第1章導(dǎo)論
§1-1傳熱傳質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象和方法
傳熱傳質(zhì)學(xué)是研究由于有溫度差異所引起的能量傳遞過(guò)程？包括有“相變”時(shí)的相際傳遞和多組分物系因組分分布不均勻的濃度差異伴隨發(fā)生物質(zhì)遷移現(xiàn)象的一門(mén)科學(xué)？
差異就是矛盾，當(dāng)物體內(nèi)部或物系之間出現(xiàn)溫度差異，或者溫度不相同的物體彼此接觸時(shí)，就有了相對(duì)比較“熱”和“冷”的矛盾雙方，總會(huì)發(fā)生熱量從溫度較高區(qū)傳往溫度較低區(qū)的傳遞過(guò)程，常稱(chēng)之為“傳熱”？所傳遞的熱量，無(wú)法直接看到，但所產(chǎn)生的效應(yīng)是可被觀察和測(cè)定的？體積不變時(shí)的物體得到或傳出熱量，將引起“內(nèi)能”的增減，反映為溫度的升降，或者產(chǎn)生“相”和凝聚態(tài)的變化？自發(fā)的傳熱，永遠(yuǎn)使對(duì)立的冷？熱雙方各自向自己的反面轉(zhuǎn)化:原先溫度比較高的，因傳走熱量而逐漸被冷卻;原先溫度比較低的，則因得到熱量而逐漸被加熱？這樣，隨著相互之間溫度差異的縮小，最終將建立起溫度一致的“平衡”狀態(tài)？如果想維持某部分的溫度高于另一部分的溫度，就必須從外界不斷向溫度高的那部分補(bǔ)充所傳走的熱量，并從溫度低的那部分取走所傳入的熱量？
傳熱，當(dāng)然包括熱量傳遞同時(shí)，出現(xiàn)能量形式之間轉(zhuǎn)化的更復(fù)雜的過(guò)程？例如，高速氣流對(duì)固體表面的“氣動(dòng)加熱”效應(yīng)，電機(jī)電器的通電發(fā)熱，電光源在白熾高溫下的輻射熱，化學(xué)反應(yīng)總伴隨著吸熱或者放熱等，所傳遞的熱量就來(lái)源于機(jī)械能？電能？光能？化學(xué)能等其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子隨機(jī)“熱運(yùn)動(dòng)”形式的熱能？因此，廣義的傳熱學(xué)可被看做是“能量傳遞學(xué)”？而研究熱和其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)化的科學(xué)分支是“熱力學(xué)”？這表明:傳熱過(guò)程必須遵守?zé)崃�學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律這兩個(gè)自然規(guī)律？熱力學(xué)第一定律所闡明的，是運(yùn)動(dòng)不滅？能量守恒和可轉(zhuǎn)化的自然法則，任何傳熱過(guò)程決不能違背能量收支平衡的原則？熱力學(xué)第二定律指出自然界的過(guò)程總是有條件進(jìn)行的，傳熱只能從溫度較高處傳往溫度較低處，引起“熵”增和能量可用性的損失[1，2]？熱力學(xué)把傳熱量和功量(包括機(jī)械功？電功等)作為“轉(zhuǎn)移能”而與宏觀的位能？動(dòng)能？?jī)?nèi)能的作為“儲(chǔ)存能”明確區(qū)別開(kāi)來(lái)？轉(zhuǎn)移能是由過(guò)程前后儲(chǔ)存能的改變轉(zhuǎn)化來(lái)的？但是，經(jīng)典熱力學(xué)只限于研究“平衡態(tài)”和保持動(dòng)平衡的“可逆過(guò)程”？而熱量傳遞的過(guò)程是溫度不平衡的結(jié)果，是典型的不可逆過(guò)程，必須由另一個(gè)學(xué)科分支對(duì)傳熱的快慢程度進(jìn)行定量分析和計(jì)算，這個(gè)學(xué)科分支就是“傳熱學(xué)”？具體地說(shuō)，如果不發(fā)生能量形式的轉(zhuǎn)化，單純傳熱過(guò)程的外傳熱量將是過(guò)程前后的內(nèi)能差與功量的代數(shù)和？這種熱力學(xué)分析，既不涉及傳熱的機(jī)理，也不涉及外傳熱量所需時(shí)間的長(zhǎng)短？溫差越大，傳熱越快，引起能量可用性的損失越多？專(zhuān)門(mén)研究傳熱的規(guī)律，計(jì)算給定條件下的傳熱速率和“熱流量”①的大小，是傳熱學(xué)的任務(wù)？傳熱學(xué)和熱力學(xué)，是理解各種熱物理現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，也是創(chuàng)新熱利用和熱管理技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性分析的重要依據(jù)？
在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，經(jīng)常遇到有關(guān)加熱/冷卻？蒸發(fā)/凝結(jié)？熔化/凝固？隔熱保溫等各種各樣的實(shí)際問(wèn)題？例如，熱工和化工技術(shù)人員在評(píng)價(jià)鍋爐？制冷機(jī)？換熱器和反應(yīng)器的設(shè)備大��？能力和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，就必須進(jìn)行詳盡的傳熱分析？一些工作在高溫氣氛下的部件，如燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉片和燃燒室壁，能否在設(shè)計(jì)工況下長(zhǎng)期正常運(yùn)行，取決于保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)材料的冷卻措施是否合適可靠，還需重視熱應(yīng)力和由此引起的形變等問(wèn)題？許多新興技術(shù)裝備，如原子反應(yīng)堆的堆芯？大功率火箭的噴管？緊密的電子器件？重返地面的宇宙飛行器等，要使設(shè)計(jì)和運(yùn)行安全可靠，必須嚴(yán)密控制傳熱情況以維持合理的預(yù)期工作溫度？而對(duì)連續(xù)工作的電機(jī)？變壓器和軸承，同樣要防止因超溫過(guò)熱而損傷設(shè)備？在機(jī)械制造工藝方面，不僅熱加工直接牽涉到溫度分布和隨時(shí)間變動(dòng)速率的控制問(wèn)題，精密機(jī)床的切削速度也會(huì)引起刀具和加工件的發(fā)熱并影響加工精度和刀具壽命？建筑部門(mén)將遇到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫？大型混凝土結(jié)構(gòu)在快速澆灌中出現(xiàn)熱應(yīng)力等技術(shù)問(wèn)題？列舉的所有傳熱問(wèn)題可歸納為兩種類(lèi)型:一類(lèi)著眼于傳熱速率的大小及其控制問(wèn)題，或者增強(qiáng)傳熱以縮小設(shè)備尺寸或提高生產(chǎn)能力，或者削弱傳熱以避免散熱損失或保持設(shè)備內(nèi)部低于周?chē)�環(huán)境溫度;另一類(lèi)著眼于溫度分布及其控制問(wèn)題？控制傳熱，必須按照客觀規(guī)律，分析傳熱的具體情況，找出有效的控制措施？有關(guān)高溫部件保護(hù)性冷卻的進(jìn)展，使傳熱與傳質(zhì)緊密地結(jié)合起來(lái)，傳熱學(xué)逐漸引申為傳熱傳質(zhì)學(xué)？