第一章
绪 论
§ 1-0 概 述
一, 基本概念
?1,传热学
? 传热学是研究热量传递规律的学科。
? 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分；
? 2)物体之间存在温差时，热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
2,热量传递过程
根据物体温度与时间的关系，热量传递过
程可分为两类,
（ 1 ）稳态传热过程；
（ 2 ）非稳态传热过程。
1 ）稳态传热过程（定常过程）
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传
递过程均称稳态传热过程。
2 ）非稳态传热过程（非定常过程）
凡是物体中各点温度随时间的变化而变
化的热传递过程均称非稳态传热过程。
各种热力设备在持续不变的工况下运行
时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、
停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传
热过程。
二、讲授传热学的重要性及必要性
1,传热学是热工系列课程教学的主要内
容之一，是建环专业必修的专业基础课。
是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响
到后续专业课的学习效果。
2,传热学在生产技术领域中的应用十分
广泛。如,
(1) 日 常生活中的例子,
a 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？
b 夏 天人在同样温度（如,25度）的空气
和水中的感觉不一样。为什么？
c 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？越厚越好？
(1) 日 常生活中的例子,
(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新
能源、微电子、核能、航空航天、微机电
系统（ MEMS）、新材料、军事科学与技术、
生命科学与生物技术 …
(3) 几个特殊领域中的具体应用
a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷
却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；
卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大
气层冷却；超高音速飞行器 （ Ma=10） 冷却；
核热火箭, 电火箭；微型火箭 （ 电火箭,
化学火箭 ） ；太阳能高空无人飞机
b 微电子,电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；
组织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机, 坦克；激光武器；弹药
贮存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调 /热泵；
高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
?1 ）理论性、应用性强
? 传热学是热工系列课程内容和课程体系
设置的主要内容之一。是一门理论性、应
用性极强的专业基础课，在热量传递的理
论分析中涉及到很深的数学理论和方法。
在生产技术领域应用十分广泛。传热学的
发展促进了生产技术的进步。
1、特点
?2) 有利于创造性思维能力的培养
? 传热学是建筑环境与设备工程专业的主
干专业课之一，在教学中重视学生在学习过
程中的主体地位，启迪学生学习的积极性，
在时间上给学生留有一定的思维空间。从而
进一步培养创新的思维能力。对综合性、应
用性强的传热问题都有详细地分析讨论。同
时介绍了传热学的发展动态和前景。从而给
学生开辟了广阔且纵深的思考空间。
?3 ）教育思想发生了本质性的变化
? 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转
变到重点培养学生综合素质和能力方面，
这是传热学课程理论联系实际的核心。从
实际工程问题中、科学研究中提炼出综合
分析题，对培养学生解决分析综合问题的
能力起到积极的作用。
? 2,研究对象
? 传热学研究的对象是热量传递规律。
?3,研究方法
? 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但
是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方
程），但不能确定物体内温度分布。
4、学习目的
通过学习能熟练掌握传热过程的基本规
律、实验测试技术及分析计算方法，从而达
到认识、控制、优化传热过程的目的。
§ 1-2 热量传递的三种基本方式
一、导热（热传导）
1,概念
定义,物体各部分之间不发生相对位
移时，依靠分子、原子及自由电子等微观
粒子的热运动而产生的热量传递称导热。
如：固体与固体之间及固体内部的热
量传递。
从微观角度分析气体、液体、导电固体与
非金属固体的导热机理。
（ 1 ）气体中,导热是气体分子不规
则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，
动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，
使热能从高温传到低温处。
?（ 2 ）导电固体,其中有许多自由电子，
它们在晶格之间像气体分子那样运动。自
由电子的运动在导电固体的导热中起主导
作用。
?（ 3 ）非导电固体,导热是通过晶格结构
的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、
分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
?（ 4 ）液体的导热机理,存在两种不同的
观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些，
因液体分子的间距较近，分子间的作用力对
碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非
导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，
原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的宏观规律。
2,导热的基本规律
?1 ）傅立叶定律
?（ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均
匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。对
于 x方向上任意一个厚度为的微元层来说，
根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导
热热量与当地的温度变化率及平板面积 A成
正比，即
dx
dtA????
式中 是比例系数，称为 热导率,又称
导热系数,负号表示热量传递的方向与温
度升高的方向相反。
?
（ 1-1）
?2 ）热流量
?单位时间内通过某一给定面积的热量称为
热流量，记为,单位 w。
?3 ）热流密度（面积热流量）
?单位时间内通过单位面积的热量称为热流
密度，记为 q,单位 w/ ㎡ 。
?当物体的温度仅在 x 方向放生变化时，
按傅立叶定律，热流密度的表达式为,
?
dx
dt
A
q ??
?
?
说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式
（ 1-1 ）、（ 1-2 ）是一维稳态导热时
傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知,
（ 1-2）
?（ 1 ）当温度 t 沿 x 方向增加时,
＞０而 q ＜０，说明此时热量沿 x 减小
的方向传递；
?（ 2 ）反之，当 <0 时,q>0,说
明热量沿 x 增加的方向传递。
?（ 3 ）导热系数 λ 表征材料导热性能
优劣的参数，是一种物性参数，单位,
w/mk 。
dx
dt
dx
dt
? 不同材料的导热系数值不同，即使同一种
材料导热系数值与温度等因素有关。金属
材料最高，良导电体，也是良导热体，液
体次之，气体最小。
二、对流
1,基本概念
1) 对流,是指由于流体的宏观运动，从而使
流体各部分之间发生相对位移，冷热流体
相互掺混所引起的热量传递过程。
对流仅发生在流体中，对流的同时必
伴随有导热现象。
2,对流换热的分类
1）根据对流换热时 是否发生相变 分：有
相变的对流换热和无相变的对流换热。
2）根据引起 流动的原因 分：自然对流和
强制对流。
2) 对流换热, 流体流过一个物体表面时的
热量传递过程，称为对流换热。
1 ）自然对流,
由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体
的流动。
如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。
2 ）强制对流,
流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作
用所造成的。
3 ）沸腾换热及凝结换热,
液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结
的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对
流沸腾）。
3,对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 >
流体被加热时,
流体被冷却时,
)( fw tthq ??
)( wf tthq ??
式中,及 分别为壁面温度和流体
温度,℃ 。 ftwt
（ 1-3）
（ 1-4）
?如果把温差（亦称温压）记为,并约
定永远取正值，则 牛顿冷却公式 可表示为
thq ??
tAh ???
其中 h — 比例系数（表面传热系数）
单位 。 ? ?
2W / m K?
（ 1-5）
（ 1-6）
t?
h 的物理意义,单位温差作用下通过单位
面积的热流量。
表面传热系数的大小与传热过程中的许多因
素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表
面的形状、大小相对位置，而且与流体的流
速有关。
一般地,就介质而言,水的对流换热比空
气强烈；
就换热方式而言,有相变的强于无相变的；
强制对流强于自然对流。
对流换热研究的基本任务,用理论分析或
实验的方法推出各种场合下表面换热导数
的关系式。
三、热辐射
1、基本概念
1 ）辐射和热辐射
物体通过电磁波来传递能量的方式称
为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称
为热辐射。
2 ）辐射换热
辐射与吸收过程的综合作用造成了以
辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换
热。
?自然界中的物体都在不停的向空间发出热
辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的
辐射热。
?说明：辐射换热是一个动态过程，当物体
与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热
量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进
行，只是辐射热与吸收热相等。
3 ）导热、对流、辐射的评述
① 导热、对流两种热量传递方式，只在有物
质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需
中间介质，可以在真空中传递，而且在真空
中辐射能的传递最有效。
② 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，
而且伴随有能量形式的转化。
? 在辐射时，辐射体内热能 → 辐射能；在吸收时，
辐射能 → 受射体内热能，因此，辐射换热过程
是一种能量互变过程。
③ 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，
即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温
物体向高温物体辐射热能,
④ 辐射换热不需要中间介质，在真空中即
可进行，而且在真空中辐射能的传递最有
效。因此，又称其为非接触性传热。
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏
观表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这
是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
2,热辐射的基本规律,
?所谓绝对 黑体,把吸收率等于 1 的物体
称黑体，是一种假想的理想物体。
?黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中
是最大的而且辐射热量服从于 斯忒藩 ——
玻耳兹曼定律 。
?黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于
斯忒藩 —— 玻耳兹曼定律，即
4TA ??? （ 1-7）
其中 T —— 黑体的热力学温度 K ；
—— 斯忒潘 — 玻耳兹曼常数（黑体
辐射常数），其值为 ；
A—— 辐射表面积 m2 。
?
? ?- 8 2 45,6 7 1 0 W/ m K??
实际物体辐射热流量根据 斯忒潘 —— 玻耳
兹曼定律 求得,
其中 Φ —— 物体自身向外辐射的热流量，
而不是辐射换热量；
—— 物体的 发射率（黑度）,其
值总小于 1，它与物体的种类及表面状态有
关。
?
4TA ???? （ 1-8 ）
要计算辐射换热量，必须考虑投到物体
上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，
详见第八章。
物体包容在一个很大的表面温度为的
空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量
)( 424111 TTA ??? ?? （ 1-9 ）
§ 1-3 传热过程和传热系数
一、传热过程
1,概念
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到
另一侧流体中去的过程称传热过程。
2,传热过程的组成
传热过程一般包括串联着的 三个环节 组成，
即,
① 热流体 → 壁面高温侧；
② 壁面高温侧 → 壁面低温侧；
③ 壁面低温侧 → 冷流体。
若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
3,传热过程的计算
? ?
? ?
? ?
222
21
111
fw
ww
wf
ttAh
tt
A
ttAh
???
???
???
?
?
（ a）
（ b）
（ c）
针对稳态的传热过程，即 Q=const
如图 1- 3,其 传热环节有三种情况,则
其热流量的表达式如下,
将式（ a）、（ b）、（ c）改写成温差的形
式,
2
22
21
1
11
/
Ah
tt
A
tt
Ah
tt
fw
ww
wf
?
??
?
??
?
??
??
（ d）
（ e）
（ f）
三式相加，整理可得,
也可以表示成,
式中,称为传热系数，单位
为 。 k
? ?2W / m K?
21
21
11
)(
hh
ttA ff
??
?
??
?
?
（ 1-10）
tAkttAk ff ????? )( 21
（ 1-11）
二、传热系数
1,概念
是指用来表征传热过程强烈程度的指标。
数值上等于冷热流体间温差 ℃,
传热面积 时热流量的值。
K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。
其大小 受较多的因素的影响,
①参与传热过程的两种流体的种类；
②传热过程是否有相变
1??t
21mA ?
说明,若流体与壁面间有辐射换热现象，
上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：
表面传热系数应取复合换热表面传热系数，
包含由辐射换热折算出来的表面传热系数
在内。其方法见 8 - 4 节。
传热系数的表达式为,
21
11
1
hh
k
??
?
?
? （ 1-12）
传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，
即它等于组成传热过程诸环节的,
及 之和的倒数。如果对式（ 1-12）取倒
数，还可理解得更深刻些。此时
1/1 h ?? /
2/1 h
或
21
111
hhk
???
?
? （ 1-13）
21
111
AhAAhAk ??? ?
? （ 1-14）
此式与欧姆定律 比较,
具有 电阻 之功能。
由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的
热阻 组成。
串联热阻叠加原则,在一个串联的热量传递
过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，
则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环
节热阻之和。
RUI /? ? ?Ak/1
§ 1-3 传热学发展简史
18世纪 30年代工业化革命促进了传热学的发
展
?导热（ Heat conduction）
? 钻炮筒大量发热的实验（ B,T,Rumford,
1798年）
? 两块冰摩擦生热化为水的实验（ H,Davy,
1799年）
? 导热热量和温差及壁厚的关系（ J,B,
Biot,1804年）
? Fourier 导热定律 (J,B,J,
Fourier,1822 年）
? G,F,B,Riemann/ H,S,Carslaw/
J,C,Jaeger/ M,Jakob
?对流换热 （ Convection heat transfer）
? 不可压缩流动方程 （ M.Navier,1823年 )
? 流体流动 Navier-Stokes基本方程
(G.G.Stokes,1845年）
? 雷诺数 (O.Reynolds,1880年）
? 自然对流的理论解（ L.Lorentz,1881年）
? 管内换热的理论解（ L.Graetz,1885年；
W.Nusselt,1916年）
? 凝结换热理论解 （ W.Nusselt,1916年）
? 强制对流与自然对流无量纲数的原则关系
（ W.Nusselt,1909年 /1915年）
? 流体边界层概念 （ L.Prandtl,1904年）
? 热边界层概念 （ E.Pohlhausen,1921年）
? 湍流计算模型 （ L.Prandtl,1925年；
Th.Von Karman,1939年； R.C,
Martinelli,1947年）
本章小结,
(1) 导热
Fourier 定律,
(2) 对流换热
Newton 冷却公式,
(3) 热辐射
Stenfan-Boltzmann 定律,
(4) 传热过程
x
tAΦ
d
d???
tAh ???
4TA ???
绪 论
§ 1-0 概 述
一, 基本概念
?1,传热学
? 传热学是研究热量传递规律的学科。
? 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分；
? 2)物体之间存在温差时，热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
2,热量传递过程
根据物体温度与时间的关系，热量传递过
程可分为两类,
（ 1 ）稳态传热过程；
（ 2 ）非稳态传热过程。
1 ）稳态传热过程（定常过程）
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传
递过程均称稳态传热过程。
2 ）非稳态传热过程（非定常过程）
凡是物体中各点温度随时间的变化而变
化的热传递过程均称非稳态传热过程。
各种热力设备在持续不变的工况下运行
时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、
停机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传
热过程。
二、讲授传热学的重要性及必要性
1,传热学是热工系列课程教学的主要内
容之一，是建环专业必修的专业基础课。
是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响
到后续专业课的学习效果。
2,传热学在生产技术领域中的应用十分
广泛。如,
(1) 日 常生活中的例子,
a 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？
b 夏 天人在同样温度（如,25度）的空气
和水中的感觉不一样。为什么？
c 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？越厚越好？
(1) 日 常生活中的例子,
(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新
能源、微电子、核能、航空航天、微机电
系统（ MEMS）、新材料、军事科学与技术、
生命科学与生物技术 …
(3) 几个特殊领域中的具体应用
a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷
却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；
卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大
气层冷却；超高音速飞行器 （ Ma=10） 冷却；
核热火箭, 电火箭；微型火箭 （ 电火箭,
化学火箭 ） ；太阳能高空无人飞机
b 微电子,电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；
组织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机, 坦克；激光武器；弹药
贮存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调 /热泵；
高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
?1 ）理论性、应用性强
? 传热学是热工系列课程内容和课程体系
设置的主要内容之一。是一门理论性、应
用性极强的专业基础课，在热量传递的理
论分析中涉及到很深的数学理论和方法。
在生产技术领域应用十分广泛。传热学的
发展促进了生产技术的进步。
1、特点
?2) 有利于创造性思维能力的培养
? 传热学是建筑环境与设备工程专业的主
干专业课之一，在教学中重视学生在学习过
程中的主体地位，启迪学生学习的积极性，
在时间上给学生留有一定的思维空间。从而
进一步培养创新的思维能力。对综合性、应
用性强的传热问题都有详细地分析讨论。同
时介绍了传热学的发展动态和前景。从而给
学生开辟了广阔且纵深的思考空间。
?3 ）教育思想发生了本质性的变化
? 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转
变到重点培养学生综合素质和能力方面，
这是传热学课程理论联系实际的核心。从
实际工程问题中、科学研究中提炼出综合
分析题，对培养学生解决分析综合问题的
能力起到积极的作用。
? 2,研究对象
? 传热学研究的对象是热量传递规律。
?3,研究方法
? 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但
是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方
程），但不能确定物体内温度分布。
4、学习目的
通过学习能熟练掌握传热过程的基本规
律、实验测试技术及分析计算方法，从而达
到认识、控制、优化传热过程的目的。
§ 1-2 热量传递的三种基本方式
一、导热（热传导）
1,概念
定义,物体各部分之间不发生相对位
移时，依靠分子、原子及自由电子等微观
粒子的热运动而产生的热量传递称导热。
如：固体与固体之间及固体内部的热
量传递。
从微观角度分析气体、液体、导电固体与
非金属固体的导热机理。
（ 1 ）气体中,导热是气体分子不规
则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，
动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，
使热能从高温传到低温处。
?（ 2 ）导电固体,其中有许多自由电子，
它们在晶格之间像气体分子那样运动。自
由电子的运动在导电固体的导热中起主导
作用。
?（ 3 ）非导电固体,导热是通过晶格结构
的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、
分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
?（ 4 ）液体的导热机理,存在两种不同的
观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些，
因液体分子的间距较近，分子间的作用力对
碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非
导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，
原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的宏观规律。
2,导热的基本规律
?1 ）傅立叶定律
?（ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均
匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。对
于 x方向上任意一个厚度为的微元层来说，
根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导
热热量与当地的温度变化率及平板面积 A成
正比，即
dx
dtA????
式中 是比例系数，称为 热导率,又称
导热系数,负号表示热量传递的方向与温
度升高的方向相反。
?
（ 1-1）
?2 ）热流量
?单位时间内通过某一给定面积的热量称为
热流量，记为,单位 w。
?3 ）热流密度（面积热流量）
?单位时间内通过单位面积的热量称为热流
密度，记为 q,单位 w/ ㎡ 。
?当物体的温度仅在 x 方向放生变化时，
按傅立叶定律，热流密度的表达式为,
?
dx
dt
A
q ??
?
?
说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式
（ 1-1 ）、（ 1-2 ）是一维稳态导热时
傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知,
（ 1-2）
?（ 1 ）当温度 t 沿 x 方向增加时,
＞０而 q ＜０，说明此时热量沿 x 减小
的方向传递；
?（ 2 ）反之，当 <0 时,q>0,说
明热量沿 x 增加的方向传递。
?（ 3 ）导热系数 λ 表征材料导热性能
优劣的参数，是一种物性参数，单位,
w/mk 。
dx
dt
dx
dt
? 不同材料的导热系数值不同，即使同一种
材料导热系数值与温度等因素有关。金属
材料最高，良导电体，也是良导热体，液
体次之，气体最小。
二、对流
1,基本概念
1) 对流,是指由于流体的宏观运动，从而使
流体各部分之间发生相对位移，冷热流体
相互掺混所引起的热量传递过程。
对流仅发生在流体中，对流的同时必
伴随有导热现象。
2,对流换热的分类
1）根据对流换热时 是否发生相变 分：有
相变的对流换热和无相变的对流换热。
2）根据引起 流动的原因 分：自然对流和
强制对流。
2) 对流换热, 流体流过一个物体表面时的
热量传递过程，称为对流换热。
1 ）自然对流,
由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体
的流动。
如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。
2 ）强制对流,
流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作
用所造成的。
3 ）沸腾换热及凝结换热,
液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结
的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对
流沸腾）。
3,对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 >
流体被加热时,
流体被冷却时,
)( fw tthq ??
)( wf tthq ??
式中,及 分别为壁面温度和流体
温度,℃ 。 ftwt
（ 1-3）
（ 1-4）
?如果把温差（亦称温压）记为,并约
定永远取正值，则 牛顿冷却公式 可表示为
thq ??
tAh ???
其中 h — 比例系数（表面传热系数）
单位 。 ? ?
2W / m K?
（ 1-5）
（ 1-6）
t?
h 的物理意义,单位温差作用下通过单位
面积的热流量。
表面传热系数的大小与传热过程中的许多因
素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表
面的形状、大小相对位置，而且与流体的流
速有关。
一般地,就介质而言,水的对流换热比空
气强烈；
就换热方式而言,有相变的强于无相变的；
强制对流强于自然对流。
对流换热研究的基本任务,用理论分析或
实验的方法推出各种场合下表面换热导数
的关系式。
三、热辐射
1、基本概念
1 ）辐射和热辐射
物体通过电磁波来传递能量的方式称
为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称
为热辐射。
2 ）辐射换热
辐射与吸收过程的综合作用造成了以
辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换
热。
?自然界中的物体都在不停的向空间发出热
辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的
辐射热。
?说明：辐射换热是一个动态过程，当物体
与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热
量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进
行，只是辐射热与吸收热相等。
3 ）导热、对流、辐射的评述
① 导热、对流两种热量传递方式，只在有物
质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需
中间介质，可以在真空中传递，而且在真空
中辐射能的传递最有效。
② 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，
而且伴随有能量形式的转化。
? 在辐射时，辐射体内热能 → 辐射能；在吸收时，
辐射能 → 受射体内热能，因此，辐射换热过程
是一种能量互变过程。
③ 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，
即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温
物体向高温物体辐射热能,
④ 辐射换热不需要中间介质，在真空中即
可进行，而且在真空中辐射能的传递最有
效。因此，又称其为非接触性传热。
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏
观表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这
是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
2,热辐射的基本规律,
?所谓绝对 黑体,把吸收率等于 1 的物体
称黑体，是一种假想的理想物体。
?黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中
是最大的而且辐射热量服从于 斯忒藩 ——
玻耳兹曼定律 。
?黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于
斯忒藩 —— 玻耳兹曼定律，即
4TA ??? （ 1-7）
其中 T —— 黑体的热力学温度 K ；
—— 斯忒潘 — 玻耳兹曼常数（黑体
辐射常数），其值为 ；
A—— 辐射表面积 m2 。
?
? ?- 8 2 45,6 7 1 0 W/ m K??
实际物体辐射热流量根据 斯忒潘 —— 玻耳
兹曼定律 求得,
其中 Φ —— 物体自身向外辐射的热流量，
而不是辐射换热量；
—— 物体的 发射率（黑度）,其
值总小于 1，它与物体的种类及表面状态有
关。
?
4TA ???? （ 1-8 ）
要计算辐射换热量，必须考虑投到物体
上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，
详见第八章。
物体包容在一个很大的表面温度为的
空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量
)( 424111 TTA ??? ?? （ 1-9 ）
§ 1-3 传热过程和传热系数
一、传热过程
1,概念
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到
另一侧流体中去的过程称传热过程。
2,传热过程的组成
传热过程一般包括串联着的 三个环节 组成，
即,
① 热流体 → 壁面高温侧；
② 壁面高温侧 → 壁面低温侧；
③ 壁面低温侧 → 冷流体。
若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
3,传热过程的计算
? ?
? ?
? ?
222
21
111
fw
ww
wf
ttAh
tt
A
ttAh
???
???
???
?
?
（ a）
（ b）
（ c）
针对稳态的传热过程，即 Q=const
如图 1- 3,其 传热环节有三种情况,则
其热流量的表达式如下,
将式（ a）、（ b）、（ c）改写成温差的形
式,
2
22
21
1
11
/
Ah
tt
A
tt
Ah
tt
fw
ww
wf
?
??
?
??
?
??
??
（ d）
（ e）
（ f）
三式相加，整理可得,
也可以表示成,
式中,称为传热系数，单位
为 。 k
? ?2W / m K?
21
21
11
)(
hh
ttA ff
??
?
??
?
?
（ 1-10）
tAkttAk ff ????? )( 21
（ 1-11）
二、传热系数
1,概念
是指用来表征传热过程强烈程度的指标。
数值上等于冷热流体间温差 ℃,
传热面积 时热流量的值。
K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。
其大小 受较多的因素的影响,
①参与传热过程的两种流体的种类；
②传热过程是否有相变
1??t
21mA ?
说明,若流体与壁面间有辐射换热现象，
上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：
表面传热系数应取复合换热表面传热系数，
包含由辐射换热折算出来的表面传热系数
在内。其方法见 8 - 4 节。
传热系数的表达式为,
21
11
1
hh
k
??
?
?
? （ 1-12）
传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，
即它等于组成传热过程诸环节的,
及 之和的倒数。如果对式（ 1-12）取倒
数，还可理解得更深刻些。此时
1/1 h ?? /
2/1 h
或
21
111
hhk
???
?
? （ 1-13）
21
111
AhAAhAk ??? ?
? （ 1-14）
此式与欧姆定律 比较,
具有 电阻 之功能。
由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的
热阻 组成。
串联热阻叠加原则,在一个串联的热量传递
过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，
则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环
节热阻之和。
RUI /? ? ?Ak/1
§ 1-3 传热学发展简史
18世纪 30年代工业化革命促进了传热学的发
展
?导热（ Heat conduction）
? 钻炮筒大量发热的实验（ B,T,Rumford,
1798年）
? 两块冰摩擦生热化为水的实验（ H,Davy,
1799年）
? 导热热量和温差及壁厚的关系（ J,B,
Biot,1804年）
? Fourier 导热定律 (J,B,J,
Fourier,1822 年）
? G,F,B,Riemann/ H,S,Carslaw/
J,C,Jaeger/ M,Jakob
?对流换热 （ Convection heat transfer）
? 不可压缩流动方程 （ M.Navier,1823年 )
? 流体流动 Navier-Stokes基本方程
(G.G.Stokes,1845年）
? 雷诺数 (O.Reynolds,1880年）
? 自然对流的理论解（ L.Lorentz,1881年）
? 管内换热的理论解（ L.Graetz,1885年；
W.Nusselt,1916年）
? 凝结换热理论解 （ W.Nusselt,1916年）
? 强制对流与自然对流无量纲数的原则关系
（ W.Nusselt,1909年 /1915年）
? 流体边界层概念 （ L.Prandtl,1904年）
? 热边界层概念 （ E.Pohlhausen,1921年）
? 湍流计算模型 （ L.Prandtl,1925年；
Th.Von Karman,1939年； R.C,
Martinelli,1947年）
本章小结,
(1) 导热
Fourier 定律,
(2) 对流换热
Newton 冷却公式,
(3) 热辐射
Stenfan-Boltzmann 定律,
(4) 传热过程
x
tAΦ
d
d???
tAh ???
4TA ???
