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传热学第四版课后习题答案(杨世铭-陶文铨)

第一章导论与基本概念

传热学是研究热量传递规律的学科，它是工程热力学和流体力学的基础理论之一。在现代社会，传热现象无处不在，从日常生活到工业生产，从航空航天到生物医学，传热学都发挥着至关重要的作用。例如，在建筑领域，合理的传热设计能够有效提高建筑物的能源利用效率，减少能源消耗，降低建筑成本；在电子设备领域，良好的散热设计能够保证设备在高温环境下稳定运行，延长使用寿命。

在传热学中，热传导、热对流和热辐射是三种主要的传热方式。热传导是指热量通过物体内部微观粒子的碰撞和振动传递的过程，其基本规律遵循傅里叶定律。例如，金属棒的一端加热后，热量会沿着棒体向另一端传递，直至整个棒体达到热平衡。热对流是指流体在流动过程中，热量通过流体分子的迁移和流动传递的过程，其传热效率受流体流动速度、温度差等因素影响。例如，空调中的冷凝器就是通过空气对流将热量从室内传递到室外。热辐射是指物体由于温度升高而发出的电磁波传递热量的过程，这种传热方式不依赖于介质，在真空中也能进行。例如，太阳的热量就是通过辐射传递到地球上的。

传热学的研究方法主要包括理论分析和实验研究。理论分析主要基于物理定律和数学模型，通过对传热过程的数学描述和求解，揭示传热规律。例如，通过求解傅里叶方程，可以计算出物体内部的温度分布。实验研究则通过搭建实验装置，对实际传热过程进行观察和测量，以验证理论分析和获取实际数据。例如，在实验室中，可以通过测量不同温度和不同材料之间的传热速率，来研究传热系数和热阻等参数。通过理论分析和实验研究的结合，传热学能够为各类工程应用提供科学依据和解决方案。

第二章热传导

热传导是热量通过物质内部微观粒子的碰撞和振动传递的过程，是传热学中的基本传热方式之一。在固体中，热传导主要通过晶格振动和自由电子的迁移来实现。例如，在金属棒中，自由电子在电场作用下发生迁移，同时与金属离子发生碰撞，将热量从高温端传递到低温端。热传导的速率与材料的导热系数、温度差以及传热截面积等因素有关。

热传导的基本方程是傅里叶定律，其数学表达式为：q=-k?T，其中q表示热流量，k表示材料的导热系数，?T表示温度梯度。傅里叶定律揭示了热量传递的方向总是从高温区域流向低温区域。在实际应用中，热传导问题通常通过求解偏微分方程来解决，如稳态热传导问题和非稳态热传导问题。

在非稳态热传导中，物体的温度随时间变化，需要考虑时间因素。例如，当物体的一端加热时，热量会逐渐传递到整个物体，直到达到热平衡。这类问题通常通过求解偏微分方程来描述，如三维稳态热传导方程和二维非稳态热传导方程。在实际工程中，非稳态热传导问题广泛应用于热处理、热交换器设计等领域。

此外，热传导过程中还会出现一些复杂现象，如界面热阻、相变热传导等。界面热阻是指在两种不同材料界面处，由于热传导系数的差异造成的热量传递阻碍。相变热传导是指在材料发生相变（如固态到液态）过程中，热量传递的特殊情况。这两种现象对传热效果有显著影响，因此在传热学研究和工程应用中需要加以考虑。例如，在制冷系统中，冷凝器和蒸发器之间的界面热阻会影响制冷效率。在热交换器设计中，合理选择材料可以降低界面热阻，提高传热效率。

第三章热对流与辐射传热

(1)热对流是流体在流动过程中热量传递的一种方式，它涉及到流体与固体壁面之间的热量交换。热对流的发生依赖于流体的流动性和温度差。在工程实践中，热对流广泛应用于散热器、锅炉、空调系统等设备中。根据流体的流动状态，热对流可以分为层流对流和湍流对流。层流对流的特点是流线整齐，速度变化平缓；而湍流对流则伴随着流体涡流的形成，速度变化剧烈。层流对流的传热系数较低，而湍流对流的传热系数较高。例如，在空调系统中，冷风通过风机吹拂室内空气，空气流动形成的湍流对流加速了室内热量的散发。

(2)辐射传热是热量以电磁波的形式在真空中或透明介质中传递的现象，是传热学中一种特殊的传热方式。物体由于自身的温度而发射辐射能，辐射能的强度与物体的温度、表面积和辐射率有关。辐射传热在太阳辐射、热辐射散热等领域有广泛的应用。根据普朗克定律，辐射能的强度与物体的温度成正比，即温度越高，辐射能越强。辐射传热不受介质的影响，即使在真空中也能进行。例如，地球表面接收到的太阳辐射能量大约为每平方米1.36千卡，这是地球能量平衡的重要组成部分。

(3)热对流与辐射传热在实际工程中常常同时存在，它们之间相互影响，共同决定着系统的传热效率。在设计热交换器、散热器等设备时，需要综合考虑热对流和辐射传热的影响。例如，在热交换器中，流体的流动状态会影响辐射传热的效率。湍流流动可以增加流体与壁面之间的接触面积，从而提高辐射传热系数。而在散热器设计中，合理选择材料、优化几何形状和结构布局，可以同时提高