传热学第一章习题概要

第一章绪论练习题思考题与典型题精解[例1-1]人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20摄氏度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么?解：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度比夏季高，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。人体对冷的感受主要是散热量高，因此在冬季比在夏季感觉冷。[例1-2]夏天人在同样温度（如：25摄氏度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？解：人体温度一般为37℃，环境温度为25℃，所以人体向外界散热。AttΦAΦ即人在空气中散失的热量比在水中散失的热量小，所以在水中感觉更凉爽一些。因为对流传热系数，空气﹤水[例1-3]北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？解：热量的传递过程：室内→里层玻璃外壁→里层玻璃内壁→夹层空气→外层玻璃内壁→外层玻璃外壁→室外夹层空气不流动，只起导热作用。：气体﹤玻璃同样厚度下通过夹层空气向外散失的热量比通过玻璃向外散失的热量小，所以为了更好地保温采用双层玻璃代替一层厚玻璃。[例1-4]有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为它应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的水？解：从稀饭到凉水是一个传热过程。显然这种换热在不搅拌时属自然对流。热稀饭的换热比水要差。因此要强化传热，增加散热量，应该用搅拌的方式强化稀饭侧的传热。[例1-5]电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一现象。解：杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之间产生自然对流。在其他条件相同时，水的自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多。因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。[例1-6]冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风感到更冷些？解：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。[例1-7]北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？解：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。太空表面的温度低于零摄氏度，而地球表面温度一般在零摄氏度以上。由于相对树叶下表面来说，上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零摄氏度，因而容易结霜。[例1-8]利用同一冰箱储存相同食物时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？解：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱耗电量更大。[例1-9]一双层玻璃窗，宽1.1m，高1.2m，厚3mm，导热系数为1.05；中间空气层厚度为5mm，设空气间隙仅起导热作用，导热系数为。室内空气温度为25℃，表面传热系数为20；室外空气温度为-10℃，表面传热系数为15试计算通过双层玻璃窗的散热量，并与同样厚度单层玻璃窗相比较。假定在两种情况下，室内、室外空气温度及表面传热系数相同。K)W/(m22.6010W/(mK)K)W/(m22W/(mK).②单层玻璃窗情形：显然，单层玻璃窗的散热量是双层玻璃窗的2.5倍。因此，北方的冬天常常采用双层玻璃窗使室内保温。23322111212332211121111)(11hhttAAhAAAAhttΦffff15105.1103026.010505.1103201)]10(25[2.11.133337.36315105.11011201)]10(25[2.11.111)(3211212hhttAΦff=146.8WW解：①双层玻璃窗情形，由传热过程计算式:[例1-10]白天，地球表面接受来自太阳的辐射热流密度为。设地表空气与地面间的表面传热系数为，空气温度为20℃。设地球可以看成黑体表面，且地球对太空的辐射可看成是对0K黑体空间的辐射，试确定地球表面的平衡温度。解：由热平衡关系，地球接受来自太阳的辐射热量以两种方式散掉，即与空气的对流换热及与太空的辐射换热，设过程为稳态，有，将已知条件代入，得2669W/m230W/(mK))()(44skyefeTTTThq300KeT[例1-11]一块厚50mm的大平板，两侧表面分别维持在和。试求不同材料时的热流密度：(1)的铜材，(2)的铸铁，(3)的石棉。解：按平壁导热计算公式12wwtttqA（1）25mW/1089.305.0100150389q（2）24W/m100.505.010015050q（3）22W/m103.105.010015013.0q1150Cwt2100Cwt389W/(mK)50W/(mK)0.13W/(mK)[例1-12]热平面周围的环境度，壁面敷设厚=30mm的隔热层。隔热材料的导热系数隔热层与平壁接触面的温度其外表面温度。求隔热层外表面和环境间对流换热的表面传热系数h。解：根据题意，如右图，穿过隔热层的热量为导热热量，于是：隔热层外表面与环境间的换热为对流换热：稳态时，，即121wwtttAA22()wfhAthAtt212()wfhAtt12wwttAw1w2w2f(t-t)h=63.3(t-t)KmW/2tf20ftCKmW/2.01230wtC240Cwt[例1-13]表面温度为95℃的蒸汽管道在厂房内通过，若管道表面的发射率=0.85，试计算蒸汽管道辐射出的热流密度（不计对流）。解：蒸汽管道辐射出的热流密度即为单位面积发射出的辐射热流量，有48420.855.6710(95273)883.9(Wm)qTA[例1-14]上例中的蒸汽管道除本身发射出辐射放热外，（1）还有什么其它散热方式？（2）已知h＝5.6，厂房的空气温度为27℃时，求蒸汽管道自然对流散热的热流密度。解：（1）还有自然对流散热方式；（2）自然对流换热按牛顿冷却公式计算2W/(mK)2()5.6(9527)380.8(Wm)wfqhthtt讨论对大空间内的热物体的散热，辐射与对流散热在同一数量级，辐射是不可忽略的。[例1-15]面积相同的两平行黑体表面，其相隔距离与表面的宽和高相比甚小，以致通过两表面边缘外射的能量可以忽略，表面温度分别为527和27。试求两表面间单位面积的辐射换热量。解：辐射换热量公式：448441242()5.6710(527273)(27273)2.2810(Wm)qTTACC