材料科學(xué)工程精品課件

1、材料科學(xué)工程課件1第1頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1 概 述1.傳熱學(xué) 傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，其基礎(chǔ)為熱力學(xué)第一定律(能量守恒與轉(zhuǎn)化)和熱力學(xué)第二定律（熵增原理）。2第2頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.1.1 熱量傳遞過程1 ）穩(wěn)態(tài)傳熱過程（定常過程） 凡是物體中各點溫度不隨時間而變的熱傳遞過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。2 ）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程） 與穩(wěn)態(tài)傳熱過程相反。 各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運行時的熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；而在啟動、停機、工況改變時的傳熱過程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。 3第3頁，共48頁，2022年，5月

2、20日，22點31分，星期四(1) 日常生活中的例子：1.1.2 應(yīng)用舉例B 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，如何解釋其道理？玻璃越厚越好？A 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？4第4頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四(2) 在材料技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題5第5頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四() 在材料技術(shù)領(lǐng)域存在節(jié)能問題6第6頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.2 熱量傳遞的三種基本方式 1.2.1 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)） 1 、概念 定義：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及

3、自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。 7第7頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四導(dǎo)熱機理：氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞；導(dǎo)電固體自由電子（良的電導(dǎo)體也是好的熱導(dǎo)體）；非導(dǎo)電固體晶格振動產(chǎn)生的彈性波；液體兼有氣體和非導(dǎo)電固體的機理。8第8頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四式中 為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，負號表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。 1 ）傅立葉定律（ 1822 年，法國物理學(xué)家） t1t2（1-1）2 、導(dǎo)熱的基本規(guī)律傅立葉在解該方程時發(fā)現(xiàn)了著名的傅立葉級數(shù)9第9頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四說

4、明：傅立葉定律又稱導(dǎo)熱基本定律，式（ 1-1 ）、（ 1-2 ）是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達式。（1-2）10第10頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四說明：導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，與材料的種類和溫度有關(guān)，單位： w/mk 。 KKK11第11頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四12第12頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四傅立葉Fourier (公元1768年1830年),法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。法國拿破侖時代的高級官員。主要貢獻是在研究熱的傳播時創(chuàng)立了一套數(shù)學(xué)理論。后期致力于傳熱理論，18

5、07年提交了234頁的論文熱的解析理論，但直到1822年才出版。13第13頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四例題 有三塊分別由純銅（熱導(dǎo)率1=398W/(mK)）、黃銅（熱導(dǎo)率2=109W/(mK)）和碳鋼（熱導(dǎo)率3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1 tw2 = 50不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解： 這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。 14第14頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四15第15頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四對于黃銅板 對于碳鋼板 對于純銅板16第16頁

6、，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.2.2 對流1 、基本概念 1) 對流：是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。17第17頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2) 對流換熱：流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。區(qū)別概念：熱對流和對流換熱對流換熱包括熱對流和導(dǎo)熱。自然界不存在單一的熱對流，熱對流必然伴隨著導(dǎo)熱18第18頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2 、對流換熱的分類 有無相變無相變對流換熱有相變對流換熱沸騰換熱凝結(jié)換熱對流引起的原因自然對流強制對

7、流19第19頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3 、對流換熱的基本規(guī)律 流體被加熱時： 流體被冷卻時：（1-3）（1-4）Q20第20頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 其中 比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)） 單位 。 （1-5）（1-6）如果把溫差（亦稱溫壓）記為 ，并約定永遠取正值，則牛頓冷卻公式可表示為21第21頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四的物理意義：單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對位置，而且與流體的流速、換熱有無相變有

8、關(guān)。 22第22頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四、對流換熱研究的基本任務(wù) 用理論分析或?qū)嶒灥姆椒ㄍ瞥龈鞣N場合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。 K23第23頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四例題1-2 一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw = 50，和溫度為20的室內(nèi)空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h = 4 W/(m2K)。試問該暖氣片相當于多大功率的電暖氣?解： 暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相當于功率為0.36kW

9、的電暖氣。 24第24頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.2.3 熱輻射 2 ）輻射換熱 輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。 1、基本概念 1 ）輻射和熱輻射 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。25第25頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3 ）導(dǎo)熱、對流、輻射的評述 導(dǎo)熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。 在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化

10、。 26第26頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四在輻射時，輻射體內(nèi)熱能 輻射能；在吸收時，輻射能 受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。 輻射換熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能。27第27頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四輻射換熱不需要中間介質(zhì)，在真空中即可進行，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。因此，又稱其為非接觸性傳熱。 熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。 物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對流的基本特點。 28第28頁，共48頁，20

11、22年，5月20日，22點31分，星期四2 、熱輻射的基本規(guī)律： 所謂絕對黑體（lack body）：把吸收率等于 1 的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。 黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的而且輻射熱量服從于斯忒藩玻耳茲曼(Stefan Boltzmann)定律。29第29頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四（1-7）其中 Eb絕對黑體輻射力，W/m2； T 黑體的熱力學(xué)溫度 K ； 斯忒潘玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為5.6710-8 W/m2.k4。黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量服從于斯忒藩玻耳茲曼定律，即 30第30頁，共48頁，2022年，5月2

12、0日，22點31分，星期四實際物體：物體包容在一個無限大的空腔內(nèi)，則二表面輻射換熱為：（1-7）（1-）31第31頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.3 傳熱過程和傳熱系數(shù) 1.3.1 傳熱過程 1 、概念 熱量由壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中去的過程稱傳熱過程。 32第32頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2 、傳熱過程的組成 傳熱過程一般包括串聯(lián)著的三個環(huán)節(jié)組成，即： 熱流體、熱輻射 壁面高溫側(cè)； 壁面高溫側(cè) 壁面低溫側(cè)； 壁面低溫側(cè) 冷流體。 若是穩(wěn)態(tài)過程則通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。 導(dǎo)熱對流輻射對流33第33頁，共48頁，202

13、2年，5月20日，22點31分，星期四（a）（b）（c）穩(wěn)態(tài)傳熱，傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，其熱流量分別為： 3 、傳熱過程的計算 34第34頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四將式（a）、（b）、（c）改寫成溫差的形式：（d）（e）（f）35第35頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四也可以表示成: 式中， 稱為傳熱系數(shù)，單位為 。 （1-10）（1-11）三式相加，整理可得:36第36頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.3.2 傳熱系數(shù)1 、概念 是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標。它等于冷熱流體間溫差 ， 傳熱面積 時熱流量的

14、值。 影響因素： 參與傳熱過程的兩種流體的種類； 傳熱過程是否有相變37第37頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四傳熱系數(shù)的表達式為: 或 傳熱過程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的熱阻組成。38第38頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.4 熱阻分析類比方法對各種轉(zhuǎn)移過程的規(guī)律進行分析與比較，充分揭示出相互之間的類同之處，并相互應(yīng)用各自分析的結(jié)論，是研究轉(zhuǎn)移過程的一種行之有效方法。熱電類比（熱阻分析）是傳熱學(xué)常用的研究方法：即將電學(xué)中的歐姆定律及電學(xué)中電阻的串并聯(lián)理論應(yīng)用于傳熱學(xué)熱量傳遞現(xiàn)象的研究。39第39頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，

15、星期四熱路與電路的相似性40第40頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四、熱阻1）熱阻定義：熱轉(zhuǎn)移過程的阻力稱為熱阻。2）熱阻分類：不同的熱量轉(zhuǎn)移有不同的熱阻，其分類較多，如：導(dǎo)熱阻、輻射熱阻、對流熱阻等。對平板導(dǎo)熱而言又分：面積熱阻RA：單位面積的導(dǎo)熱熱阻。熱阻R：整個平板導(dǎo)熱熱阻。 41第41頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3）熱阻的特點 串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，若通過各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同，則串聯(lián)過程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)的分熱阻之和。 42第42頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四、導(dǎo)熱熱阻單位面積平壁的導(dǎo)熱熱阻面積為的平壁，導(dǎo)熱熱阻43第43頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四、對流換熱熱阻單位壁表面積上的對流換熱熱阻：對于面積為的平壁，對流換熱熱阻為44第44頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四單位面積的傳熱熱阻： k越大，傳熱越好；熱阻越小，傳熱越好45第45頁，共48頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四例題1-3、一房屋的混凝土外墻的厚度為=200mm ，混凝土的熱導(dǎo)率為=1.5W/(mK) ，冬季室外空氣溫度為tf2=-10, 有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2K)，室內(nèi)空氣溫度為tf1= 25,