传热与传质基础

引用

Bergman, T. L., Lavine, A. S., Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. (2018). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (8th ed.). Wiley.

章节概要

全书约990页，共十四章和七个以字母编号的附录，其后是换算系数和物理常数。附录包括热物理性质、数学关系式、高斯—赛德尔法、对流传递方程、湍流边界层方程以及积分形式的层流边界层解。出版社介绍说，本书的讲解围绕四个学习目标展开：掌握传热的术语和物理原理；识别任何涉及传热的过程所含的相关输运现象；运用计算传热速率和温度所需的输入；为实际过程建立模型，并就设计或性能得出结论。出版社还强调系统的解题方法、跨工程领域的大量例题，以及对适合用计算软件求解的习题所作的标注。本版更加强调基本概念以及能源与环境。

第1章：导论

本章把传热定义为由空间温差引起的、处于传递过程中的热能，并介绍三种方式：导热、对流和辐射。它把传热与热力学第一定律以及第二定律和热机效率联系起来，讲到单位与量纲，并给出分析问题的方法。最后一节是传热的意义，借美国的能源流动以及其中以热的形式损失的大量能量来说明为什么要学这门学科。

第2–5章：导热导论；一维稳态导热；二维稳态导热；瞬态导热

第2章给出导热速率方程、物质的热性质，以及带边界条件和初始条件的热扩散方程。第3章讨论平壁、复合壁、接触热阻、径向系统、有内热源的导热和扩展表面（肋片），最后是生物热方程、热电发电和纳米尺度导热等应用。第4章包括分离变量法、导热形状因子和有限差分法。第5章从集总热容法开始，继续讲带对流的平壁和径向系统、半无限固体、周期性加热和有限差分法。

第6–9章：对流导论；外部流动；内部流动；自然对流

第6章引入速度、热和浓度边界层，边界层方程与相似性，以及动量、热量和质量传递之间的类比。第7、8章把这些应用到绕物体的流动和管内流动，第8章还包括强化传热和小通道中的强制对流。第9章转向浮升力驱动的流动，包括封闭空间以及自然与强制对流并存的情形。第8、9章末尾各有一节对流传质。

第10–11章：沸腾与凝结；换热器

第10章涉及沸腾模态、池沸腾与强制对流沸腾，以及膜状凝结和珠状凝结。第11章介绍换热器类型、总传热系数、对数平均温差法、效能—NTU法，以及设计与性能计算。

第12–13章：辐射：过程与性质；表面之间的辐射换热

第12章涉及黑体辐射、实际表面的发射、吸收、反射与透射、基尔霍夫定律、灰体表面和环境辐射。第13章讨论表面之间的辐射换热、多种传热方式并存的情形，以及含参与介质的辐射。

第14章：扩散传质

最后一章发展扩散传质：菲克定律、非静止介质中的传质、组分守恒、界面条件、均相化学反应和瞬态扩散。

核心概念

第1–5章：导热

• 传热方式：导热、对流和辐射，各有其速率方程。
• 热阻：处理通过复合壁和径向系统的稳态导热的类电路方法。
• 肋片：增加传热的扩展表面。
• 集总热容法：瞬态导热的简化模型。

第6–11章：对流、相变与换热器

• 边界层：支配对流的速度、热和浓度薄层。
• 关联式：外部、内部和自然对流的经验关系式。
• 沸腾与凝结：伴随相变的传热。
• 换热器分析：对数平均温差法和效能—NTU法。

第12–14章：辐射与传质

• 黑体辐射与灰体表面：辐射性质模型的基础。
• 辐射换热：表面之间的热交换。
• 扩散传质：菲克定律与组分守恒。

评析

优点

• 固定的解题方法。 出版社强调严谨、系统的方法，而且第1章本身就有一节专讲传热问题的分析，因此从一开始就明确教授这一方法。
• 导热、对流、辐射和传质集于一册。 换热器、沸腾与凝结以及传质都包括在内，而且从第6章起，传质就与对流一起介绍。
• 应用面广。 一维导热一章以生物热、热电发电和纳米尺度导热收尾，而意义一节则借能源使用和环境来展现这门学科。
• 对计算的支持。 出版社指出，书中标明了适合用计算软件求解的习题。

局限

• 篇幅。 约990页，超出一门课程所能涵盖的范围，读者必须选择章节。
• 先修要求。 第一章明确建立在先前学过的热力学基础上，把它扩展到能量传递的速率，所以缺少这一背景的读者开头会比较吃力。
• 传质内容分散。 传质内容出现在第6、8、9章以及第14章，因此只讲传热的课程需要挑出要略去的小节。

在课程中的定位

在这门传热课程中，Bergman等人写的是内容全面的本科教材。A Heat Transfer Textbook 和Nellis与Klein的 Introduction to Engineering Heat Transfer 是入门性的替代选择，后者把推导与计算工具结合起来；Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 和Kreith与Manglik的 Principles of Heat Transfer 是同类的工程教材，可作为有用的参照。Ghiaasiaan的 Convective Heat and Mass Transfer 是研究生层次的对流论述，延伸了本书第6至9章。

如何使用本书

本书面向学过热力学、流体力学以及到常微分方程为止的微积分的工程专业学生。

对于第一门课，应仔细阅读第1章，因为它确立了三种方式、能量平衡和解题方法。第2、3章是导热的核心；若需要瞬态问题，则接着读第5章。第6至9章构成对流的核心，加上讲换热器的第11章和讲辐射的第12、13章，便构成一门标准课程。第4章（含其中的数值方法）、讲沸腾与凝结的第10章，以及讲传质的第14章，可按课程需要选读。解题时要不断使用附录，尤其是附录A的热物理性质，并且每道例题的求解都遵循第1章的方法。