《传热学》授课教案
课程编号：030203 课程名称：传热学
课程类别：专业基础课 英文：Heat Transfer
适用专业：建筑环境与设备工程先修课程： 高等数学、流体力学、热力学 总学时：68 学时实验学时：4 学时 授课学时:60 学时上机学时： 4 学时
一、课程的性质与任务
本课程是建筑环境与设备工程专业的一门专业基础课。它应该使学生获得必 要的巩固的有关热能传递的基本理论知识、相应的分析计算能力以及一定的实验 技能的训练。它不仅为学习专业知识提供扎实的理论基础，也为培养提高学生分 析和解决工程实际问题能力提供了重要环节。
绪 论
0.1 传热学的研究内容与研究方法
介绍传热学的研究对象及其在科学技术中的作用； 热能、热量的定义；
传热学课程学习的主要目的； 传热学的主要研究方法:
理论分析、数值模拟、实验研究、比拟（类比）法 0.2 热量传递的基本方式
热传导 (heat conduction)：定义？ 大平壁的一维稳态导热： Φ Aλ tw1 tw2
δ
? =
导热系数λ 的定义及单位？
平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单 位为K/W : R A λ
δ λ
=
热对流 (heat convection)
热对流与对流换热的定义，及区别。 牛顿冷却公式：
φ= Ah(tw – tf) 或 q = h(tw – tf)
热辐射（heat radiation）
热辐射及辐射力的物理意义及其定义 热辐射的主要特点：四个特点？？？ 0.3 传热过程
定义：热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。 由三个相互串联的环节组成: （冬季外墙为例）。 通过平壁的稳态传热过程：
热流量的求解，热阻网络图，传热系数
本 章 重 点
（1） 热传导、热对流、热辐射三种热量传递基本方式的机理及特点； （2） 热流量、热流密度、导热系数、对流换热、表面传热系数、传热系数、 热阻等基本概念；
（3） 灵活运用平壁的一维稳态导热公式、对流换热的牛顿冷却公式、通过平 壁的一维传热过程计算公式进行相关物理量的计算 课后作业： 11，12，13，14。选作：5、7。
第一章导热理论基础
本章主要内容：
（1）与导热有关的基本概念； （2）导热的基本定律；
（3）导热现象的数学描述方法。导热问题研究方法：
从连续介质的假设出发、从宏观的角度来讨论导热热流量与物体温度分布及 其他影响因素之间的关系。 第一节 基本概念及傅里叶定律 1.1 基本概念：
", 温度场(temperature field) ： t = f (x, y, z,τ )， 用文字描述
温度不随时间变化的温度场，其中的导热称为稳态导热： t = f (x, y, z) ( 0)
τ
? = ?
t
", 等温面与等温线（类似于等高线contour）：定义
特征：
1．同一时刻，物体中温度不同的等温面或等温线不能相交；
2．在连续介质的假设条件下，等温面（或等温线）或者在物体中构成封 闭的曲面（或曲线），或者终止于物体的边界，不可能在物体中中断。 ", 温度梯度(temperature gradient,方向和大小)： 定义：等温面法线方向的温度变化率矢量 t t n ? = ?
grad n 温度梯度是
矢量，指向温度增加的方向。
在直角坐标系中，温度梯度可表示为： t t t t x y z
? ? ? = + + ? ? ? grad i j k
", 热流密度 (heat flux)及热流矢量 热流密度矢量 ： 方向指向温度降低的方向 大小通过该点最大的热流密度值 n t
dA dΦ q
在直角坐标系中，热流密度矢量可表示为： q = qxi + qy j + qzk
1. 2 导热的基本定律—傅里叶定律
傅里叶（ Fourier）于1822 年提出了著名的导热基本定律—傅里叶定律， 指出了导热热流密度矢量与温度梯度之间的关系。t t n n
λ λ
?
= ? = ? ? q grad
傅里叶定律的适用条件：适用于各向同性物体。对于各向异性物体，热流密 度矢量的方向不仅与温度梯度有关,还与热导率的方向性有关, 因此热流密度矢
量与温度梯度不一定在同一条直线上。
由傅里叶定律可知, 要计算导热热流量, 需要知道材料的热导率, 还必须 知道温度场。所以,求解温度场是导热分析的主要任务。
第二节 导热系数
2.1 定义
导热系数物质导热能力的大小。根据傅里叶定律表达式： q t
λ =
grad
注意：绝大多数材料的导热系数值都可以通过实验测得。 2.2 温度对导热系数的影响
一般地说, 所有物质的导热系数都是温度的函数,不同物质的热导率随温度 的变化规律不同。
", 纯金属的导热系数随温度的升高而减小。
", 一般合金和非金属的导热系数随温度的升高而增大。
", 大多数液体（水和甘油除外）的导热系数随温度的升高而减小。 ", 所有气体的导热系数均随温度升高而增大
", 在工业和日常生活中常见的温度范围内, 绝大多数材料的导热系数可以近 似地认为随温度线性变化, 表示为： [ ] 0 λ = λ 1+ bt ，
注意： 0
λ 及系数b 的含义。
2.3 多孔材料的导热系数
绝大多数建筑材料和保温材料（或称绝热材料）都具有多孔或纤维结构(如 砖、混凝土、石棉、炉渣等), 不是均匀介质,统称多孔材料。
保温材料（或称绝热材料）：用于保温或隔热的材料。国家标准规定，温度 低于350℃时导热系数小于0.12 W/(m×K)的材料称为保温材料。
第三节 导热微分方程式
建立数学模型的目的：求解温度场 t f (x, y, z, ) = τ 导热数学模型的组成：导热微分方程式+单值性条件 3.1 导热微分方程式的导出
依据：能量守恒和傅里叶定律。
假设：1）物体由各向同性的连续介质组成； 2）有内热源，表示单位时间、 单位体积内的生成热，单位为W/m3。 步骤：
1）根据物体的形状选择坐标系, 选取物体中的微元体作为研究对象； 2）根据能量守恒, 建立微元体的热平衡方程式
3）根据傅里叶定律及已知条件, 对热平衡方程式进行归纳、整理，最后得 出导热微分方程式
3.2 在直角坐标系中建立导热微分方程式：
V
c t t t t x x y y z z
? ? ? ? ? ? ρ λ λ λ Φ τ ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?? = ? ? ? + ? ? + ? ?? + ? ? ? ? ? ? ? ?? &
当导热系数λ为常数时, 上述导热微分方程式可简化为其中： ?2是拉普拉斯算子
导温系数 a (thermal diffusivity,也称热扩散率)： a c
λ ρ
= 其大小反映物
体被瞬态加热或冷却时温度变化的快慢，或者是物体温度趋于均匀一致的能力。 3.3 圆柱和球坐标系下的导热微分方程式 第四节导热过程的单值性条件 单值性条件：为完整的描写某个具体的导热过程，必须说明导热过程的具体特点, 即给出导热微分方程的单值性条件（或称定解条件），使导热微分 方程式具有唯一解。
单值性条件一般包括：几何条件、物理条件、时间条件、边界条件
", 几何条件：说明参与导热物体的几何形状及尺寸。几何条件决定温度场的空 间分布特点和分析时所采用的坐标系。
", 物理条件：说明导热物体的物理性质, 例如物体有无内热源以及内热源的分 布规律，给出热物性参数(l、r、c、a 等)的数值及其特点等。