第四版?zhèn)鳠釋W(xué)課后習(xí)題答案

1、第一章第一章思考題思考題1試用簡(jiǎn)練的語(yǔ)言說(shuō)明導(dǎo)熱、對(duì)流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。答：答：導(dǎo)熱和對(duì)流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導(dǎo)熱；對(duì)流則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對(duì)位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對(duì)流換熱的同時(shí)必然伴生有導(dǎo)熱。導(dǎo)熱、對(duì)流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而輻射可以在真空中傳播，輻射換熱時(shí)不僅有能量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。2以熱流密度

2、表示的傅立葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩－玻耳茲曼定律是應(yīng)當(dāng)熟記的傳熱學(xué)公式。試寫(xiě)出這三個(gè)公式并說(shuō)明其中每一個(gè)符號(hào)及其意義。答：答：①傅立葉定律：dxdtq???，其中，q－熱流密度；?－導(dǎo)熱系數(shù)；dxdt－沿x方向的溫度變化率，“－”表示熱量傳遞的方向是沿著溫度降低的方向。②牛頓冷卻公式：)(fwtthq??，其中，q－熱流密度；h－表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；wt－固體表面溫度；ft－流體的溫度。③斯忒藩－玻耳茲曼定律：4Tq??，其中，q－熱流密

3、度；?－斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)；T－輻射物體的熱力學(xué)溫度。3導(dǎo)熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及傳熱系數(shù)的單位各是什么？哪些是物性參數(shù)，哪些與過(guò)程有關(guān)？答：答：①導(dǎo)熱系數(shù)的單位是：W(m.K)；②表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的單位是：W(m2.K)；③傳熱系數(shù)的單位是：W(m2.K)。這三個(gè)參數(shù)中，只有導(dǎo)熱系數(shù)是物性參數(shù)，其它均與過(guò)程有關(guān)。4當(dāng)熱量從壁面一側(cè)的流體穿過(guò)壁面?zhèn)鹘o另一側(cè)的流體時(shí)，冷、熱流體之間的換熱量可以通過(guò)其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)計(jì)算（過(guò)程是穩(wěn)態(tài)的），但本章

4、中又引入了傳熱方程式，并說(shuō)它是“換熱器熱工計(jì)算的基本公式”。試分析引入傳熱方程式的工程實(shí)用意義。答：答：因?yàn)樵谠S多工業(yè)換熱設(shè)備中，進(jìn)行熱量交換的冷、熱流體也常處于固體壁面的兩側(cè)，是工程技術(shù)中經(jīng)常遇到的一種典型熱量傳遞過(guò)程。5用鋁制的水壺?zé)_(kāi)水時(shí)，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無(wú)恙。而一旦壺內(nèi)的水燒干后，水壺很快就燒壞。試從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)分析這一現(xiàn)象。答：答：當(dāng)壺內(nèi)有水時(shí)，可以對(duì)壺底進(jìn)行很好的冷卻（水對(duì)壺底的對(duì)流換熱系數(shù)大），壺底的熱量被很快

5、傳走而不至于溫度升得很高；當(dāng)沒(méi)有水時(shí)，和壺底發(fā)生對(duì)流換熱的是氣體，因?yàn)闅怏w發(fā)生對(duì)流換熱的表面換熱系數(shù)小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底升溫很快，容易被燒壞。6用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會(huì)顯著地感到熱。試分析其原因。答：答：當(dāng)沒(méi)有攪拌時(shí)，杯內(nèi)的水的流速幾乎為零，杯內(nèi)的水和杯壁之間為自然對(duì)流換熱，自熱對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，當(dāng)快速攪拌時(shí)，杯內(nèi)的水和杯壁之間為強(qiáng)制對(duì)流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，熱水有更

6、多的熱量被傳遞到杯壁的外側(cè)，因此會(huì)顯著地感覺(jué)到熱。7什么是串聯(lián)熱阻疊加原則，它在什么前提下成立？以固體中的導(dǎo)熱為例，試討論有哪些情況可能使熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。答：答：在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過(guò)程中，如果通過(guò)每個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的和。例如：三塊無(wú)限大平板疊加構(gòu)成的平壁。例如通過(guò)圓筒壁，對(duì)于各個(gè)傳熱環(huán)節(jié)的傳熱面積不相等，可能造成熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。8.有兩個(gè)外形相同的

7、保溫杯A與B，注入同樣溫度、同樣體積的熱水后不久，A杯的外表面就可以感覺(jué)到熱，而B(niǎo)杯的外表面則感覺(jué)不到溫度的變化，試問(wèn)哪個(gè)保溫杯的質(zhì)量較好？答：Ｂ：杯子的保溫質(zhì)量好。因?yàn)楸睾玫谋訜崃繌谋觾?nèi)部傳出的熱量少，經(jīng)外部散熱以后，溫度變化很小，因此幾乎感覺(jué)不到熱。能量平衡分析能量平衡分析11夏天的早晨，一個(gè)大學(xué)生離開(kāi)宿舍時(shí)的溫度為20℃。他希望晚上回到房間時(shí)的溫度能夠低一些，于是早上離開(kāi)時(shí)緊閉門(mén)窗，并打開(kāi)了一個(gè)功率為15W的電風(fēng)扇，該房間的

8、長(zhǎng)、寬、高分別為5m、3m、2.5m。如果該大學(xué)生10h以后回來(lái)，試估算房間的平均溫度是多少？解：解：因關(guān)閉門(mén)窗戶后，相當(dāng)于隔絕了房間內(nèi)外的熱交換，但是電風(fēng)扇要在房間內(nèi)做工產(chǎn)生熱量：為J54000036001015＝??全部被房間的空氣吸收而升溫，空氣在20℃時(shí)的比熱為：1.005KJKg.K密度為KWtAQ2.7513.0)50520(2004.1?????????每天用煤dKg9.3101009.22.753600244????11

9、1夏天，陽(yáng)光照耀在一厚度為40mm的用層壓板制成的木門(mén)外表面上，用熱流計(jì)測(cè)得木門(mén)內(nèi)表面熱流密度為15Wm2。外變面溫度為40℃，內(nèi)表面溫度為30℃。試估算此木門(mén)在厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。解：解：??tq??，).(06.0304004.015KmWtq????????112在一次測(cè)定空氣橫向流過(guò)單根圓管的對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)中，得到下列數(shù)據(jù)：管壁平均溫度tw=69℃，空氣溫度tf=20℃，管子外徑d=14mm，加熱段長(zhǎng)80mm，輸入加熱段的功率8

10、.5w，如果全部熱量通過(guò)對(duì)流換熱傳給空氣，試問(wèn)此時(shí)的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)多大？解：解：根據(jù)牛頓冷卻公式??fwttrlhq???2所以??fwttdqh???＝49.33W(m2.k)113對(duì)置于水中的不銹鋼束采用電加熱的方法進(jìn)行壓力為1.013Pa510?的飽和水沸騰換熱實(shí)驗(yàn)。測(cè)得加熱功率為50W，不銹鋼管束外徑為4mm，加熱段長(zhǎng)10mm，表面平均溫度為109℃。試計(jì)算此時(shí)沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：解：根據(jù)牛頓冷卻公式有tAh???

11、2.4423?????tAhW(m2.K)114一長(zhǎng)寬各為10mm的等溫集成電路芯片安裝在一塊地板上，溫度為20℃的空氣在風(fēng)扇作用下冷卻芯片。芯片最高允許溫度為85℃，芯片與冷卻氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為175W(m2.K)。試確定在不考慮輻射時(shí)芯片最大允許功率時(shí)多少？芯片頂面高出底板的高度為1mm。解：解：????????????????001.001.0401.001.0.1752maxKmWthA(85℃20℃)＝1.5925W115

12、用均勻的繞在圓管外表面上的電阻帶作加熱元件，以進(jìn)行管內(nèi)流體對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)，如附圖所示。用功率表測(cè)得外表面加熱的熱流密度為3500W2m；用熱電偶測(cè)得某一截面上的空氣溫度為45℃，內(nèi)管壁溫度為80℃。設(shè)熱量沿徑向傳遞，外表面絕熱良好，試計(jì)算所討論截面上的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圓管的外徑為36mm，壁厚為2mm。解：解：由題意3500W????rlhRlm??222（80℃45℃）又r==(182)mm=16mm5.112??hW(m2.K)1

13、16為了說(shuō)明冬天空氣的溫度以及風(fēng)速對(duì)人體冷暖感覺(jué)的影響，歐美國(guó)家的天氣預(yù)報(bào)中普遍采用風(fēng)冷溫度的概念（windchilltemperature）。風(fēng)冷溫度是一個(gè)當(dāng)量的環(huán)境溫度，當(dāng)人處于靜止空氣的風(fēng)冷溫度下時(shí)其散熱量與人處于實(shí)際氣溫、實(shí)際風(fēng)速下的散熱量相同。從散熱計(jì)算的角度可以將人體簡(jiǎn)化為直徑為25cm、高175cm、表面溫度為30℃的圓柱體，試計(jì)算當(dāng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為??KmW215時(shí)人體在溫度為20℃的靜止空氣中的散熱量。如果在一個(gè)有風(fēng)的日

14、子，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加到??KmW250，人體的散熱量又是多少？此時(shí)風(fēng)冷溫度是多少？輻射輻射117有兩塊無(wú)限靠近的黑體平行平板，溫度分別為21TT。試按黑體的性質(zhì)及斯藩玻爾茲曼定律導(dǎo)出單位面積上輻射換熱量的計(jì)算式。（提示：無(wú)限靠近意味著每一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。）解：解：由題意411Tqf??422Tqf??兩板的換熱量為)(4241TTq???118宇宙空間可近似地看成為0K的真空空間。一航天器在太空中飛行，其外表面平均溫