工程传热传质学 （上册 第二版）

第1章导论
§1-1传热传质学的研究对象和方法
传热传质学是研究由于有温度差异所引起的能量传递过程？包括有“相变”时的相际传递和多组分物系因组分分布不均匀的浓度差异伴随发生物质迁移现象的一门科学？
差异就是矛盾，当物体内部或物系之间出现温度差异，或者温度不相同的物体彼此接触时，就有了相对比较“热”和“冷”的矛盾双方，总会发生热量从温度较高区传往温度较低区的传递过程，常称之为“传热”？所传递的热量，无法直接看到，但所产生的效应是可被观察和测定的？体积不变时的物体得到或传出热量，将引起“内能”的增减，反映为温度的升降，或者产生“相”和凝聚态的变化？自发的传热，永远使对立的冷？热双方各自向自己的反面转化:原先温度比较高的，因传走热量而逐渐被冷却;原先温度比较低的，则因得到热量而逐渐被加热？这样，随着相互之间温度差异的缩小，最终将建立起温度一致的“平衡”状态？如果想维持某部分的温度高于另一部分的温度，就必须从外界不断向温度高的那部分补充所传走的热量，并从温度低的那部分取走所传入的热量？
传热，当然包括热量传递同时，出现能量形式之间转化的更复杂的过程？例如，高速气流对固体表面的“气动加热”效应，电机电器的通电发热，电光源在白炽高温下的辐射热，化学反应总伴随着吸热或者放热等，所传递的热量就来源于机械能？电能？光能？化学能等其他形式的能量转化为内部分子随机“热运动”形式的热能？因此，广义的传热学可被看做是“能量传递学”？而研究热和其他形式能量之间相互转化的科学分支是“热力学”？这表明:传热过程必须遵守热力学第一定律和热力学第二定律这两个自然规律？热力学第一定律所阐明的，是运动不灭？能量守恒和可转化的自然法则，任何传热过程决不能违背能量收支平衡的原则？热力学第二定律指出自然界的过程总是有条件进行的，传热只能从温度较高处传往温度较低处，引起“熵”增和能量可用性的损失[1，2]？热力学把传热量和功量(包括机械功？电功等)作为“转移能”而与宏观的位能？动能？内能的作为“储存能”明确区别开来？转移能是由过程前后储存能的改变转化来的？但是，经典热力学只限于研究“平衡态”和保持动平衡的“可逆过程”？而热量传递的过程是温度不平衡的结果，是典型的不可逆过程，必须由另一个学科分支对传热的快慢程度进行定量分析和计算，这个学科分支就是“传热学”？具体地说，如果不发生能量形式的转化，单纯传热过程的外传热量将是过程前后的内能差与功量的代数和？这种热力学分析，既不涉及传热的机理，也不涉及外传热量所需时间的长短？温差越大，传热越快，引起能量可用性的损失越多？专门研究传热的规律，计算给定条件下的传热速率和“热流量”①的大小，是传热学的任务？传热学和热力学，是理解各种热物理现象的理论基础，也是创新热利用和热管理技术及其经济性分析的重要依据？
在现代工程设计和运行中，经常遇到有关加热/冷却？蒸发/凝结？熔化/凝固？隔热保温等各种各样的实际问题？例如，热工和化工技术人员在评价锅炉？制冷机？换热器和反应器的设备大小？能力和技术经济指标时，就必须进行详尽的传热分析？一些工作在高温气氛下的部件，如燃气轮机的透平叶片和燃烧室壁，能否在设计工况下长期正常运行，取决于保护金属结构材料的冷却措施是否合适可靠，还需重视热应力和由此引起的形变等问题？许多新兴技术装备，如原子反应堆的堆芯？大功率火箭的喷管？紧密的电子器件？重返地面的宇宙飞行器等，要使设计和运行安全可靠，必须严密控制传热情况以维持合理的预期工作温度？而对连续工作的电机？变压器和轴承，同样要防止因超温过热而损伤设备？在机械制造工艺方面，不仅热加工直接牵涉到温度分布和随时间变动速率的控制问题，精密机床的切削速度也会引起刀具和加工件的发热并影响加工精度和刀具寿命？建筑部门将遇到围护结构的隔热保温？大型混凝土结构在快速浇灌中出现热应力等技术问题？列举的所有传热问题可归纳为两种类型:一类着眼于传热速率的大小及其控制问题，或者增强传热以缩小设备尺寸或提高生产能力，或者削弱传热以避免散热损失或保持设备内部低于周围环境温度;另一类着眼于温度分布及其控制问题？控制传热，必须按照客观规律，分析传热的具体情况，找出有效的控制措施？有关高温部件保护性冷却的进展，使传热与传质紧密地结合起来，传热学逐渐引申为传热传质学？
像其他工程科学一样，工程传热传质学也需要在解决实际问题时作出适当的假定和简化条件？对工程研究来说，通常不可能完全确切地描写实际现象的一切方面，总要扬弃某些次要方面，作出近似化的处理？这可以运用“数量级”分析的方法，暂时先忽略那些影响程度相对很小的因素，使复杂的问题基本得到解决而又保证必要的准确性？当然，在表达这种最后的解答时，一定要强调所依据的假定和近似假设条件？物质的热力学性质和传递性质(或叫“迁移性质”)，往往随温度改变，如果选定适宜的平均值并取作常量处理，传热速率的计算将大为简化，不会引起最终结果的明显误差？例如，固体受热时，体积膨胀所做的功，相对于内能的增加，总可被忽略不计;气体分子的间距虽比固体和液体的都大，除非压力太低，气体过于稀薄，分子相互碰撞的“自由径”长度比起传热分析所考虑对象的几何尺寸来，仍然小到可以看做是“连续”介质？再例如，长期连续运行后，会使锅炉？换热器和反应器的受热面上结垢而削弱传热速率，需要在设计时引进合理的安全系数或预估垢层影响，免得运行一段时间后达不到铭牌出力？这种解决问题的简化和近似，需要从事设计和运行改进的科技人员具有一定的工作经验和细致考虑问题的能力？
自然界到处存在着温度差异，传热是一种非常普遍的自然现象？但是，传热又有它复杂的一面，可以有不同的基本方式;传热速率并不由单一的关系式所决定，而是不同的方式分别受不同物理定律的制约？所以，尽管人们基于对热与冷的现象本质的追究，很早就开始摸索传热的规律性，但传热学单独形成一门系统的科学，却只有一个世纪的历史？理论的基础是实践，又转过来为实践服务？随着科学技术的日新月异，特别在原子能和其他新能源的开发利用？宇宙航行等尖端技术方面不断出现新的传热和隔热等关键问题，促使传热学得到越来越迅速的发展？电子计算机的逐步普及，计算和测试技术的继续改进，也正在丰富传热传质研究的手段，从而加速传热传质研究的进展？
本章作为全书的总纲性导论，在随后几节中将扼要介绍传热的基本方式，给出有关的定义和最基本的概念，以便由浅入深？由简单到复杂，相互联系地分章讨论时，不会看不到全局而损害对整体的考虑？既重视本质性的基础分析，也适当展示应用的发展趋势性，提供相关的资料信息？
§1-2传热的基本方式
在传热文献里，通常认为传热可有三种不同的基本方式:“热传导”？“热对流”和“热辐射”？
“热传导”简称“导热”，是指温度不同的各部分物质仅仅由于直接接触，没有相对宏观运动时所发生的能量传递现象？导热是物质的本能？如果追根究底，根据分子运动论，温度是物质热运动激烈程度的衡量，只要物体内部温度分布不均匀，不同地点微观粒子的动能就不会相等，通过气体中分子或原子彼此碰撞？液体和不导电固体(介电质)中弹性波的作用，或者在金属中还依靠自由电子从温度较高区向较低区的扩散而引起能量的传播？
“热对流”是指流体(气体或液体)中温度不同部分相互混合的宏观对流运动引起热量传递的现象？流体温度分布不均匀时，也将本能地产生导热？因此，热对流总和流体的导热同时发生，原则上可以看做是流体流动时的导热？工程上最具有实际意义的是相对运动着的流体与所接触的固体壁面之间的热量交换，一般称为“对流换热”，简称“放热”或“给热”过程？无论“放热”或“给热”都不过是一种技术名词，用来泛指流体与壁面之间温度较高的一方把热量传给温度较低的另一方？此时，流体的运动情况将主要影响热对流作用的有效性？研究对流传热，总离不开流体的导热和流体力学的基础性考虑？
“热辐射”是指物质对外发射波长0.1~100μm的“热射线”在空间传递能量的现象？波长从单色紫光的0.38μm到单色红光的0.76μm的部分热射线是人眼能分辨的可见光，波长超过0.76μm的射线是红外线，而波长短于0.38μm的则是紫外线？习惯上，“辐射”常被用来概括电磁波的发射，电磁波所载运的能量就称为“辐射能”，是以光速推进？依靠光(量)子传递的能量，可以更形象地把发射电磁波当做对外发射射线的“能束”？热射线载运的辐射能则称为“辐射热”？太阳向地球表面辐射热量，就是典型的热辐射过程？其实，任何可见的物体都在连续向外发射辐射热，温度越高，不仅热辐射越强，而且辐射能量按波长分布的比重将越多地从红外转向可见光部分？例如，工程上最常遇到的是温度低于1500℃的热辐射，辐射能量绝大部分集中在红外部分，可见光和紫外部分所占的份额小到可忽略不计？正由于这个缘故，往往把热辐射看做是红外辐射？但是，太阳表面温度高达6000K左右，太阳辐射热总量1/3集中分布在可见光部分？可见光的辐射可直接观察，所以常用光辐射来对比理解热辐射现象？当热射线穿过空间，落在固体或流体表面时除了一部分能量将被表面反射以外，都将被表面薄层里密集的分子所吸收？金属的这个表面薄层厚度只有零点几微米，非导电体也不过零点几毫米？玻璃？石英之类的固体和多数液体对于可见光具有一定的透明性，对红外辐射同样表现为强烈的吸收性？可以认为:在一般密实固体内部和液体中不会有辐射热的传播？气体分子的自由径较大，容许热射线在分子之间的空隙里穿行，而热辐射可透过相当厚的气体层？
热辐射不同于导热和热对流，是不接触的传热方式，不依赖常规物质的中间媒介作用，是高度真空中唯一能传递能量的方式？两个不接触的物体表面，或者固体或液体表面与周围气体间的相互辐射和吸收，就构成“辐射换热”或“辐射传热”过程，引起净热量从温度较高的一方向温度较低的另一方转移？除非存在空气夹层或者气隙，在不透明的密实固体内部只能由导热传递热量？液体和气体各处的温度不一致时，除了流体(液体或气体)层非常薄以外，总会在发生导热的同时，因密度的差异出现“自然对流”？气体中，还可以有热辐射起作用？无论导热？对流换热或辐射换热，都需要有传热温差，这是它们的共性？工程上常遇到的传热过程，往往是导热？热对流和热辐射三种方式的具体组合？例如，对于现代工业企业里最常见的各种换热器，让温度不同的两种流体(气体或液体)在器内流过时，为了防止它们彼此混杂而用固体壁隔开，这样，从进口到出口，热流体传热给冷流体的结果是热流体被冷却，而冷流体则被加热？在图1-2-1示意的热流体传热给冷流体的整个过程中，实际上包含三个串联的阶段:热流体与固体壁面左侧表面之间的对流换热;固体壁内部的导热;固体壁右侧表面与冷流体之间的对流换热？当流体不是液体而是气体时，壁面和气体之间既可以依靠对流换热，还可以因壁面发射和吸收热射线而出现辐射换热？若热流量Q①不随时间改变，则称换热的工况“稳定”？此时，热流量Q也必须沿途成为常量？因为左侧传给壁面的热流量Q1若与右侧从壁面传走的热流量Q2不相等时，固体壁就会蓄积或者损失热量，表现为壁温的升降，从而改变壁和两侧流体之间的温差，不可能保持原有的热流量Q1和Q2稳定不变？
分析实际传热问题，不仅需要弄清楚哪些基本方式在起作用，还应搞清传热过程属于“稳定”还是“不稳定”②？工程传热问题很多属于工况“稳定”的类型？调节换热器的工况，改变热流体/冷流体的进口温度和流量时，或者把热处理件投入炉中加热升温所经历的是不稳定传热过程？这种随时间变动的热现象总是比稳定传热的现象复杂得多？一种特殊的情况是环境温度重复周期性地变化，当每一个周期都与前一个周期或后一个周期的发展过程完全相同时，就称其为“周期性传热”或“准稳定传热”过程？
参看图1-2-1，经验表明:在稳定工况下，每单位时间通过平壁所传递的“热流量”Q将正比于平壁两侧流体的温差(tf，1-tf，2)(℃)和平壁表面积F(m2)，或
式中，比例系数k以W/(m2？℃)③计，称为“传热系数”，代表两侧流体温度相差1℃时，单位时间每平方米传热面积所能传递的热量？若引进单位面积的“热流密度”(或“热流通量”，也可称为“热流强度”)q(W/m2)，即q=Q/

《工程传热传质学.上册》是为满足研究生培养需要而撰写的，《工程传热传质学.上册》共16章，分上？下两册？
  上册为第1~7章？第1章为《工程传热传质学.上册》总纲性导论，第2~7章系统深入地  阐明传热基本方式的导热？辐射传热和对流传热， 包括对流分析的理论基  础？注重明确的物理概念，并且严格地由过程的物理模型建立起相应的数学  模型，着重启示工程应用？分析研究的基本观点和演习数理方程的解法？
   下册为第8~16章？第8~15章主要介绍自然对流受迫对流换热，相变传热传质，多孔介质热？湿迁移，换热器的热计算，高速气流与稀薄气体的传热传质，微尺度传热传质？第16章对现代传热领域中一些专题进行介绍，着重考虑传热基本方式有机组合的分析原理？前后呼应，力求达到《工程传热传质学.上册》风格的统一？注意求实地介绍当前高新技术发展中的前沿性研究动态，以开阔视野？

第二版前言  
第一版(下册)前言  
第1章 导论    1
 §1-1 传热传质学的研究对象和方法   1
 §1-2 传热的基本方式   3
 §1-3 导热的基本定律和导热系数   6
 §1-4 对流换热和放热系数   12
 §1-5 热辐射的基本定律和辐射换热   15
 §1-6 稳定传热与电路模拟分析法   21
 §1-7 传质与质扩散系数   23
 §1-8 单位制   25
 参考文献   27   
第2章 导热理论及其在一维稳定导热解析中的应用    29
 §2-1 导热微分方程   29
 §2-2 导热过程的单值性条件   34
 §2-3 直角坐标的一维稳定导热   36
 §2-4 圆柱坐标的一维稳定导热   43
 §2-5 球坐标的一维稳定导热   50
 §2-6 有内热源的一维稳定导热   52
 §2-7 枢轴的稳定导热   62
 §2-8 肋壁的稳定导热   66
 §2-9 接触热阻   75
 参考文献   77   
第3章 二维和三维稳定导热    79
 §3-1 分析方法概述   79
 §3-2 解析法   80
 §3-3 虚拟热源和映象法   87 
 §3-4 图解法   92
 §3-5 数值解法   95
 §3-6 模拟法   105
 §3-7 导热形状因子   107
 参考文献   109   
第4章 不稳定导热    111
 §4-1 内部热阻可被忽略时的不稳定导热   111
 §4-2 大平板的不稳定导热   121
 §4-3 半无限大物体的不稳定导热   127
 §4-4 不稳定导热图表   134
 §4-5 周期性的受热或冷却   143
 §4-6 不稳定导热的数值解法   149
 §4-7 不稳定导热的图解法   154
 §4-8 不稳定导热的热源解法   158
 §4-9 移动热源的动坐标转换法   167
 参考文献   173   
第5章 热辐射性质    175
 §5-1 热辐射的物理基础   175
 §5-2 固体和液体的热辐射性质   183
 §5-3 气体热辐射性质   188
 §5-4 火焰辐射   198
 §5-5 自然环境中的热辐射   200
 参考文献   208   
第6章 辐射传热    211
 §6-1 由透明介质隔开的固体之间的辐射换热   211
 §6-2 角系数   222
 §6-3 辐射传热的网络模拟法   232
 §6-4 遮热板   236
 §6-5 正反射表面之间的辐射换热   239
 §6-6 通过吸收和透射性介质的辐射换热   244
 §6-7 辐射放热系数和辐射导热系数   250      
  §6-8 平衡温度   251
 §6-9 辐射能的传递方程   255
 参考文献   259   
第7章 对流传热原理    260
 §7-1 对流换热的物理基础   260
 §7-2 流体运动的基本方程   277
 §7-3 不可压流体沿平板边界层层流放热的精确解法   286
 §7-4 边界层近似分析解法   299
 §7-5 湍流时热量传递与动量传递的比拟   310
 §7-6 不可压流体沿平板边界层湍流时的放热   316
 §7-7 湍流传热理论的进展   321
 §7-8 量纲分析和相似原理   329
 参考文献   336   
 索引    339