5、一厚度为2δ的无限大平壁，导热系数λ为常量，壁内具有均匀的内热源Φ(单位为W/m)，边界条件为x＝0，t=tw1；x=2δ，t=tw2；tw1＞tw2。试求平壁内的稳态温度分布t(x)及最高温度的位置xtmax，并画出温度分布的示意图。 解建立数学描述如下：
3
，
，
，
，
据
温度分布的示意图见图。
可得最高温度的位置xtmax，即
。
非稳态导热
一、基本概念
本节基本概念主要包括：对物理问题进行分析，得出其数学描写(控制方程和定解条件)；定性画出物体内的温度分布；集总参数法的定性分析；时间常数概念的运用；一维非稳态导热分析解的讨论；对海斯勒图(诺谟图)的理解；乘积解在多维非稳态导热中的应用；半无限大物体的基本概念。 1、由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关，而与导热系数无关。你认为对吗? 答：由于描述一个导热问题的完整数学描写不仅包括控制方程，还包括定解条件。所以虽然非稳态导热的控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中却有可能包括导热系数λ(如第二或第三类边界条件)。因此上述观点不对。
2、无内热源，常物性二维导热物体在某一瞬时的温度分布为t＝2ycosx。试说明该导热物体在x＝0，y=1处的温度是随时间增加逐渐升高，还是逐渐降低。
2
答：由导热控制方程，得：
当时，
，故该点温度随时间增加而升高。
3、两块厚度为30mm的无限大平板，初始温度为20℃，分别用铜和钢制成。平板两侧表面的温度突然上升到60℃，试计算使两板中心温度均上升到56℃时两板所需时间之比。铜和钢的热扩散率分别为103×10m2／s，12.9×10m/s。
-6
-62
答：一维非稳态无限大平板内的温度分布有如下函数形式：
两块不同材料的无限大平板，均处于第一类边界条件(即Bi→∞)。由题意，两种材料达到同样工况时，Bi数和
相同，要使温度分布相同，则只需Fo数相等，因此：
，即
，而δ在两种情况下相等，因此：
4、东北地区春季,公路路面常出现“弹簧”,冒泥浆等“翻浆”病害。试简要解释其原因。为什么南方地区不出现此病害?东北地区的秋冬季节也不出现 “翻浆”?
答：此现象可以由半无限大物体（地面及地下）周期性非稳态导热现象的温度波衰减及温度波时间延迟特征来解释。公路路面“弹簧”及“翻浆”病害产生的条件是：地面以下结冰，而地表面已解冻（表面水无法渗如地下）。
东北地区春季地表面温度已高于0℃，但由于温度波的时间延迟，地下仍低于0℃，从而产生了公路路面“弹簧”及“翻浆”等病害。
东北地区的秋冬季节，虽然地表面温度已低于0℃，但由于温度波的时间延迟，地下仍高于0℃，从而不会产生“翻浆”。
南方地区不出现此病害的原因是，由于温度波衰减的特征，使得地下部分不会低于0℃，当然不会出现此病害。
二、定量计算
主要包括：列出具体物理问题的数学描写并求解；集总参数法的应用；一维非稳态导热问题的分析解(无限大平板，无限长圆柱，球)，这是非稳态导热的典型题，可包括己知物体内部温度达某一限定值求所需的时间，或求某一时刻物体内的温度分布，也可确定其他参数(如表面传热系数h、材料的导热系数λ、热扩散率a和物体的特征长度等)；多维非稳态导热问题乘积解；半无限大物体的分析计算。重点是集总参数法和一维非稳态导热问题分析解的应用。
1、一块无限太平板，单侧表面积为A，初温为t0，一侧表面受温度为t∞，表面传热系数为h的气流冷却，
另一侧受到恒定热流密度qw的加热，内部热阻可以忽略，试列出物体内部的温度随时间变化的微分方程式并求解之。设其他几何参数及物性参数已知。
解：由题意，物体内部热阻可以忽略，温度仅为时间的函数，一侧的对流换热和另—侧恒热流加热作为内热源处理，根据热平衡方程可得：
控制方程为：；初始条件：
引入过于温度，则为，
上述控制方程的通解为：故温度分布：
，由初始条件有：
2、热处理工艺中，常用银球来测定淬火介质的冷却能力。今有两个直径均为20mm的银球，加热到650℃后分别置于20℃的静止水和20℃的循环水容器中。当两个银球中心温度均由650℃变化到450℃时，用热电偶分别测得两种情况下的降温速率分别为180℃／s及360℃／s。在上述温度范围内银的物性参数ρ＝10 500 kg／m，c＝2．62×10J／(kg·K)，传热系数。
解：本题表面传热系数未知，即Bi数为未知参数，所以无法判断是否满足集总参数法条件。为此．先假定满足集总参数法条件，然后验算。
3
2
＝360w／(m·K)。试求两种情况下银球与水之间的表面
(1)对静止水情形，由
且，，
故：
验算Bi数：
满足集总参数条件。
(2)对循环水情形，同理，
验算
，不满足集总参数法条件。改用诺谟图。
此时，，
。
查图得
，
故：
3、在太阳能集热器中采用直径为100mm的鹅卵石作为贮存热量的媒介，其初始温度为20℃。从太阳能集热器中引来70℃的热空气通过鹅卵石，空气与卵石之间的表面传热系数为10 w／(m·K)。试问3h后鹅卵石的中心温度为多少?每千克鹅卵石的贮热量是多少？已知鹅卵石的导热系数热扩散率a＝11.3X10m／s，比热容c＝780J／(kg·K)，密度
-72
2
＝2．2w／(m·K)，
＝2500kg／m。
3
解：本题是直径为100mm的球形物体的非稳态导热问题，先判断Bi数，
不满足集总参数法，需用诺漠图求解。
，
由图得，即：
℃
由，，查图得：
对每一块鹅卵石：
每千克鹅卵石含石头的个数
则每千克鹅卵石的贮热量为
J
4、初始温度为300℃，直径为12cm，高为12cm的短钢柱体，被置于温度为30℃的大油槽中，其全部表面均可受到油的冷却，冷却过程中钢柱体与油的表面传热系数为300w／(m·K)。钢柱体的导热系数48W／(m·K)，热扩散率a=1×10 m/s。试确定5min后钢柱体中的最大温差。
解：本题属二维非稳态导热问题，可采用相应的无限长圆柱体和无限大平板的乘积解求解。显然，圆柱体内最高温度位于柱体中心，最低温度位于柱体的上、下边角处。
-5
2
2
＝
对无限长圆柱：，
传热学典型习题详解
