Giáo trình Truyền Nhiệt, Ấn bản thứ 4 - John H. Lienhard IV & V, MIT

• Tác giả: John H. Lienhard IV
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Truyền nhiệt
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Cambridge

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình A Heat Transfer Textbook Lienhard

A Heat Transfer Textbook là giáo trình truyền nhiệt nổi tiếng do hai cha con giáo sư John H. Lienhard IV và John H. Lienhard V biên soạn. Ấn bản thứ tư xuất bản năm 2012 bởi Phlogiston Press tại Cambridge, Massachusetts. Giáo trình này được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học hàng đầu trên toàn thế giới, đặc biệt là tại Đại học Houston và Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Cuốn sách bao gồm đầy đủ các chủ đề từ dẫn nhiệt, đối lưu đến bức xạ nhiệt, kèm theo các bài tập thực hành phong phú. Ấn bản thứ tư được cập nhật đáng kể so với các phiên bản trước, bổ sung nội dung về truyền khối lượng và các công nghệ mới. Tài liệu được phân phối miễn phí trên Internet thông qua sáng kiến OpenCourseWare của MIT từ năm 2000, giúp hàng triệu sinh viên toàn cầu tiếp cận kiến thức chất lượng cao. Cuốn sách sử dụng hệ đơn vị SI, trình bày rõ ràng các phương trình cơ bản như định luật Fourier và phương trình lan truyền nhiệt, tạo nền tảng vững chắc cho việc nghiên cứu chuyên sâu.

1.1. Lịch sử phát triển qua các ấn bản

Giáo trình A Heat Transfer Textbook bắt đầu từ ấn bản đầu tiên năm 1981 do John H. Lienhard IV biên soạn. Ấn bản thứ hai ra đời năm 1987 với sự đóng góp của John H. Lienhard V, bổ sung chương mới về truyền khối lượng. Cuốn sách tạm ngưng xuất bản trong một thời gian. Đến cuối thập niên 1990, hai tác giả bắt tay xây dựng ấn bản thứ ba và phân phối miễn phí trực tuyến năm 2000 qua OpenCourseWare của MIT. Ấn bản thứ tư năm 2012 là bản cập nhật toàn diện nhất, tích hợp nhiều sửa đổi liên tục để bắt kịp sự phát triển công nghệ nhanh chóng. Mỗi phiên bản đều mở rộng nội dung và cải thiện tính sư phạm, phản ánh cam kết lâu dài của hai tác giả đối với giáo dục kỹ thuật.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính của cuốn sách

Cuốn sách được trình bày theo cấu trúc logic, bắt đầu từ các nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học và định luật Fourier về dẫn nhiệt. Phần đầu giới thiệu các khái niệm nền tảng như nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt. Tiếp theo là các chương chuyên sâu về dẫn nhiệt ổn định và không ổn định, đối lưu tự nhiên và cưỡng bức, cùng bức xạ nhiệt. Cuối sách trình bày truyền khối lượng và các ứng dụng thực tiễn. Mỗi chương đều có ví dụ minh họa, bài tập từ cơ bản đến nâng cao, cùng các phụ lục tra cứu dữ liệu vật lý. Phong cách trình bày rõ ràng, dễ tiếp cận cho sinh viên kỹ thuật.

II. Phân tích nội dung chuyên sâu dẫn nhiệt và đối lưu

Phần dẫn nhiệt trong giáo trình A Heat Transfer Textbook được xây dựng dựa trên phương trình lan truyền nhiệt một chiều. Phương trình này kết hợp định luật Fourier với định luật thứ nhất nhiệt động học, tạo thành phương trình vi phân đạo hàm riêng. Phương trình lan truyền nhiệt có dạng: độ dẫn nhiệt nhân với đạo hàm bậc hai của nhiệt độ theo không gian bằng mật độ nhân nhiệt dung riêng nhân đạo hàm nhiệt độ theo thời gian. Độ khuếch tán nhiệt đóng vai trò then chốt trong quá trình dẫn nhiệt không ổn định, tương tự như độ dẫn nhiệt trong trạng thái ổn định. Phần đối lưu phân tích chi tiết hiện tượng truyền nhiệt giữa bề mặt rắn và chất lưu chuyển động. Cuốn sách trình bày các phương trình Navier-Stokes đơn giản hóa, số Nusselt, và các tương quan thực nghiệm cho dòng chảy trong ống và trên bề mặt phẳng. Nội dung được minh họa bằng sơ đồ và biểu đồ phong phú, giúp người học hình dung trực quan các hiện tượng vật lý phức tạp.

2.1. Phương trình lan truyền nhiệt và ứng dụng

Phương trình lan truyền nhiệt là nền tảng của lý thuyết dẫn nhiệt. Đối với trường hợp một chiều, phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa gradient nhiệt độ không gian và biến thiên nhiệt độ theo thời gian. Độ khuếch tán nhiệt alpha bằng tỷ số giữa độ dẫn nhiệt k và tích mật độ với nhiệt dung riêng c. Đại lượng này quyết định tốc độ nhiệt lan truyền qua vật liệu. Giá trị alpha cao nghĩa là vật liệu phản ứng nhanh với thay đổi nhiệt độ. Giáo trình giải thích rõ ràng cách rút phương trình từ nguyên lý bảo toàn năng lượng, loại bỏ biến nhiệt lượng không xác định để thu được phương trình vi phân có thể giải được cho phân bố nhiệt độ. Đây là phương trình chính mà toàn bộ lý thuyết dẫn nhiệt dựa vào.

2.2. Đối lưu nhiệt và các cơ chế truyền nhiệt

Đối lưu nhiệt là quá trình truyền nhiệt nhờ sự kết hợp giữa dẫn nhiệt trong chất lưu và chuyển động khối của chất lưu. Giáo trình phân loại đối lưu thành đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức. Đối lưu tự nhiên xảy ra do sự chênh lệch mật độ gây ra bởi gradient nhiệt độ, trong khi đối lưu cưỡng bức do lực bên ngoài như quạt hoặc bơm tạo ra. Cuốn sách trình bày các phương trình bảo toàn cho dòng chảy chất lưu, bao gồm phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng. Số Nusselt, tỷ số giữa truyền nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt, là tham số không chiều quan trọng nhất. Các tương quan thực nghiệm cho nhiều cấu hình hình học được cung cấp kèm điều kiện áp dụng cụ thể.

III. Phương pháp giảng dạy và công cụ học tập hiệu quả

Giáo trình A Heat Transfer Textbook áp dụng phương pháp giảng dạy lấy người học làm trung tâm. Tác giả khuyến khích sinh viên tự xây dựng kiến thức thông qua việc đặt câu hỏi và tìm kiếm câu trả lời. Mỗi khái niệm mới đều được giới thiệu bằng ví dụ thực tiễn trước khi đi vào lý thuyết trừu tượng. Phương pháp này giúp sinh viên đạt được những khoảnh khắc hiểu biết sâu sắc mà tác giả gọi là trải nghiệm 'Aha'. Cuốn sách cung cấp đa dạng bài tập từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả bài tập tư duy phản biện yêu cầu sinh viên đánh giá tính hợp lý của kết quả. Phụ lục chứa đầy đủ dữ liệu vật lý cần thiết, bảng tra cứu tính chất vật liệu và các công thức toán học hỗ trợ. Định dạng PDF miễn phí cho phép sinh viên truy cập mọi lúc mọi nơi. Giáo trình cũng tích hợp tốt với các khóa học trực tuyến mở, tạo điều kiện cho việc tự học có hệ thống mà không cần hướng dẫn trực tiếp từ giảng viên.

3.1. Phương pháp học tập chủ động qua ví dụ thực tế

Phương pháp học tập chủ động là đặc trưng nổi bật của giáo trình này. Thay vì trình bày lý thuyết một cách khô khan, mỗi chương bắt đầu bằng hiện tượng vật lý đời thường liên quan đến truyền nhiệt. Ví dụ, vấn đề làm nguội vật thể trong buồng chân không được sử dụng để minh họa bức xạ nhiệt. Cách tiếp cận này kích thích sự tò mò và tạo động lực học tập nội tại. Sinh viên được khuyến khích tự giải quyết vấn đề trước khi xem lời giải mẫu. Mỗi bài tập đều có mục tiêu học tập rõ ràng, từ nhận diện mô hình vật lý đến áp dụng phương trình phù hợp. Cách tiếp cận循序渐进 giúp xây dựng niềm tin và kỹ năng giải quyết vấn đề dần dần.

3.2. Tài nguyên hỗ trợ và tính sẵn sàng trực tuyến

Một ưu điểm lớn của giáo trình A Heat Transfer Textbook là khả năng tiếp cận miễn phí trên Internet. Nhờ sáng kiến OpenCourseWare của MIT, cuốn sách được phân phối dưới dạng PDF có thể tải về và in ấn cho mục đích học tập phi lợi nhuận. Trang web chính thức ahtt.edu cung cấp các bản cập nhật, danh sách errata và thông tin bổ sung. Tài liệu được soạn thảo bằng hệ thống LaTeX với phông chữ Lucida Bright, đảm bảo chất lượng trình bày chuyên nghiệp. Định dạng điện tử cho phép tìm kiếm nhanh và đánh dấu nội dung quan trọng. Việc miễn phí phân phối đã loại bỏ rào cản tài chính, giúp sinh viên ở các nước đang phát triển tiếp cận giáo trình chất lượng quốc tế. Giấy phép Creative Commons bảo vệ quyền tác giả trong khi vẫn khuyến khích chia sẻ tri thức.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của giáo trình truyền nhiệt

A Heat Transfer Textbook ấn bản thứ tư là tài liệu học thuật không thể thiếu cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực nhiệt học. Cuốn sách thành công trong việc cân bằng giữa chiều sâu lý thuyết và tính ứng dụng thực tiễn. Các khái niệm được trình bày từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và người nghiên cứu chuyên sâu. Giáo trình này được sử dụng tại hàng trăm trường đại học trên toàn thế giới, chứng minh giá trị học thuật vượt thời gian. Ứng dụng của kiến thức truyền nhiệt trải rộng trên nhiều ngành công nghiệp, từ thiết kế hệ thống làm mát điện tử, thiết bị trao đổi nhiệt trong ngành hóa chất, đến kiểm soát nhiệt độ trong ngành hàng không vũ trụ. Sự kết hợp giữa hai thế hệ tác giả cha con mang đến góc nhìn đa chiều, kết hợp kinh nghiệm giảng dạy lâu đời với cập nhật công nghệ hiện đại. Cuốn sách tiếp tục là nguồn tham khảo đáng tin cậy cho các thế hệ kỹ sư tương lai.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp và thiết kế kỹ thuật

Kiến thức từ giáo trình truyền nhiệt có ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp. Trong ngành điện tử, hiểu biết về dẫn nhiệt và đối lưu giúp thiết kế hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý và linh kiện bán dẫn. Ngành năng lượng sử dụng nguyên lý truyền nhiệt để tối ưu hóa hiệu suất lò hơi, turbine khí và tấm pin mặt trời. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt trong ngành hóa dầu và xử lý thực phẩm dựa trên nền tảng lý thuyết đối lưu và dẫn nhiệt. Trong xây dựng, kiến thức về bức xạ nhiệt và dẫn nhiệt áp dụng vào thiết kế cách nhiệt cho công trình. Ngành hàng không vũ trụ yêu cầu hiểu biết sâu sắc về truyền nhiệt ở nhiệt độ cực cao và áp suất thấp. Mỗi ứng dụng đều trở lại các phương trình cơ bản được trình bày trong cuốn sách.

4.2. Giá trị học thuật và tác động đến giáo dục kỹ thuật

Giáo trình A Heat Transfer Textbook đã tạo tác động sâu sắc đến giáo dục kỹ thuật nhiệt trên toàn cầu trong hơn ba thập kỷ. Việc phân phối miễn phí trên Internet đã dân chủ hóa việc tiếp cận tri thức, phá vỡ rào cản địa lý và tài liệu. Hàng triệu sinh viên từ các quốc gia khác nhau đã sử dụng cuốn sách này làm tài liệu học tập chính hoặc tham khảo. Phong cách viết rõ ràng, logic của tác giả đã thiết lập tiêu chuẩn mới cho giáo trình kỹ thuật. Cuốn sách cũng truyền cảm hứng cho nhiều giảng viên áp dụng phương pháp dạy học chủ động. Sự hợp tác giữa cha và con Lienhard thể hiện tính liên thế hệ trong truyền thống học thuật. Ấn bản thứ tư với cập nhật liên tục cho thấy cam kết của tác giả trong việc duy trì tài liệu luôn phù hợp với sự tiến bộ công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

A Heat Transfer Textbook A Heat Transfer Textbook Fourth Edition by John H. Lienhard IV and John H. Lienhard V Phlogiston Cambridge Press Massachusetts Professor John H. Lienhard IV Department of Mechanical Engineering University of Houston 4800 Calhoun Road Houston TX 77204-4792 U. Lienhard V Department of Mechanical Engineering Massachusetts Institute of Technology 77 Massachusetts Avenue Cambridge MA 02139-4307 U. Copyright ©2012 by John H. Lienhard IV and John H. Lienhard V All rights reserved Please note that this material is copyrighted under U. The authors grant you the right to download and print it for your personal use or for non-profit instructional use. Any other use, including copying, distributing or modifying the work for commercial purposes, is subject to the restrictions of U. International copyright is subject to the Berne International Copyright Convention. The authors have used their best efforts to ensure the accuracy of the methods, equations, and data described in this book, but they do not guarantee them for any particular purpose. The authors and publisher offer no warranties or representations, nor do they accept any liabilities with respect to the use of this information. Please report any errata to the authors., 1930– A heat transfer textbook / John H. Lienhard IV and John H. Lienhard V — 4th ed. — Cambridge, MA : Phlogiston Press, c2012 Includes bibliographic references and index.L445 2012 Published by Phlogiston Press Cambridge, Massachusetts, U. This book was typeset in Lucida Bright and Lucida New Math fonts (designed by Bigelow & Holmes) using LATEX under the TEXShop System. For updates and information, visit: http://ahtt.edu This copy is: Version 2.02 dated June 18, 2012 Preface From the first edition of A Heat Transfer Textbook in 1981, this book was meant to serve students as they set out to understand heat trans- fer in its many aspects. Whether the reader studies independently or in a classroom is beside the point, since learning (in either case) means formulating and surmounting one’s own questions. Where the book suc- ceeds, it will be because students encounter a series of “Oh, now I see!” moments. The original edition went through several printings and was followed in 1987 by more printings of a second edition—this time with a new chapter on Mass Transfer by John H. Lienhard V who had played only a minor role in John H. Lienhard IV’s first edition. After that, we each became involved in other pursuits and were unable to prepare the needed third edition. So the book went out of print. In the late 1990s, we developed a third edition which we decided to distribute free of charge on the Internet. We obtained funding from the Dell Star Program, did major updating, and posted it in 2000 as a part of MIT’s then new OpenCourseWare initiative. In that form, the book underwent many subsequent revisions and changes as we moved to keep up-to-date with rapidly-changing technology. Indeed, the early versions of the third edition are substantially different from the last versions. By 2010, these Internet versions had a quarter million downloads by people on all seven continents and in essentially every country in the world. We also published a small number of paperback versions of the third edition through Phlogiston Press. This fourth edition is likewise being made available by Dover Publications in an affordable hard copy. In this edition, we’ve made many additional interstitial changes to the last version of the third edition (specifically, Version 31), including corrections, updates, and various text edits. We are calling it a fourth edition to reflect ten years of accumulated revision of the third edition. v vi With this edition we continue offering engineering juniors, seniors, and first-year graduate students their grounding in heat transfer – in conduction, convection, radiation, phase-change, and an introduction to the kindred subject of mass transfer. We have designed the book in such a way as to accommodate differing levels according to the instructor’s use of it (or the student’s independent selections). Accordingly, each element of the subject begins simply and may be carried through to the more sophisticated material as the instructor (or the reader) chooses. We have strived to combine clarity with unusual care to get things right and complete. We take care to deal with the implications, limita- tions, and meaning of the many aspects of the subject. We have also worked to connect the subject to the real world that it serves, and to develop insight into the many phenomena connected with the subject. In the interest of grounding students in real-world issues, we begin the book with a three-chapter introduction that takes them through the essential modes of heat transfer and gives them an understanding of the function and design of heat exchangers. With that background, students find the later and more complex aspects of the subject much more mean- ingful. Thus, the first three chapters provide background that is needed throughout the chapters that follow. But only the earlier parts of subse- quent chapters accumulate in this way. For example, we freely use the dimensional analysis that appears early in Chapter 4. However, while the material on fin design at the end of that chapter is an important appli- cation, much used in many industries, it is not material that one has to know to continue through subsequent chapters. These goals are much the same as we’ve pursued over the past 30 years. However, we’ve taken the occasion of this new edition as an op- portunity to refocus and renew our purposes. We owe thanks to many people. These include our colleagues and students at MIT, the University of Houston, and elsewhere who have pro- vided suggestions, advice, and corrections; and most especially the many thousands of people worldwide who have emailed us with thanks and en- couragement to continue this project. JHL IV, University of Houston JHL V, Massachusetts Institute of Technology December 2010 Contents I The General Problem of Heat Exchange 1 1 Introduction 3 1.2 Relation of heat transfer to thermodynamics .3 Modes of heat transfer . 46 2 Heat conduction concepts, thermal resistance, and the overall heat transfer coefficient 49 2.1 The heat diffusion equation .2 Solutions of the heat diffusion equation .3 Thermal resistance and the electrical analogy .4 Overall heat transfer coefficient, U . 96 3 Heat exchanger design 99 3.1 Function and configuration of heat exchangers .2 Evaluation of the mean temperature difference in a heat exchanger .3 Heat exchanger effectiveness .4 Heat exchanger design . 137 vii viii Contents II Analysis of Heat Conduction 139 4 Analysis of heat conduction and some steady one-dimensional problems 141 4.1 The well-posed problem .2 The general solution .4 An illustration of dimensional analysis in a complex steady conduction problem . 191 5 Transient and multidimensional heat conduction 193 5.2 Lumped-capacity solutions .3 Transient conduction in a one-dimensional slab .4 Temperature-response charts .5 One-term solutions .6 Transient heat conduction to a semi-infinite region .7 Steady multidimensional heat conduction .8 Transient multidimensional heat conduction . 265 III Convective Heat Transfer 269 6 Laminar and turbulent boundary layers 271 6.1 Some introductory ideas .2 Laminar incompressible boundary layer on a flat surface 278 6.3 The energy equation .4 The Prandtl number and the boundary layer thicknesses 298 6.5 Heat transfer coefficient for laminar, incompressible flow over a flat surface .6 The Reynolds analogy .7 Turbulent boundary layers .8 Heat transfer in turbulent boundary layers . 340 Contents ix 7 Forced convection in a variety of configurations 343 7.2 Heat transfer to and from laminar flows in pipes .3 Turbulent pipe flow .4 Heat transfer surface viewed as a heat exchanger .5 Heat transfer coefficients for noncircular ducts .6 Heat transfer during cross flow over cylinders . 396 8 Natural convection in single-phase fluids and during film condensation 399 8.2 The nature of the problems of film condensation and of natural convection .3 Laminar natural convection on a vertical isothermal surface .4 Natural convection in other situations . 453 9 Heat transfer in boiling and other phase-change configurations 459 9.1 Nukiyama’s experiment and the pool boiling curve .3 Peak pool boiling heat flux .5 Minimum heat flux .6 Transition boiling and system influences .7 Forced convection boiling in tubes .8 Forced convective condensation heat transfer .10 The heat pipe . 519 x Contents IV Thermal Radiation Heat Transfer 525 10 Radiative heat transfer 527 10.1 The problem of radiative exchange .3 Radiant heat exchange between two finite black bodies .4 Heat transfer among gray bodies . 594 V Mass Transfer 597 11 An introduction to mass transfer 599 11.2 Mixture compositions and species fluxes .3 Diffusion fluxes and Fick’s law .4 Transport properties of mixtures .5 The equation of species conservation .6 Mass transfer at low rates .7 Steady mass transfer with counterdiffusion .8 Mass transfer coefficients at high rates of mass transfer .9 Simultaneous heat and mass transfer . 689 VI Appendices 693 A Some thermophysical properties of selected materials 695 References . 698 B Units and conversion factors 725 References . 729 C Nomenclature 731 Citation Index 739 Subject Index 745 Part I The General Problem of Heat Exchange 1 1. Introduction The radiation of the sun in which the planet is incessantly plunged, pene- trates the air, the earth, and the waters; its elements are divided, change direction in every way, and, penetrating the mass of the globe, would raise its temperature more and more, if the heat acquired were not exactly balanced by that which escapes in rays from all points of the surface and expands through the sky. The Analytical Theory of Heat, J.1 Heat transfer People have always understood that something flows from hot objects to cold ones. We call that flow heat. In the eighteenth and early nineteenth centuries, scientists imagined that all bodies contained an invisible fluid which they called caloric. Caloric was assigned a variety of properties, some of which proved to be inconsistent with nature (e., it had weight and it could not be created nor destroyed). But its most important feature was that it flowed from hot bodies into cold ones. It was a very useful way to think about heat. Later we shall explain the flow of heat in terms more satisfactory to the modern ear; however, it will seldom be wrong to imagine caloric flowing from a hot body to a cold one. The flow of heat is all-pervasive. It is active to some degree or another in everything. Heat flows constantly from your bloodstream to the air around you. The warmed air buoys off your body to warm the room you are in. If you leave the room, some small buoyancy-driven (or convective) motion of the air will continue because the walls can never be perfectly isothermal. Such processes go on in all plant and animal life and in the air around us. They occur throughout the earth, which is hot at its core and cooled around its surface. The only conceivable domain free from heat flow would have to be isothermal and totally isolated from any other region. It would be “dead” in the fullest sense of the word — devoid of any process of any kind.1 The overall driving force for these heat flow processes is the cooling (or leveling) of the thermal gradients within our universe. The heat flows that result from the cooling of the sun are the primary processes that we experience naturally. The conductive cooling of Earth’s center and the ra- diative cooling of the other stars are processes of secondary importance in our lives. The life forms on our planet have necessarily evolved to match the magnitude of these energy flows. But while most animals are in balance with these heat flows, we humans have used our minds, our backs, and our wills to harness and control energy flows that are far more intense than those we experience naturally1 . To emphasize this point we suggest that the reader make an experiment.