较小，换热效果有限。而在湍流状态下，流体流动剧烈，流速较高，流体与固体表面之间的换热不仅通过热传导方式进行，还通过流体微团的混合和扰动作用进行。这种混合和扰动作用能够破坏流体与固体表面之间的热边界层，从而增强换热效果。因此，在湍流状态下，换热系数h会显著增大。七、论述题请论述热辐射在工业生产中的应用及其重要性，并举例说明。答案：热辐射是热量以电磁波的形式在空间中传递的过程。在工业生产中，热辐射有着广泛的应用和重要的地位。首先，热辐射是高温设备热量传递的主要方式之一。例如，在钢铁冶炼、玻璃制造等高温工业中，设备表面温度极高，热量主要通过热辐射的方式传递给周围环境。因此，合理设计和利用热辐射对于提高设备效率、降低能耗具有重要意义。其次，热辐射在热工测量和自