传热学部分思考题.docx
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传热学部分思考题
教材上的思考题
第8章思考题
1．试说明热传导（导热）、热对流和热辐射三种热量传递基本方式之间的联系与区别。
区别：
它们的传热机理不同。
导热是由于分子、原子和电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，其本质是介质的微观粒子行为。
热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象，其本质是微观粒子或微团的行为。
辐射是由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象，其本质是电磁波，不需要直接接触并涉及能量形式的转换。
联系：
经常同时发生。
2．试说明热对流与对流换热之间的联系与区别。
热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。
对流换热是流体与固体表面之间由热对流和导热两种传热方式共同作用导致的传热结果。
3.从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？
答：
采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷，使人生活在合适的温度范围中，空气对流实在密度差的推动下流动，如采暖器放得太高，房间里上部空气被加热，但无法产生自然对流使下部空气也变热，这样人仍然生活在冷空气中。
为使房间下部空气变热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机应放在略比人高的地方，天热时，人才能完全生活在冷空气中4．在晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2℃。
试解释这种现象。
但在阴天或有风的夜晚（其它条件不变），草地却不会披上白霜，为什么？
答：
深秋草已枯萎，其热导率很小，草与地面可近似认为绝热。
草接受空气的对流传热量，又以辐射的方式向天空传递热量，其热阻串联情况见右图。
所以，草表面温度tgr介于大气
温度tf和天空温度tsk接近，tgr较低，披上“白霜”。
如有风，hc增加，对流传热热阻R1减小，使tgr向tf靠近，即tgr升高，无霜。
阴天，天空有云层，由于云层的遮热作用，使草对天空的辐射热阻R2增加，tgr向tf靠近，无霜（或阴天，草直接对云层辐射，由于天空温度低可低达-40℃），而云层温度较高可达10℃左右，即tsk在阴天较高，tgr上升，不会结霜）。
5．在一有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20℃，但冬天得穿毛线衣，而夏天只
需穿衬衫。
这是为什么？
答：
人体在房间里以对流传热和辐射传热的方式散失热量，有空调时室内tfi不变，冬天和
夏天人在室内对流散热不变。
由于夏天室外温度tf0比室内温度tfi高，冬天tf0比tfi低，墙壁内温度分布不同，墙壁内表面温度twi在夏天和冬天不一样。
显然，tw夏i>tw冬i，这样人体与
墙壁间的辐射传递的热量冬天比夏天多。
在室温20℃的房间内，冬天人体向外散热比夏天
多而感到冷，加强保温可使人体散热量减少，如夏天只穿衬衫，冬天加毛线衣，人就不会感到冷。
第十一章（基本概念较多，就交给你了！
！
）
第十二章没找到现成的。
。
找到的一些其他的思考题
第八章
1-1试列举生活中热传导、对流传热核辐射传热的事例。
1-2冬天，上午晒被子，晚上睡觉为什么还感到暖和？
答：
被子散热可是为无限大平面导热。
晒被子使被子变得蓬松，含有更多的空气，而空气热导率较小，使被子的表现电导率变小。
另外，被子晒后厚度增加。
总之，被子晒后，其导热热阻δ/λA变大，人体热量不易向外散失，睡在被子里感到暖和（被子蓄热不必考虑：
①被子蓄热不多；②上午晒被子，晚上蓄热早已散光）。
1-3通过实验测定夹层中流体的热导率时，应采用图1-6种哪个装置？
为什么？
答：
左边一种。
这种装置热面在上，冷面在下，使流体对流传热减少到零，由这种装置测得的热导率不受对流传热的影响。
如果采用右边一种装置，由于对流传热的影响而测得的热导率偏大。
1-4在思考题1-3中，流体为空气时热导率可用式（1-1）计算，式中Δt为热、冷面的温度差，δ为空气夹层的厚度，Φ为通过空气夹层的热流量，A为空气夹层的导热面积。
实践证明，Δt不能太大，否则测得的热导率比真实热导率大。
试分析其原因。
答：
热面和冷面的传热热流量Φ=Φc+Φd+Φr=λΔtA/δ。
由思考题1-3可见，左边一种装置虽然减少了对流传热的影响，但如Δt较大，辐射传热量Φr对测量气体热导率的影响却不能忽略，会影响热导率λ测定的准确性。
这时，热传导率实质上是以导热和辐射传热两种方式传递热量形式的表现热导率λe。
显然，λe>λ（其中λ为气体的真实热导率）。
由于辐射传热量Φr正比于热面和冷面温度的四次方之差（T14-T24），只有在热面和冷面温度之差
（t1-t2）较小时，辐射传热的影响才可忽略，Φ≈Φd=λΔ。
tA/δ
1-5从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？
答：
采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷，使人生活在合适的温度范围中，空气对流实在密度差的推动下流动，如采暖器放得太高，房间里上部空气被加热，但无法产生自然对流使下部空气也变热，这样人仍然生活在冷空气中。
为使房间下部空气变热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机应放在略比人高的地方，天热时，人才能完全生活在冷空气中。
1-6从表1-1对流传热系数的大致范围，你可以得出哪些规律性的结论？
答：
从表1-1可看出如下规律：
①空气的对流传热系数小于水的对流传热系数；②同一种流体，强迫对流传热系数大于自然对流传热系数；③同一种流体有变相时的对流传热系数大于无变相识的对流传热系数；④水变相时的对流传热系数大于有机介质相变对流传热系数。
1-7多层热绝热有铝箱和玻璃纤维纸、玻璃布、尼龙网等依次包扎而成，并且整个系统处在高真空下。
在20~300K的温度下它的热导率可抵达（0.1~0.6）×10-4W/（m·K），试分析其原因。
答：
由于系统处于高真空，导热和对流传热的作用减少到很小，多层铝箱间用热导率很小的玻璃纤维纸、玻璃布、尼龙网隔开，导热作用较小；铝箱的玻璃作用使辐射传热也很小（详见第八章）。
这样，这个系统使三种传热方式传递的热流量都大大减少，所以其表现热导率就很小。
1-8在晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2℃。
试解释这种现象。
但在阴天或有风的夜晚（其它条件不变），草地却不会披上白霜，
为什么？
答：
深秋草已枯萎，其热导率很小，草与地面可近似认为绝热。
草接受空气的对流传热量，又以辐射的方式向天空传递热量，其热阻串联情况见右图。
所以，草表面温度tgr介于大气
温度tf和天空温度tsk接近，tgr较低，披上“白霜”。
如有风，hc增加，对流传热热阻R1减小，使tgr向tf靠近，即tgr升高，无霜。
阴天，天空有云层，由于云层的遮热作用，使草对天空的辐射热阻R2增加，tgr向tf靠近，无霜（或阴天，草直接对云层辐射，由于天空温度低可低达-40℃），而云层温度较高可达10℃左右，即tsk在阴天较高，tgr上升，不会结霜）。
1-9在一有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20℃，但冬天得穿毛线衣，而夏
天只需穿衬衫。
这是为什么？
（提示：
参考图1-8，先画出夏天和冬天墙壁传热的温度分布
曲线，在解释这种现象。
）
答：
人体在房间里以对流传热和辐射传热的方式散失热量，有空调时室内tfi不变，冬天和
夏天人在室内对流散热不变。
由于夏天室外温度tf0比室内温度tfi高，冬天tf0比tfi低，墙
夏冬壁内温度分布不同，墙壁内表面温度twi在夏天和冬天不一样。
显然，tw夏i>tw冬i，这样人体与墙壁间的辐射传递的热量冬天比夏天多。
在室温20℃的房间内，冬天人体向外散热比夏天
多而感到冷，加强保温可使人体散热量减少，如夏天只穿衬衫，冬天加毛线衣，人就不会感到冷。
1-10饱和水蒸气管道外包保温材料，试分析三种传热方式怎样组成由水蒸气经管道壁和保温层到空气的传递过程，并画出热阻串并联图。
答：
1-11在思考题1-10中，管道外壁的温度近似等于饱和水蒸气的温度。
试用热阻分析解释这一现象。
答：
蒸汽凝结hc很大，热阻R1c很小。
金属管道热导率较大，而其厚度很小，导热热阻R2d
也很小。
管道保湿时，管道散热量很小，管壁外表面tw2tf1X（R1cR2d）tf1。
1-12某双层壁中的温态温度分布如图1-7所示，问哪一层材料的热导率大？
哪一层材料的导热热阻大？
二热阻串联，由
Vt，Vt1Vt2，所以R1R2。
R1212
1-13某传热过程的温度分布如图1-8所示，是分别画出其在下列情况下的温度分布曲线：
1-14一碗稀饭放在盛有自来水的面盆中冷却。
为了使稀饭冷却得快一些，用汤勺搅动。
问用汤勺搅动稀饭时稀饭冷却得快，还是搅动自来水时稀饭冷却得快？
为什么？
答：
稀饭放在冷水中冷却时，热量由稀饭经碗壁传给碗外盆中水。
由经验判断，水侧表面对流传热系数要大于稀饭侧表面对流传热系数，即稀饭侧热阻大于水侧热阻。
用汤勺搅动来使表面对流传热系数hc增加即减少对流传热热阻，减少最大热阻效果最佳，所以用汤勺搅动稀饭时冷却效果较好。
1-15图1-9为三种太阳能热水器的元件：
图a为充满水的金属管；图b为在图a的管外加一玻璃罩，玻璃罩和金属管间有空气；图c为在管外加一玻璃罩，但罩与金属管间抽真空。
试分析用框图表示三元件的传热过程，并论述其效率由图a向图c逐步提高的原因。
答：
a中水管接受太阳能后，直接向周围物体（天空等）辐射散热，又向周围空气对流散热。
b中水管接受太阳能后，直接向玻璃管辐射散热。
玻璃管的温度要比天空温度高得多，使辐射散热减少。
水管向夹层中空气对流散热，夹层中空气比外界空气温度高，而且封闭的夹层也使对流传热系数减少，对流散热也减少。
C中水管接受太阳能后，直接向玻璃管辐射散热，情况用b，由于夹层中真空，没有空气，使对流散热为零。
所以，由a至c散热量逐渐减少，效率逐步提高。
1-16有两幢形状和大小相同的房屋，室内保持相同的温度。
早晨发现一幢房屋屋顶有霜，另一幢屋顶无霜。
试分析哪一幢房屋屋顶隔热性能好。
答：
屋顶有霜，表示屋顶外表面温度tw0较低，而屋顶散热系数较小（h0变化不大），即屋顶的导热量也小，这表明有霜的屋顶保温性能好。
为便于观察，将屋顶转至垂直位置，其传热过程温度分布曲线画在右图，有霜屋顶tfitwi和tw0tf0都小，表示散热小，无霜屋顶保温性能不好有两种可能性：
①屋顶较薄；②屋顶材料热导率较高。
这两种可能性都会使tw0提高而无霜。
1-17由4种材料组成图1-10所示的复合壁，界面接触良好，左面维持均匀恒定的温度t1，
右面维持均匀恒定的温度t2。
如B比C大得多，能否用热阻并串联的方法求复合壁的总热阻？
为什么？
答：
利用热阻并、串联规律求总热阻，再模仿电路欧姆定律求出热流量，必须符合下列条件：
①稳态导热；②一维；③无内热源。
当B?
C时，ABCD中均不是一维稳态导热，按上法
计算偏差较大。
当B与C相差不显著时，ABCD中近似一维稳态导热，按上法计算偏差不大。
1-18某电路板上有4只晶体管，其金属管壳与支架相连，支架与一隔板相连（如图1-11所示），晶体管产生的热量经管壳和支架传给隔板。
假设：
4只晶体管温度均匀且相同，本身热阻R1i也相同；管壳与支架接触良好；支架为铝材，横断面足够大，使支架上几乎没有
温度降；支架与隔板间连接处有热阻R23；晶体管产生热量的一部分由管壳和支架散失，一部分由隔板散失。
试画出晶体管热量散失时热阻并串联情况。
答：
由于4R晶体管温度相同，t11t12t13t14t1，右图中用虚线相连，1i是各只晶体管功耗产生的热流量。
1i经各自内部导热热阻R1i到外壳和支架上。
由于支架和外壳热阻可以忽略，支架温度相同，即t21t22t23t24t2，4个点用实线相连。
管壳和支架成为一
体，部分热量由它们向外界对流散热和辐射散热，表面热阻分别为R2c和R2r，还有部分热
量通过支架与隔板连接处的接触电阻R23流入隔板，由隔板表面向外界进行对流散热和辐射
散热，其表面热阻分别为R3c和R3r。
显然，表面对流热阻Rc和表面辐射热阻Rr均为并联。
第九章
2-1不同温度的等温面（线）不能相交，热流线能相交吗？
热流线为什么与等温线垂直？
q=0，只有热流
答：
热流线垂直于等温线，不同温度的等温线不能相交，热流线也不能相交。
如热流线不垂直等温线，则等温线上必有一热流分量。
而等温线上无温差，线垂直于等温线才能使等温线上的分热流为零。
向右变大，这表明热导率从左到右减小，而温度自左向右减小，故热导率随温度t的增加而增加。
2-3根据对热导率主要影响因素分析，试说明在选择和安装保温隔热材料时要注意哪些问题？
答：
①选择热导率小的材料，最好其密度在最佳密度附近，使其具有最佳保温性能；②进行保温计算时必须考虑温度对保温材料热导率的影响；③保温材料保温性能受水分的影响，必须采取防水措施，外加保护层，如材料中已加憎水剂，不易含水分，不受水的影响，应首选该种材料；④为防止保温材料（或绝热材料）层结冰，要采取防冻措施，不让外界水分渗入，无法防止时，可适当加厚，以弥补结冰使材料性能下降；⑤采用各向异性材料时要注意导热方向对热导率的影响。
2-4金属材料的热导率很大，而发泡金属为什么又能做保温隔热材料？
答：
发泡材料的热导率是固体骨架和孔隙中气体导热，对流传热和辐射传热综合的当量热导
率，发泡金属以金属为骨架，但其横截面尺寸很小，而孔隙中气体导热率较小，各孔隙中气体被封闭在各个小孔中，对流传热作用较小。
多孔结构对辐射传热起着遮挡作用，使其大大削弱。
由此，发泡金属的当量热导率较小，比密实金属要小得多，可以做保温材料。
2-5示：
冰箱长期使用后外壳上易结露，这表明其隔热材料性能下降。
你知道其道理吗？
（提
冰箱隔热材料用氟里昂发泡，长期使用后氟利昂会逸出，代之以空气。
）
答：
冰箱隔热材料用氟里昂作发泡剂的聚氨酯泡沫塑料，其热导率要比一般保温材料小，这
是由于孔中氟里昂气体热导率较低，使用时间较长，气孔中氟里昂逐步逸出，环境中的空气取而代之，由于空气的热导率是氟里昂的2~3倍，进入空气的隔热材料热导率大大提高，使其保冷性能下降。
2-6冰箱冷冻室内结霜使冰箱耗电量增加，试分析这是什么原因？
答：
冰箱中的制冷剂在冷冻室隔热材料内侧（见右图）蒸发管中蒸发，吸收冷冻室的热量，使冷冻室降低到指定的温度后，压缩机停止工作。
冷冻室内结霜后，使蒸发管和冷冻室间增加一层热阻，而霜有颗粒状的水组成，中间夹杂着不流动的空气，使其当量热导率比密实的冰小得多，热阻较大，要使冷冻室达到指定温度必须增加压缩机工作时间，耗电量增加。
2-8物体中的温度分布曲线与绝热边界的关系如何？
答：
由傅里叶定律Adt/dx，绝热边界=0，而和A不为零，所以dt/dx=0，即
绝热边界温度变化率为零，温度分布曲线垂直于绝热边界。
2t
zt20
z
式中没有热导率，所以有人认为无内热源稳态导热物体的温度分布与热导率无关。
你同意这种看法吗？
答：
不同意，因为热导率问题的完整数学描述包括导热微分方程和定解条件。
无内热源稳态
导热问题，虽然导热微分方程中不包含有热导率，但第二类边界条件和第三类边界条件中都含有热导率，即边界条件为第二类或第三类的无内热源稳态导热与热导率有关，只有第一类边界条件下无内热源稳态导热物体的温度分布才与热导率无关，详见例题4-1，题中未给出定热导率，其温度分布与无关。
2-10在多层壁导热中，当某一层有内热源时式（2-17）和式（2-21）仍能适用吗？
为什么？
答：
不能用，因串联各环节不相同，违背了式（2-17）和式（2-21）推导的条件。
2-11说明圆筒壁一维稳态导热的温度分布曲线为什么随半径增加而变得平坦？
试画出无内热源的单层圆筒壁在内壁面温度高于或低于外壁面温度时的温度分布曲线。
凸的曲线。
2-12等截面延伸体稳态导热和一维稳态导热有何区别？
答：
一维稳态导热只有一个方向上有热流，而在其它方向无热流。
等截面延伸体稳态导热不
但沿高度方向上有导热，而且在垂直于高度方向上也有热流，所以一般研究Bi（hl）很
s小且有一定高度（低肋除外）的延伸体，这时热流主要沿高度方向上的热流密度不大。
人们常称为准一维稳态导热，一维稳态导热时各个导热面上热流量相等，而准一维稳态导热各个导热面上热流量不等，沿着导热方向逐渐减少。
另外，等截面一维稳态导热（热导率为常数且无内热源）沿导热方向温度分布为一直线，而等截面准一维稳态导热在同样的条件下沿导热方向温度分布为一曲线，沿导热方向曲线变得越来越平。
2-13试用微元体热平衡法建立矩形直肋导热微分方程（2-27）。
答：
由书中图2-18，在xx处取微元体Adx，能量守恒方程ie，即xxdxc（a）
2-14工程上采用加肋片来强化传热。
何时一侧加肋？
何时两侧同时加肋？
答：
由例2-13可以得到启发，当传热壁一侧Bi<0.2时，该侧加肋。
当传热壁两侧Bi都小于0.2时，则两侧都可加肋，加肋时还应遵循这样的原则，壁面两侧表面传热热阻应尽量相近，强化效果最佳。
当壁面两侧Bi都小于0.2，但一侧表面传热热阻显著大于另一侧表面传热热阻时，在热阻大的一侧加肋效果较好。
2-15用带温度套管的热电偶来测量低温（低于环境温度）流体温度时，测值比实际值偏高还是偏低？
为什么？
答：
由H0，0t0t，式中t为被测流体温度，此刻它低于周围环境温度t0，ch（mHc）
测低温物体时，0>0，即tHt，测值tH比流体温度t偏高，这与侧高温流体（蒸汽、热
水、热空气）温度正好相反。
2-16当把测温套管由钢材改为紫铜后，材料导热性能变好，使热量由流体经套管传给温
度计的热阻减少，测温误差应减少，但为什么实践证明适得其反呢？
答：
测温套管导热主要延长度方向，而题中所述热流量很小，是次要方面。
不锈钢改为紫铜后，大大增加，套管轴向导热热阻大大减少，其端部温度tH与根部温度t0差别减少，即tH
更接近于t0，测温误差将增加。
2-17从热阻角度分析，为什么在表面传热系数小的一侧加肋片效果较好？
为什么用热导率大的材料做肋片？
减少这样的热阻使热流量增加的效果好，
使肋片本身的附加热阻不大，不会因此
答：
h小的一侧热阻大，它在总热阻中起的作用大，加肋片使表面热阻减少，用热导率大的材料做肋片，而使总热阻增加。
h
料热导率应较大，否则会使2h0.2，加肋对传热不利。
2-18减少接触热阻的主要方法有哪些？
这些方法为什么能减少接触热阻？
答：
①如有可能的话，降低接触面的硬度，使加压后形变增加，接触面增大，且间隙变小，都使接触部分的热阻减少；②增加接触面的压力，形变增加，热阻减少；③增加接触面的光洁度和平行度，使接触面增加，间隙变小，热阻变小；④间隙处加软金属或导热脂，使间隙的热导率增加，使接触热阻减少。
第十章
5-1为什么电厂发电机用氢气冷却比空气冷却效果好？
为什么用水冷却比氢气冷却效果更好？
答：
对流传热是贴壁层流体导热和边界层流体对流的综合影响，流体热导率和携带热量能力和c影响着对流传热系数。
空气、氢气和水的、、c详见下表
冷却介质
空气
氢气
水
相对值
空气
氢气
水
热导率/[W/（m2.k）]
0.0278
0.1942
0.643
1
6.99
23.1
密度/[kg/m3]
1.093
0.0755
988
1
1/14.5
904
由和、c都可看出：
水优于氢气，更优于空气。
电机冷却情况证实了这一点。
5-2什么是流动边界层？
什么是热边界层？
为什么它们的厚度之比与普朗特数Pr有关？
答：
流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，热边界层是由于流体的热扩散率造成温度变化的区域。
它们的厚度之比应与形成流体边界层和边界层的流体黏度和热扩散
1
率a之比有关，即与普朗特数Pr有关。
理论上已证明t~。
r3Pr
5-3粘性油的Pr数很大，液态金属的Pr数很小。
图5-9为这两种流体的边界层过余温度场和速度场。
试指出哪一幅图是粘性油的，哪一幅图是液态金属的？
为什么？
1
答：
图中a为粘性油的u和分布。
因粘性油很大，Pr=较大，而t~，所以
ra3Pr
t=，即图a。
5-4试根据图5-3粗略地画出局部对流传热系数hx的沿程变化。
答：
开始时，随着层流边界层厚度t的增加，局部对流传热系数hx下降。
过渡区，由于层流向湍流边界层过渡，扰动增加，虽然边界层厚度增加更快，但hx由于流体横向（垂直
于壁面方向）掺合，hx反而增加。
以后由于层流底层厚度和湍流边界厚度t的增加，hx稍
有下降，并逐步接近于恒定值h
5-5边界层中温度变化率t的绝对值何处最大？
对于一定表面传热温差的同一流体，为y
6-
的大小？
何能用（t）y=0绝对值得大小来判断对流传热系数y
热流传热温差的同一流体，可用t的大小来判断该处对流传热系数hx的大小。
yy0
5-6从对对流传热过程的了解，解释物性值对对流传热系数h的影响。
答：
对流传热是先通过贴壁层流体的导热，以后由流体将热量携带走，所以对流传热与流动的热导率以及流体携带热量的能力、c有关。
对流传热与流体流动情况有关，雷诺数与黏度有关，所以对流传热与黏度有关。
自然对流传热时，同一温差下流体流动情况还与体膨胀系数v有关。
5-7试论述固体导热微分方程与边界能量微分方程的关系。
答：
它们都是能量微分方程，但边界层能量微分方程考虑了流体对流携带的热量，而固体导热微分方程不考虑对流携带的热量。
如边界层内流体速度均为零，则边界层能量微分方程变成固体的导热微分方程。
6-
1管内湍流强迫对流传热时，流速增加一倍，其它条件不变，对流传热系数h如何变化？
管径缩小一半、流速等其他条件不变时h如何变化
6-3湍流强迫对流传热时，在其他条件相同的情况下粗糙管的对流传热系数大于光滑管的对流传热系数，为什么？
答：
湍流时层流底层很薄，粗糙管突起物露出层流底层，使流体流过时产生扰动，强化了传热，所以粗糙管湍流强迫对流传热系数与粗糙程度有关，且比光滑管大。
7-4由图6-8可见，横掠
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