具体描述
As one of the most popular heat transfer texts, Jack Holman's "Heat Transfer" is noted for its clarity, accessible approach, and inclusion of many examples and problem sets. The new tenth edition retains the straight-forward, to-the-point writing style while covering both analytical and empirical approaches to the subject. Throughout the book, emphasis is placed on physical understanding while, at the same time, relying on meaningful experimental data in those situations that do not permit a simple analytical solution. New examples and templates provide students with updated resources for computer-numerical solutions.
《热传递》是一部深度探讨物质能量流动规律的学术巨著。本书以严谨的理论基础和丰富的实例分析，系统地阐述了热量在三种基本传递机制——传导、对流和辐射——下的行为方式及其影响因素。全书共分为十章，内容循序渐进，由浅入深，旨在为读者构建一个全面而透彻的热传递知识体系。 第一章 绪论：热传递的基本概念与重要性 本章首先界定了热传递的核心概念，即热量从高温物体向低温物体转移的过程。作者详细解释了温度、热量、热能等基本物理量的含义及其相互关系，强调了能量守恒定律在热传递过程中的支配地位。在此基础上，本书阐明了热传递在自然界和工程技术中的普遍性和重要性，从地球的气候变化、生物体的生命活动，到工业生产中的锅炉、换热器、发动机设计，再到日常生活中的保温隔热、制冷空调，无不涉及热传递的原理。通过引入一系列生动的案例，如阳光如何温暖大地，人体如何散热维持体温，以及蒸汽机如何利用热能做功，作者旨在激发读者对这一学科的兴趣，并初步认识到掌握热传递知识的价值。 第二章 热传导：微观机制与宏观规律 热传导是热量在物体内部或接触物体之间传递的主要方式，其本质是物质粒子（电子、原子、分子）振动能量的传递。本章深入剖析了热传导的微观机制，详细介绍了固体、液体和气体中热传导的差异。在固体中，电子的自由运动和晶格振动是热量传递的主要途径；在液体和气体中，分子碰撞和随机运动起主导作用。 宏观层面，本章重点介绍了傅里叶导热定律（Fourier’s Law of Heat Conduction），这一基本定律描述了热流密度与温度梯度的正比关系。作者详细推导了傅里叶定律，并引入了热导率（thermal conductivity）这一关键的热物理参数，解释了不同材料热导率的差异及其对热传导速率的影响。随后，本书系统地阐述了一维、二维和三维稳态导热问题，包括平板、圆筒壁、球壳等典型几何形状的温度分布和热流量计算。 对于非稳态导热，即温度随时间变化的导热过程，本章引入了热扩散方程（heat diffusion equation），并介绍了求解该方程的多种方法，包括解析法（适用于简单几何和边界条件）和数值法（如有限差分法、有限元法，适用于复杂问题）。例如，作者会详细讲解如何利用泊松方程或热扩散方程的数值求解来分析瞬时加热或冷却过程中物体的温度变化。 第三章 热对流：流体运动与能量交换 热对流是指流体（液体或气体）在流动过程中伴随发生的热量传递。与热传导不同，对流过程涉及宏观流体的运动。本章将热对流分为自然对流（由流体密度差引起的浮力驱动）和强制对流（由外部机械力如泵或风扇驱动）。 在自然对流部分，作者深入探讨了浮力产生的原因，如温度变化导致密度差异，并分析了其在加热表面周围流体运动中的作用。本书会详细介绍影响自然对流的因素，包括重力、流体物性参数（如热膨胀系数、动力粘度、热导率、比热容）以及几何形状。 在强制对流部分，作者侧重于分析外部驱动力如何引起流体流动，并由此促进热量传递。本书详细讲解了层流和湍流的区别，并解释了湍流状态下更强的混合作用会显著提高对流换热系数。 为了量化对流换热，本章引入了牛顿冷却定律（Newton’s Law of Cooling），描述了对流换热速率与温度差、换热面积以及对流换热系数（convective heat transfer coefficient）之间的关系。作者详细介绍了努塞尔数（Nusselt number）、雷诺数（Reynolds number）和普朗特数（Prandtl number）等重要的无量纲准则数，并给出了不同流动状态（层流、湍流）下计算对流换热系数的经验关联式。这些关联式是工程设计中进行对流换热计算的关键依据。 第四章 热辐射：电磁波的能量传播 热辐射是指物体以电磁波的形式向外发射能量，并在空间中传播的热量传递方式。与前两种机制不同，热辐射无需介质即可进行，真空中的太阳辐射便是典型例子。本章从电磁理论的角度出发，解释了热辐射的产生机制，即物体内部带电粒子的加速运动。 本书详细介绍了黑体（blackbody）的概念，它能够完全吸收和发射所有波长的电磁辐射，并以此为基准引入了斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law），该定律描述了黑体单位表面积辐射出的总能量与温度的四次方成正比。随后，引入了灰体（gray body）和实际表面（real surface）的概念，并定义了发射率（emissivity）来描述实际表面与黑体在辐射能力上的差异。 辐射换热涉及两个或多个物体之间的能量交换。本章深入探讨了辐射换热的计算，包括表面辐射能力、吸收率、透射率和反射率等参数。特别地，对于一组物体之间的辐射换热，本书会详细介绍辐射角系数（view factor）的概念，它描述了从一个表面发射的辐射能够到达另一个表面的比例。作者还会讲解如何利用福西达定律（View Factor Reciprocity）和方向性求和规则来简化角系数的计算。 此外，本章还将讨论辐射与对流和传导的耦合作用，尤其是在高温环境或真空中，辐射换热往往成为主导。 第五章 稳态传热：温度恒定条件下的分析 本章将前三章介绍的基本传热机制相结合，开始分析更为实际的稳态传热问题。稳态传热是指物体内部的温度分布不随时间变化。作者将通过大量工程实例，展示如何在给定边界条件下，结合传导、对流和辐射定律，求解复杂结构的温度场和热流量。 例如，本书会详细分析多层复合壁的稳态导热，讲解如何利用热阻串并联模型来简化计算。对于圆筒或球形壁，也会推导出相应的温度分布方程。此外，本章还会考虑翅片（fins）的传热问题，分析翅片在增加散热面积以提高换热效率方面的作用，并推导翅片的效率和总传热量。 第六章 非稳态传热：瞬时温度变化分析 与稳态传热相反，非稳态传热是指物体内部的温度随时间发生变化。这类问题在实际工程中非常普遍，例如物体加热或冷却的过程。本章将深入探讨非稳态传热的求解方法。 除了前面提到的解析法和数值法，本章还会介绍图解法（如Lumped Capacitance Method，集总参数法），该方法适用于物体的 Biot 数（Biot number）很小的情况，此时可以将物体视为一个整体，其内部温度变化非常均匀。本书会详细阐述集总参数法的原理、适用条件及其计算方法。 对于Biot数较大的情况，非稳态传热问题将变得更为复杂，需要借助傅里叶级数、拉普拉斯变换或者更复杂的数值计算方法。本书将提供详细的步骤和算例，指导读者如何应对这类问题，例如分析一次性淬火或加热过程中金属零件的温度分布。 第七章 对流换热增强与抑制 本章聚焦于如何有效控制和优化对流换热过程。首先，本书会详细介绍各种强化对流换热的技术，包括增加表面粗糙度、设置扰流片、使用涡流发生器，以及采用旋转流体或微通道等。作者将分析这些技术如何通过改变流体流动模式，如诱导湍流、增加湍流强度或减小边界层厚度，来提高换热系数。 同时，本章也会讨论抑制对流换热的策略，这在保温隔热领域尤为重要。例如，如何通过设计多层隔热材料、填充低导热系数的绝热材料（如玻璃棉、聚苯乙烯泡沫），或形成多层空气间隙来阻碍空气流动，从而降低对流热损失。 第八章 辐射换热的实际应用与复杂情况 本章将深入探讨辐射换热在具体工程实践中的应用。例如，在太阳能集热器、高温炉膛、发动机排气系统等领域，辐射换热是不可忽视的能量传递方式。作者将结合具体的应用场景，分析辐射换热的计算和优化方法。 此外，本章还会讨论更为复杂的辐射换热情况，如多表面辐射换热网络（enclosure radiation）、以及辐射与对流的耦合换热，尤其是在高温、低压或真空环境下。例如，分析航天器在太空中的热平衡问题，或者玻璃温室内的温度分布。 第九章 传热过程中的相变 当物质发生相变（如蒸发、冷凝、熔化、凝固）时，热传递过程会发生显著的变化。本章将专门讨论相变传热。 首先，本书会详细介绍沸腾（boiling）和冷凝（condensation）的机理。对于沸腾，将区分不同的沸腾模式，如自然对流沸腾、泡状沸腾、过渡沸腾和电影状沸腾，并分析其对应的换热系数变化规律。对于冷凝，将区分膜状冷凝和滴状冷凝，并分析其影响因素。 其次，本章还会讨论熔化（melting）和凝固（solidification）过程中的热传递，例如冰的融化过程或金属的凝固过程。这类过程通常伴随着相变潜热的吸收或释放，这会显著影响物体的温度变化速率。 第十章 传热过程的数值模拟与现代技术 随着计算能力的飞速发展，数值模拟已成为分析复杂传热问题的重要工具。本章将介绍现代传热分析中常用的数值方法，如有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）。作者将简要阐述这些方法的原理，并展示它们如何应用于求解复杂的传热方程。 此外，本章还将介绍一些与传热相关的现代技术，如微尺度传热、生物传热（如生物组织内的热传递）、以及在新能源技术（如燃料电池、太阳能电池）中的传热问题。通过介绍这些前沿领域，本书旨在拓宽读者的视野，并引导他们认识到传热学在解决当今世界面临的能源、环境和技术挑战中的关键作用。 总而言之，《热传递》是一本内容详实、结构清晰、理论与实践相结合的权威性著作，它为工程师、研究人员以及对物理学和工程学有浓厚兴趣的读者提供了深入理解和应用热传递原理的宝贵资源。
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