工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)和流體力學(xué)初級課件

1第一篇工程熱力學(xué)

EngineeringThermodynamics1.熟悉熱力學(xué)基本概念：熱力系統(tǒng)、熱力平衡狀態(tài)及工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)等

2.掌握理想氣體和實際氣體的性質(zhì)、混合氣體的性質(zhì)及相關(guān)參數(shù)的計算

3.掌握氣體熱力過程的能量交換及參數(shù)變化

4.掌握熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)及應(yīng)用、理想氣體模型及其狀態(tài)方程

5.掌握熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)及表達(dá)、卡諾循環(huán)和卡諾定理

6.熟悉朗肯循環(huán)、再熱循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、熱電循環(huán)2第一節(jié)熱力系統(tǒng)

Thermodynamicsystem一、系統(tǒng)、邊界與外界系統(tǒng)：熱設(shè)備中分離出來作為熱力學(xué)研究對象的物體外界：surrounding系統(tǒng)之外與系統(tǒng)有關(guān)的物體邊界：boundary系統(tǒng)與外界的分界面邊界可以是假想的，也可以是實際存在的，可以是固定的，也可以是移動的。通常用虛線標(biāo)出。QW

膨脹中的燃?xì)庀到y(tǒng)的邊界

流動中的工質(zhì)系統(tǒng)的邊界34二、系統(tǒng)的類型1.按系統(tǒng)與外界交換的形式分類系統(tǒng)與外界有三種相互作用形式：質(zhì)、功、熱（1）開口系統(tǒng)：opensystem

系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換工質(zhì)流入工質(zhì)流出QW系統(tǒng)邊界

穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)不穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)56（2）閉口系統(tǒng)：closed

system系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換

（×）

閉口系統(tǒng)的質(zhì)量保持恒定，保持質(zhì)量恒定的系統(tǒng)是閉口系統(tǒng)。QW

膨脹中的燃?xì)庀到y(tǒng)的邊界

閉口系統(tǒng)具有恒定質(zhì)量，但具有恒定質(zhì)量的系統(tǒng)不一定都是閉口系統(tǒng)。78（3）絕熱系統(tǒng)：adiabaticsystem系統(tǒng)與外界沒有熱量交換.冷源QW

把冷源包括在內(nèi)的絕熱系統(tǒng)自然界不存在理想的絕熱系統(tǒng)，只有當(dāng)系統(tǒng)與外界傳遞的熱量小到可以忽略不計時，可以看做是絕熱系統(tǒng)。汽輪機、噴管一般都看做絕熱系統(tǒng)。9（4）孤立系統(tǒng)：isolatedsystem系統(tǒng)與外界既沒有物質(zhì)交換，也沒有熱和功的交換。自然界中絕對的孤立系統(tǒng)是不存在的，有時候把研究對象連同與它直接相關(guān)的外界用一個新的邊界包圍起來，可以共同看做是一個孤立系統(tǒng)。（√）一切熱力系統(tǒng)連同與之相互作用的外界可以抽象為孤立系統(tǒng)。10一、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)1.定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化，或傳遞熱能的媒介物質(zhì)例如：電站鍋爐的水蒸氣燃燒形成的煙氣氣缸中的燃?xì)夤べ|(zhì)種類有：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)第二節(jié)工質(zhì)及基本狀態(tài)參數(shù)物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜112.對工質(zhì)的要求:

1）膨脹性

2）流動性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對環(huán)境友善

6）價廉，易大量獲取12二、工質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù)系統(tǒng)中某一瞬時表現(xiàn)的工質(zhì)熱力性質(zhì)的總狀態(tài)稱為工質(zhì)的熱力狀態(tài)，簡稱狀態(tài)熱力狀態(tài)反映的是工質(zhì)大量分子熱運動的平均特性。熱力系統(tǒng)中工質(zhì)的狀態(tài)可以用描述各種宏觀狀態(tài)特性的物理量來表示，這些物理量被稱為狀態(tài)參數(shù)凡是能從任何一方面說明工質(zhì)所處狀態(tài)的物理量均為狀態(tài)參數(shù)131.常用狀態(tài)參數(shù)：壓力、溫度、比容、密度、內(nèi)能、焓和熵重要特征：1）狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值由系統(tǒng)的狀態(tài)唯一性確定；2）當(dāng)系統(tǒng)從初態(tài)變?yōu)榻K態(tài)時,狀態(tài)參數(shù)的變化量,只與系統(tǒng)的初、終狀態(tài)有關(guān),而與變化的途徑無關(guān)。狀態(tài)參數(shù)是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)或點函數(shù),狀態(tài)參數(shù)的微元變量是全微分。這是判斷某一參數(shù)是否為狀態(tài)參數(shù)的充分和必要條件。功和熱量是過程量，不僅與初、終狀態(tài)參數(shù)有關(guān)，還與過程有關(guān)。142.狀態(tài)參數(shù)分類強度量尺度量壓力、溫度比容、熱力學(xué)能（內(nèi)能）、焓、熵基本參數(shù)導(dǎo)出參數(shù)壓力、溫度、比容熱力學(xué)能（內(nèi)能）

、焓、熵（√）狀態(tài)參數(shù)的變化只與系統(tǒng)的初、終狀態(tài)有關(guān)，而與變化途徑無關(guān)。（×）功也是狀態(tài)參數(shù)，其變化只與系統(tǒng)的初、終狀態(tài)有關(guān)。（×）熱量是狀態(tài)參數(shù)，其變化只與系統(tǒng)的初、終狀態(tài)有關(guān)。153.基本狀態(tài)參數(shù)a.壓力：系統(tǒng)表面單位面積上的垂直作用力。壓力的單位：1N/m2=1Pa(帕）

1MPa=106Pa；1bar=105Pa(2)大氣壓力B（mmHg）：1mmHg＝133.3Pa

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm)：1atm=0.101325MPa(3)絕對壓力P、表壓力Pg、真空度H相對壓力絕對壓力系統(tǒng)真實壓力（是狀態(tài)參數(shù)）表壓力Pg真空度H系統(tǒng)相對與大氣壓力的數(shù)值（不是狀態(tài)參數(shù)）16U形管式壓力計示意圖真空度U形管式壓力計示意圖

17（×）壓力表顯示的壓力是狀態(tài)參數(shù)18

b.溫度：表征物體冷熱程度的物理量。(1)熱平衡定律(熱力學(xué)第零定律)

兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡,這兩個系統(tǒng)彼此之間必定處于熱平衡。(2)溫標(biāo)：

溫度的數(shù)值表示法實用溫標(biāo)t攝氏溫標(biāo)℃國際單位制規(guī)定，單位：開（K）熱力學(xué)溫標(biāo)Tt(C)=T(K)-273.15溫度是描述熱力平衡系統(tǒng)冷熱狀況的物理量19

①熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）:分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡（相互之間沒有熱量傳遞）的兩個系統(tǒng)，它們彼此也必定處于熱平衡。（這是由實驗、經(jīng)驗中得到的。不可以由其它定律推出。）

既然兩個（或多個）獨立的系統(tǒng)各自處于一定狀態(tài)時是熱平衡的，那么，這兩個（或多個）系統(tǒng)具有一個共同的宏觀性質(zhì)。可以用一個物理量來描述。

②溫度的定義：標(biāo)志系統(tǒng)熱平衡性質(zhì)的物理量為溫度。一切處于熱平衡的物體，其溫度相等。上述第三個系統(tǒng)，可作為測量溫度的儀器，叫溫度計。

③溫度標(biāo)志物體內(nèi)部分子無序運動的劇烈程度。它是描述熱力學(xué)平衡系統(tǒng)的一個狀態(tài)參數(shù)，是強度量。20體積V：工質(zhì)所占有的空間m3比容(比體積)ν：單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積m3/kg密度

：單位體積工質(zhì)所具有的質(zhì)量

kg

/m3c.比容和密度比容和密度不是兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)，一個已知，另一個也就確定了。21第三節(jié)理想氣體定律一、理想氣體與實際氣體1.理想氣體——是一種實際上不存在的假想氣體，這種氣體分子本身不占有體積，分子之間完全沒有引力。2.實際氣體——是氣體的狀態(tài)處于很高的壓力或很低的溫度，氣體有很高的密度，以至于分子本身的體積及分子間的相互作用力不能忽略的氣體。理想氣體實質(zhì)上就是實際氣體的壓力p0或比容v0時的極限狀態(tài)的氣體22（1）當(dāng)氣體分子本身的體積與整個氣體的容積相比微不足道，而且由于氣體分子的平均距離相當(dāng)大以至于分子間的引力可以忽略到不計時，實際氣體可以看作是理想氣體（2）實際應(yīng)用時，氣體溫度不太低，壓力不很高，比容比較大，且距離液態(tài)比較遠(yuǎn)時，可以看成是理想氣體理想氣體氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳空氣、煙氣實際氣體鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣、制冷劑蒸氣、石油氣23為什么要討論不存在的理想氣體?

在工程中具有很重要的實用價值和理論意義。

1、在通常的工作參數(shù)范圍內(nèi)，按理想氣體性質(zhì)來計算氣體工質(zhì)的熱力性質(zhì)具有足夠的精確度，其誤差在工程上往往是允許的。對于一般的氣體熱力發(fā)動機和熱工設(shè)備中的氣體工質(zhì)，在無特殊精確度要求的情況下，多可按理想氣體性質(zhì)進行熱力計算。

2、理想氣體性質(zhì)是研究工質(zhì)熱力性質(zhì)的基礎(chǔ)。理想氣體性質(zhì)反映了氣態(tài)工質(zhì)的基本特性，更精確的氣體、蒸氣的熱力性質(zhì)表達(dá)式，往往可以在理想氣體性質(zhì)的基礎(chǔ)上引入各種修正得出。24二、理想氣體狀態(tài)方程—ideal-gasequation;Clapeyron’sequation（克拉貝隆方程）25舉例例1容積為2m3的壓縮空氣罐上的壓力表指針指示為1.5MPa，此時的溫度為20℃，試計算罐中空氣質(zhì)量，已知空氣氣體常數(shù)R為287J/(kg?K)。解：

pV＝mRT

絕對壓力：p＝1.5＋0.1＝1.6MPa＝1.6×106Pa

氣體體積：V＝2m3

絕對溫度：T＝20＋273＝293K

那么，26二、理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用1.波義耳－馬略特定律對于一定量的理想氣體，當(dāng)溫度不變時，壓力與比容（或容積）成反比。2.查理斯定律對于一定量的理想氣體，當(dāng)比容（或容積）不變時，壓力與絕對溫度成反比。3.給?呂薩克定律對于一定量的理想氣體，當(dāng)比容（或容積）不變時，壓力與絕對溫度成反比。274.理想氣體狀態(tài)方程的另外一種表示28例2：某燃?xì)饧訜釥t每小時耗氣量為200m3,燃?xì)夤鈮毫?0KPa（表壓）,溫度為15℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?5KPa，請核算一下，燃?xì)饧訜釥t每小時實際消耗燃?xì)舛嗌贅?biāo)準(zhǔn)立方米？（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣壓按105Pa，溫度按273K計。）29例3：某燃?xì)庥脷庠O(shè)備，燃?xì)夤鈮毫?000×103Pa（表壓）,溫度為20℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?5×103Pa。試問：當(dāng)燃?xì)饬髁坑嬶@示的實際用氣量為5000m3時，經(jīng)溫度壓力校正后，燃?xì)庥脷饬繎?yīng)為多少標(biāo)準(zhǔn)立方米？（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣壓按105Pa，溫度按273K計。）30三、摩爾、摩爾容積及氣體常數(shù)1.摩爾——物質(zhì)的量的單位。熱力學(xué)中是以氣體中所包含的分子數(shù)目與0.012kg碳-12的原子數(shù)目相等時氣體的質(zhì)量，稱為1mol。熱力學(xué)中常以n表示千摩爾kmol為單位。1kmol就等于該物質(zhì)的分子量對應(yīng)的千克數(shù)。

1kmol氧氣＝32kg

各種氣體的千摩爾數(shù)等于該氣體的質(zhì)量m除以該氣體的分子量M312.摩爾容積對于任何理想氣體，1kmol氣體所占的容積稱為千摩爾容積。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何理想氣體1kmol容積均為22.4Nm3。那么，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：標(biāo)態(tài)比容m3/kg標(biāo)態(tài)密度kg/m3323.氣體常數(shù)計算各種氣體1kg的氣體常數(shù)R為：J/(kg?K)kJ/(kg?K)理想氣體的氣體常數(shù)與氣體所處的熱力狀態(tài)無關(guān)，只與氣體的種類有關(guān)。通用氣體常數(shù)R0：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，得出通用氣體常數(shù)是J/(kmol?K)33四、理想氣體的比熱容、熱力學(xué)能、焓和熵

1、比熱容單位物量的物質(zhì)，溫度升高或降低1K（1℃）所吸收或放出的熱量，稱為該物體的比熱容（簡稱比熱）比熱容的單位取決于熱量單位和物量單位，相應(yīng)有：質(zhì)量比熱c：kJ/（kg·k）體積比熱c‘：kJ/（m3·k）摩爾比熱Mc：kJ/（kmol·k）定容比熱和定壓比熱

定容比熱cv：在定容情況下，單位物量的氣體，溫度變化1K(1℃)所吸收或放出的熱量。定壓比熱cp：在定容情況下，單位物量的氣體，溫度變化1K(1℃)所吸收或放出的熱量。（√）等量氣體升高相同的溫度，定壓過程吸收熱量多于定容過程吸收熱量。3435第四節(jié)混合氣體

工程實際應(yīng)用的氣體通常是混合氣體，如空氣、煙氣等等?；旌蠚怏w的性質(zhì)取決于各組分氣體的成份及熱力性質(zhì)。

混合物的性質(zhì)與各種混合物的性質(zhì)以及各組元在整個混合物中所占的份額有關(guān)。36一、混合氣體分壓力和道爾頓分壓力定律

分壓力是各組成氣體在混合氣體的溫度下單獨占據(jù)混合氣體的容積時所呈現(xiàn)的壓力。道爾頓分壓力定律：混合氣體的總壓力p等于各組成氣體分壓力pi之和。37二、混合氣體分容積和阿米蓋特分容積定律

分容積是各組成氣體在混合氣體的溫度和壓力下，單獨存在時所占據(jù)的容積。阿米蓋特分容積定律：混合氣體的總?cè)莘eV等于各組成氣體分容積Vi之和。38三、混合氣體的成份表示方法及換算1.質(zhì)量成份gi——混合氣體中某組成氣體的質(zhì)量mi與混合氣體總質(zhì)量m的比值2.容積成份ri——混合氣體中某組成氣體的分容積Vi與混合氣體總?cè)莘eV的比值3.摩爾成份xi——混合氣體中某組成氣體的摩爾數(shù)ni與混合氣體總摩爾數(shù)n的比值39四、混合氣體的分子量與氣體常數(shù)1.混合氣體的分子量（1）已知容積成分ri或摩爾成份xi和各組成氣體分子量Mi（2）已知質(zhì)量成分gi和各組成氣體分子量Mi402.混合氣體的氣體常數(shù)（1）已知混合氣體分子量M，即可以求得混合氣體的折合氣體常數(shù)R：（2）已知各組成氣體的質(zhì)量成份及氣體常數(shù)，則（3）已知各組成氣體的容積成份及氣體常數(shù)，則413.混合氣體的分壓力（1）已知總壓和各組成氣體的容積成分（2）已知總壓和各組成氣體的質(zhì)量成分424.混合氣體的比熱（1）已知各組成氣體的質(zhì)量比熱和質(zhì)量成份（2）已知各組成氣體的容積比熱和容積成份435.混合氣體的熱力學(xué)能、焓和熵

理想混合氣體的熱力學(xué)能

理想混合氣體的焓

44理想混合氣體的熵*熵不僅與溫度有關(guān)，而且還與壓力有關(guān)。因為溫度為T的組成氣體單獨存在于體積V中，其分壓力為Pi，所以計算組成氣體比熵的變化量時應(yīng)采用其分壓力Pi

，而不是理想混合氣體的壓力P，即（A）1、理想氣體的熵是狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)理想氣體從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)時，其熵值的變化由哪個因素確定

A、氣體的初、終狀態(tài)B、狀態(tài)間變化的過程C、變化過程的方向性D、變化過程是否可逆456.應(yīng)用比熱計算熱量（1）定壓過程中，質(zhì)量mkg的氣體，溫度由t1升高到t2所需要的加熱量為：

Q=mc（t2-t1）46例4某燃?xì)鈨拗写鎯Φ奶烊粴?，儲氣壓力?.8MPa，氣體容積成分為：CH4：95%，C2H6：4.3%，N2：0.7%。試求該天然氣的平均分子量、氣體常數(shù)和各組分氣體的分壓力。［通用氣體常數(shù)為R0=8314J/（kmol?K）］。該天然氣的平均分子量：

氣體常數(shù)：

各組分氣體的分壓力：

47當(dāng)多種理想氣體在同一容器中混合以后，各組分的性質(zhì)有無變化？各組分的溫度、壓力及所占容積比例等方面有哪些特點？遵循哪些規(guī)律？多種理想氣體在同一容器中混合以后，仍然具有理想氣體的特性：

1）性質(zhì)：混合后各組分仍然保證自己的特性，組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子之間無相互作用；

2）溫度：由于分子熱運動的結(jié)果，各組分氣體混合均勻后溫度將一致，即處處相等；

3）壓力：各組分的分壓遵循道爾頓定律，即混合氣體的總壓力等于各組分氣體壓力之和；分壓力是指各組分單質(zhì)氣體在該溫度下，單獨占有整個容積時所產(chǎn)生的壓力。

4）所占容積：各組分所占容積遵循阿密蓋特定律，即混合氣體的總?cè)莘e等于各組分氣體的分容積之和；分容積是指各組分單質(zhì)氣體在該溫度、壓力下單獨存在時所占有的體積。48第五節(jié)熱力狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)

一、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬間所處的宏觀物理狀況狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏觀特性的物理量49二、熱力學(xué)平衡態(tài)1.平衡態(tài)：在無外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時間而變化，則該系統(tǒng)所處的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài)。2.系統(tǒng)實現(xiàn)平衡態(tài)的條件

在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi),如同時滿足力學(xué)平衡條件和熱平衡條件,則系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡態(tài)。3.平衡與穩(wěn)定、均勻的差別平衡必穩(wěn)定，穩(wěn)定未必平衡均勻必平衡，平衡未必均勻50區(qū)別平衡和均勻：例如水和水蒸氣組成的系統(tǒng)，不受外界的影響，系統(tǒng)的宏觀

性質(zhì)不隨時間變化，處于平衡狀態(tài)。其中每一部分是均勻的，但整個系統(tǒng)是不均勻的。所以系統(tǒng)平衡不一定均勻。對于單相系，忽略重力

場的影響，可認(rèn)為是均勻的，可用統(tǒng)一的、確定的狀態(tài)參數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)。51第六節(jié)熱力過程熱力過程:系統(tǒng)從初始平衡態(tài)變化到終了平衡態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)，簡稱“過程”。一、準(zhǔn)靜態(tài)過程（準(zhǔn)平衡過程）

弛豫時間：恢復(fù)平衡所需要的時間52圖1說明準(zhǔn)靜態(tài)過程用圖53

任何實際過程都是在有限勢差推動下進行的，因而都是不平衡過程。所謂準(zhǔn)平衡過程，只是實際過程當(dāng)不平衡勢趨于零時的極限過程，是可以設(shè)想而不可能達(dá)到的。54結(jié)論：

熱力系的一切變化過程都是在不平衡勢推動下進行的，沒有不平衡就沒有變化，也就沒有過程。當(dāng)不平衡勢為無限小時所進行的極限過程稱為準(zhǔn)平衡過程。

55

如過程進行的足夠緩慢，則封閉系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)足夠接近平衡態(tài)，這樣的過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。

p1p2v1v2

準(zhǔn)靜態(tài)過程在p-v圖上的表示vP1256

二、可逆過程

系統(tǒng)進行了一個過程后，如系統(tǒng)和外界均能恢復(fù)到各自的初態(tài)，則這樣的過程稱為可逆過程。

可逆過程必定是準(zhǔn)靜態(tài)過程，準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定可逆。無任何不可逆因素的準(zhǔn)靜態(tài)過程為可逆過程。57過程的不可逆因素：1）耗散效應(yīng)：由功變成熱的現(xiàn)象2）有限溫差傳熱：3）自由膨脹（作功為零）4）不同工質(zhì)混合實現(xiàn)可逆的具體條件：1）過程沒有勢差（或勢差無限?。鐩]有溫差、沒有壓力差作膨脹功；2）過程沒有耗散效應(yīng)，如機械運動沒有摩擦、導(dǎo)電沒有電阻58三、理想氣體的熱力過程1.研究熱力過程的目的和方法目的：揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，以及該過程中熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)換情況，進而找出影響它們轉(zhuǎn)換的主要因素。方法：討論理想氣體的可逆過程1.過程方程,一般寫成的形式。2.利用狀態(tài)方程和過程方程推出初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系式。3.在p-v圖和T-s圖上表示出該過程曲線。4.該過程熱力學(xué)能、焓、熵的變化以及功和熱量。2.多變過程n稱為多變指數(shù)，對于某一指定的多變過程，n為一常數(shù)，但不同的多變過程有不同的n值，如：603.定容過程（1）過程方程（2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系61（3）p-v圖及T-s圖pv122‘Ts212‘在T－s圖上，由于即T隨s按指數(shù)曲線變化，斜率為

62（4）能量轉(zhuǎn)換1）過程功2）熱量634.定壓過程（1）過程方程（2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系（3）p-v圖及T-s圖pvTs212‘曲線斜率122‘在T-s圖上，同一溫度下定容線比定壓線的斜率大64（4）能量轉(zhuǎn)換1）過程功2）熱量655.定溫過程（1）過程方程（2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系（3）p-v圖及T-s圖pv122‘6543122‘34Ts曲線斜率66（4）能量轉(zhuǎn)換1）過程功2）熱量pv122‘6543122‘34Ts676.絕熱過程：系統(tǒng)與外界沒有熱交換（1）過程方程絕熱指數(shù)，數(shù)值隨氣體的種類和溫度而變對于空氣和燃?xì)?，?）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系68關(guān)于過程方程的推導(dǎo)0069（3）p-v圖及T-s圖定溫pv122‘6543122‘Ts曲線斜率在P-v圖上，絕熱線比定溫線陡。（4）能量轉(zhuǎn)換1）過程功703）熱量技術(shù)功是膨脹功的κ倍。2）技術(shù)功**可逆絕熱過程也是定熵過程716.多變過程（1）過程方程：分別為定容、定壓、定溫、絕熱過程稱為多變指數(shù)（2）初、終狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系：將絕熱過程中的κ換成n即可。72（3）熱力學(xué)能、焓、熵的變化：73（4）功、熱量：多變指數(shù)為n的多變過程，技術(shù)功是體積功的n倍74第七節(jié)熱力循環(huán)

工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列狀態(tài)變化又回到初態(tài)的全部過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)?？赡嫜h(huán)不可逆循環(huán)vP1234正循環(huán)（動力循環(huán)）1-2-3-4-1逆循環(huán)1-4-3-2-1制冷循環(huán)熱泵循環(huán)75動力循環(huán)：

也稱熱機循環(huán)。目的是從高溫?zé)嵩慈酫1，得到功

W。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖P－V圖上為順時針方向。為正循環(huán)。

76制冷循環(huán)：

目的是把熱量Q2從低溫物體中取出排向高溫，為此要消耗外功W。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖P－V圖上為逆時針方向。為逆循環(huán)。77熱泵循環(huán)：

為另一種逆循環(huán)，目的是向高溫?zé)嵩垂幔照{(diào)取暖）。其工作原理和P-V圖與制冷循環(huán)相同。（B）3、用活塞式壓縮機給氣體加壓時，哪個過程消耗能量

A、吸氣過程B、壓縮過程

C、排氣過程D、余隙膨脹過程78循環(huán)的經(jīng)濟性指標(biāo)用工作系數(shù)來表示動力循環(huán)的經(jīng)濟性用循環(huán)的熱效率來衡量制冷循環(huán)的經(jīng)濟性用循環(huán)的制冷系數(shù)來衡量供熱循環(huán)的經(jīng)濟性用循環(huán)的供熱系數(shù)來衡量Q1為與高溫?zé)嵩唇粨Q的熱量，Q2為與低溫?zé)嵩唇粨Q的熱量79第八節(jié)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)二、能量三、封閉系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式80一、熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)“熱力學(xué)第一定律”的實質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用。——確立了在熱力過程中熱力系統(tǒng)與外界進行進行能量交換時，各種形態(tài)能量在數(shù)量上的守恒關(guān)系。

19世紀(jì)30-40年代，許多科學(xué)家前赴后繼，邁爾·焦耳（德國醫(yī)生）最后發(fā)現(xiàn)和確定了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。81恩格斯說：能量轉(zhuǎn)換與守恒定律是19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一（細(xì)胞學(xué)說、

達(dá)爾文進化論）。82

這個定律指出“一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能創(chuàng)造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變”。這一真理可以說：“顛撲不破”、“放之四海而皆準(zhǔn)”。因為至今為止，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規(guī)律，

相反，在各個領(lǐng)域：天文、地理、生物、化學(xué)、電磁光、宏觀、微觀各領(lǐng)域都遵循這條規(guī)律。當(dāng)然我們熱力學(xué)就是研究能量及其特性的科學(xué)，它必然要遵循這條規(guī)律。83熱力學(xué)第一定律的描述

任何發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換的熱力過程中，能量的總量始終保持不變。

輸入系統(tǒng)的能量-系統(tǒng)輸出的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化

84

“熱力學(xué)第一定律”的建立是在資本主義發(fā)展初期，那時，有人曾提出各式各樣不消耗能量而獲得動力的裝置，稱為第一類“永動機”，但均失敗了。為什么？因為它違反了“熱一”，故“熱一”的另一形象的說法是“第一類永動機是不可能制造成功的”（1975年法國科學(xué)院）?！凑f85二、能量儲存的能量傳遞的能量內(nèi)部儲存能（熱力學(xué)能）外部儲存能內(nèi)動能uk=f(T)內(nèi)勢能up=f(T,v)動能EK勢能EP能量功熱量861、儲存能量：內(nèi)部儲存能---內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)決定外部儲存能---外部狀態(tài)參數(shù)決定（1）內(nèi)部儲存能—熱力學(xué)能分子運動的平均動能和分子間勢能稱為“熱力學(xué)能”符號：U

u(單位質(zhì)量熱力學(xué)能）單位：JkJkJ/kgu=U/mu=f(t,v)**理想氣體熱力學(xué)能只是溫度的單值函數(shù)u=f(T)**理想氣體分子間不存在相互作用力，沒有內(nèi)位能87（2）外部儲存能——

動能Ek和勢能Ep

由系統(tǒng)速度和高度決定宏觀動能Ek：速度c（3）系統(tǒng)的總儲存能（總能）

E=U+Ek+Ep單位質(zhì)量e=u+ek+ep重力位能Ep：位置高度z88（1）功

熱力學(xué)定義：系統(tǒng)除溫差以外的其它不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界之間的傳遞的能量。

電功、磁功、機械拉伸功、彈性變形功、表面張力功、和膨脹功、軸功等2.系統(tǒng)與外界傳遞的能量封閉系統(tǒng)，傳遞的能量有兩種：功和熱量1）膨脹功（也稱容積功）：在壓力差作用下，由于系統(tǒng)工質(zhì)容積發(fā)生變化而傳遞的機械功。膨脹功是過程量，一旦過程結(jié)束，做功即停止剛性閉口系統(tǒng)不能向外界輸出膨脹功燃?xì)膺M口排入大氣**可逆過程對外做的膨脹功最大。**作膨脹功一定有容積變化，容積變化并不一定作膨脹功。902）軸功：系統(tǒng)通過機械軸與外界傳遞的機械功。系統(tǒng)輸出軸功為正功，輸入軸功為負(fù)功。軸功來源于能量的轉(zhuǎn)換，如汽輪機中熱能轉(zhuǎn)換成機械能；也來源于機械能的直接傳遞，如水輪機、風(fēng)車等。91（2）熱量

熱量是除功以外，通過邊界系統(tǒng)與外界之間傳遞的能量。熱量也是過程量。符號規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸熱為正；Q>0

系統(tǒng)向外界放熱為負(fù)。Q<0單位：J、kJ（3）流動功是為推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功，它是維持流體正常流動所必須傳遞的能量。對于1kg的流體，對于移動1kg的工質(zhì)進出控制體凈流動功為：（4）流動工質(zhì)傳遞的總能量包括物質(zhì)流本身儲存能量和流動功：（5）焓H對于流動工質(zhì)，焓是熱力學(xué)能和流動功的代數(shù)和。焓是狀態(tài)參數(shù)。焓表示流動工質(zhì)向流動前方傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。對于理想氣體：h=u+pv=u+RT對于理想氣體，焓與熱力學(xué)能都是溫度的單值函數(shù)95三、閉口系統(tǒng)能量方程QW熱源

功源單位質(zhì)量工質(zhì)微元過程96可逆過程：任意工質(zhì)、可逆過程1.適用于任意工質(zhì)、任意過程。2.q、w分別為各個吸熱、作功過程的代數(shù)和。3.U=U2-U197第九節(jié)熱力學(xué)第二定律The

second

law

of

thermodynamics

第一節(jié)熱力學(xué)第二定律的典型表述第二節(jié)卡諾循環(huán)和卡諾定理第三節(jié)克勞修斯不等式第四節(jié)狀態(tài)參數(shù)—熵第五節(jié)熵增原理98熱力學(xué)第一定律有兩個方面問題沒有涉及：（1）過程具有方向性（2）不同類型能量存在做功能力上的差異問題的提出99自由（無阻）膨脹不可逆100

不同工質(zhì)混合隔板

不同工質(zhì)混合不可逆1011.一杯熱水熱量：水→空氣（自發(fā)過程）將散失到空氣中的熱量自發(fā)地聚集起來，使水加熱？2.運動的機械摩擦生熱，功量→熱量（自發(fā)過程）將散失到空氣中的熱量自發(fā)地聚集起來，使機械重新運動？3.高壓容器中的氣體高壓→低壓（自發(fā)過程）讓泄露到大氣中的氣體自發(fā)地重入容器，使容器恢復(fù)高壓？4.功量→熱量（無條件，100%），熱量→功量（≠100%）過程的進行是有方向的、有條件的、有限度的。熱力學(xué)第二定律的任務(wù)：判斷進行的方向、條件、限度。102一、熱力學(xué)第二定律的典型表述1.克勞修斯Clausius說法（1850年）2.開爾文Kelvin說法（1851年）103Clausius不可能使熱量由低溫物體向高溫物體傳遞而不引起其它的變化。104p1p2v1v212Kelvin不可能制造只從一個熱源吸熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機。等溫膨脹105克勞修斯Clausius說法——能量傳遞開爾文Kelvin說法——能量轉(zhuǎn)換兩種說法是等價的。106

熱力學(xué)第二定律的各種說法是一致的，若假設(shè)能違反一種表述,則可證明必然也違反另一種表述。

假設(shè)機器A違反開爾文說法能從高溫?zé)嵩慈〉脽崃縬’1而把它全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功w0，即w0

＝q’1，則可利用這些功來帶動制冷機B，由低溫?zé)嵩慈〉脽崃縬2而向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬1

。即A機：B機：從上兩式：有

即低溫?zé)嵩唇o出熱量q2，而高溫?zé)嵩吹玫搅藷崃縬2，此外沒有其它的變化。這顯然違反了克勞修斯說法。107二、卡諾循環(huán)和卡諾定理四個過程組成的理想循環(huán)反映的是在一定的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩捶秶鷥?nèi)，其最大限度的轉(zhuǎn)換效率是多少1081.卡諾循環(huán)可逆循環(huán)：循環(huán)的各過程均為可逆過程，相應(yīng)的熱機為可逆熱機。卡諾循環(huán)：兩熱源間的可逆循環(huán)，由定溫吸熱、絕熱膨脹、定溫放熱、絕熱壓縮四個可逆過程組成。pv3T112q14T2q2Ts1234109卡諾循環(huán)熱效率：可見：①②③④q1=T1(sa-sb)q2=T2(sd-sc)卡諾循環(huán)的有關(guān)結(jié)論對工程實踐有著非常重要的指導(dǎo)意義！！1102.卡諾定理

（1）在兩個給定的熱源之間工作的所有熱機，不可能具有比可逆熱機更高的熱效率。（2）在兩個熱源間工作的一切可逆熱機具有相同的熱效率。

結(jié)論：在同樣的兩個溫度不同的熱源間工作的熱機，以可逆熱機熱效率為最大，不可逆熱機的熱效率小于可逆熱機,它指出了在兩個溫度不同的熱源間工作的熱機熱效率的最高極限值。

另一種說法：

在溫度為T1的高溫?zé)嵩春蜏囟葹門2的低溫?zé)嵩粗g工作的熱機循環(huán)，以卡諾循環(huán)的熱效率為最高。”

111三、狀態(tài)參數(shù)—

熵1.沿可逆過程的克勞修斯積分abcdpv對任意可逆循環(huán)a-b-c-d，假設(shè)用定熵線分割該循環(huán)，就形成一系列微元卡諾循環(huán)，取其中一個微元卡諾循環(huán)，則：由于是負(fù)值，則有對整個可逆循環(huán)積分，112熵S

比熵s

對于微元過程：

由于熵是狀態(tài)參數(shù)，熵變只由初、終狀態(tài)決定，與過程的路徑及過程是否可逆無關(guān)。

沿可逆過程的克勞修斯積分與路徑無關(guān)，由初、終狀態(tài)決定，這就引出了狀態(tài)參數(shù)---熵的定義式。1132.熵流與熵產(chǎn)

沿任何過程（可逆或不可逆）的克勞修斯積分，稱為“熵流”，用“Sf”表示。114系統(tǒng)熵的變化量與熵流之差定義為熵產(chǎn)，用“Sg”表示

熵流是由于系統(tǒng)與外界的發(fā)生熱交換而引起的，其取值可正可負(fù)可為零，而熵產(chǎn)是過程不可逆性的度量，可逆過程熵產(chǎn)為零，不可逆過程熵產(chǎn)大于零，任何過程的熵產(chǎn)不可能小于零。1154.熵的性質(zhì)1.熵是狀態(tài)參數(shù)，是尺度量。2.T-s（溫-熵）圖上可逆過程曲線下的面積等于過程熱量。Ts12s1s2可逆過程ds>0

吸熱

ds<0放熱

ds=0

無熱交換

可逆的絕熱過程為等熵過程。3.熵產(chǎn)是過程不可逆性的度量。116四、熵增原理對任意過程：孤立系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)熵增原理：

在孤立系統(tǒng)和絕熱閉口系統(tǒng)中，如進行的過程是可逆過程，其系統(tǒng)總熵保持不變；如為不可逆過程，其熵增加；不論什么過程，其熵不可能減少。任何實際過程都是不可逆過程，只能沿著使孤立系統(tǒng)熵增加的方向進行。117重要結(jié)論：

1.熵增過程與過程不可逆性密切相關(guān)，不可逆程度越大，熵增也越大。2.根據(jù)孤立系統(tǒng)熵的變化可判斷過程進行的方向（可逆、不可逆、不能實現(xiàn)）。：3.熵增原理可作為系統(tǒng)平衡的判據(jù)：當(dāng)孤立系統(tǒng)的熵達(dá)到最大值時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)第二篇傳熱學(xué)

(heattransfer)1.掌握熱量傳遞的基本方式及規(guī)律

2.熟悉導(dǎo)熱的基本概念、傅里葉定律、導(dǎo)熱系數(shù)；穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和肋片導(dǎo)熱過程及特點3.熟悉對流換熱的基本概念；影響對流換熱的因素；單相流體對流換熱過程4.了解沸騰換熱與凝結(jié)換熱5.熟悉熱輻射的基本概念及特點、熱輻射的基本定律；輻射換熱計算6.掌握傳熱過程分析，增強與削弱傳熱措施7.了解換熱器工作原理及特點第二篇傳熱學(xué)

(heattransfer)第一節(jié)傳熱學(xué)的研究對象第二節(jié)熱量傳遞的三種基本方式第三節(jié)導(dǎo)熱第四節(jié)對流換熱原理第五節(jié)各種對流換熱過程的特征及計算公式第六節(jié)輻射換熱第七節(jié)傳熱過程與熱交換器第一節(jié)傳熱學(xué)的研究對象

傳熱學(xué)是研究有溫差存在情況下的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。自然界溫差無處不在，無時不有。制冷空調(diào)

在制冷空調(diào)中，大量的運用了散熱片、換熱器來達(dá)到熱交換的目的

冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋原因。

解：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較?。?0℃，1.01325×105Pa時，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/m?K）），具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進入，因而效果更明顯。

冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無風(fēng)時感到更冷些？

解：假定人體表面溫度相同時，人體的的散熱在有風(fēng)時相當(dāng)于強制對流換熱，而在無風(fēng)時屬自然對流換熱（不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時）。而空氣的強制對流換熱強度要比自然對流強烈。因而在有風(fēng)時從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。

航空航天

人造地球衛(wèi)星在返回地球表面時為何容易被燒毀？在航空航天領(lǐng)域,航天飛機表面材料要求絕熱良好；衛(wèi)星上裝有的太陽能吸收裝置能提供衛(wèi)星工作所需的部分能量

解：衛(wèi)星在太空中正常運行時，其表面的熱量傳遞方式主要依靠與太空及太陽等星體的輻射。而在衛(wèi)星返回地面的過程中，由于與大氣層之間的摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，無法及時散失，因而易被燒毀。電子器件

電腦內(nèi),必須加強諸多芯片的散熱。CPU芯片

芯片內(nèi)空氣流動換熱示意圖

建筑上,利用空氣導(dǎo)熱系數(shù)小的特點,制成的空心磚具有良好的保溫效果第二節(jié)熱量傳遞的三種基本方式

分析室內(nèi)熱量傳給室外的熱傳遞過程（1）室內(nèi)→內(nèi)墻：對流換熱，熱輻射（2）內(nèi)墻→外墻：導(dǎo)熱（3）外墻→大氣：對流換熱，熱輻射

三種熱量傳遞方式：導(dǎo)熱、熱對流和熱輻射α，tf1α2tf2tw1tw2Q（2）特征：

a.物體間無相對位移；

b.物體間必須相互接觸；

c.沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。

（3）導(dǎo)熱量的計算如上圖所示的大平壁，若其兩側(cè)壁面各點溫度保持不變，分別保持為tw1及tw2，則熱量將從tw1一側(cè)傳向tw2一側(cè)。此時通過大平壁的熱流量Q可表示為：tW1Q

δ

x1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）conductionheattransfer

（1）定義：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞。

tw2熱流量溫差熱阻導(dǎo)熱熱阻外表面壁溫，℃壁的厚度，m內(nèi)表面壁溫，℃垂直于導(dǎo)熱方向的物體橫截面積,m2導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K熱流量，W

（2）對流換熱：流體流過與之溫度不同的固體壁面時引起的熱量傳遞。

（3）特征：有相對位移；一定伴隨著流體的導(dǎo)熱；沒有能量形式之間的轉(zhuǎn)換；流體和固體壁面相互接觸。

（1）熱對流：流體的各部分之間由于相對宏觀位移而引起的熱量傳遞。2.熱對流（convectionheattransfer）（√）2、流體與固體表面之間的熱量傳遞稱為對流換熱，這種傳熱現(xiàn)象包括熱對流和導(dǎo)熱兩種基本傳熱方式。對流換熱公式牛頓冷卻定律固體壁面溫度，℃流體溫度，℃壁面面積,m2對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）熱流量，W對流換熱熱阻3.熱輻射(radiationheattransfer)（1）定義：依靠物體表面對外發(fā)射可見和不可見的射線（電磁波）傳遞熱量。（2）特征：有能量形式間的轉(zhuǎn)化：熱能輻射能熱能不需直接接觸，不需要中間介質(zhì)T>0就有能量輻射與絕對溫度呈4次方關(guān)系（ABDEF）熱輻射是最基本的傳熱方式之一，物體間的輻射換熱具有以下哪些特點A、熱輻射過程總是伴有能量形式的轉(zhuǎn)換B、不依靠中間媒介，可以在真空在進行C、只有高溫物體發(fā)射輻射能D、熱射線具有電磁波的共性E、熱射線以光速傳播F、兩物體溫度相同時，熱輻射交換也在進行熱輻射可以在真空中傳播，不需要介質(zhì)。熱輻射本質(zhì)上是電磁波輻射，只要溫度高于0K的物體都能輻射電磁波，向外輻射能量。輻射換熱公式

具有不同表面溫度的物體之間，依靠熱輻射進行的熱傳遞過程，或者有熱輻射能力的氣體與包殼之間熱傳遞過程，均稱為輻射換熱。

Cs為該輻射系統(tǒng)的輻射系數(shù)，它和參與輻射物體的性質(zhì)、物體之間的距離、相對論位置、物體的形狀等因素有關(guān)，其單位為

W/m2·K4四、傳熱公式Q

一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻燃?xì)鈧?cè)冷卻水側(cè)

一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞

----內(nèi)燃機氣缸壁的冷卻過程上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：傳熱系數(shù)，是表征傳熱過程強烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。

傳熱系數(shù)單位熱阻或面積熱阻

例1

有一平底鋁制水壺，壺底直徑D為24cm，底厚=2mm，內(nèi)裝tf2=20C的冷水，置于電爐上。已知鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為200W/(m·K)，傳熱熱流量Q=400W，壺內(nèi)壁對冷水的換熱系數(shù)為200W/(m2·K)

，求壺底外壁的溫度。t1。解：P155第三節(jié)導(dǎo)熱一、傅立葉定律和導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱微分方程三、平壁導(dǎo)熱四、圓筒壁導(dǎo)熱五、通過接觸面的導(dǎo)熱一、傅里葉定律和導(dǎo)熱系數(shù)（一）溫度場和溫度梯度1、溫度場：任一瞬間，在所研究空間中所有點上溫度分布的總稱，是空間坐標(biāo)和時間的函數(shù)。穩(wěn)態(tài)溫度場非穩(wěn)態(tài)溫度場2、等溫面與等溫線：在溫度場中,將溫度相等的點連成面即為等溫面。等溫面與任一平面的交線便是等溫線。等溫線與另一條溫度不同的等溫線不可能相交,它可以是封閉曲線或者終止于物體的界面上。

熱流線與等溫線垂直，且指向溫度降低的方向。

3、溫度梯度：在溫度場中，溫度在空間上改變的大小程度，用gradt表示。它是在等溫面法線方向ｎ上單位長度的溫度增量,它是一個矢量,指向溫度增大的方向。n熱流的方向與溫度梯度方向相反（二）傅立葉定律

熱流量熱流密度

1822年，法國數(shù)學(xué)家傅里葉（Fourier）在實驗研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱基本規(guī)律——傅里葉定律。1）

2）各種物質(zhì)的值都是溫度的函數(shù)。

3）多孔物質(zhì)的值較小，吸水后導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大。

（三）導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)表明物體導(dǎo)熱能力的程度，是每單位溫度梯度所傳導(dǎo)的熱流密度值。二、導(dǎo)熱微分方程式（HeatDiffusionEquation）確定導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布是導(dǎo)熱理論的首要任務(wù)。傅里葉定律：確定熱流密度的大小，應(yīng)知道物體內(nèi)的溫度場:理論基礎(chǔ)：傅里葉定律+熱力學(xué)第一定律假設(shè)：(1)所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質(zhì)

(2)熱導(dǎo)率、比熱容和密度均為已知

(3)物體內(nèi)具有內(nèi)熱源；強度[W/m3];

內(nèi)熱源均勻分布；表示單位體積的導(dǎo)熱

體在單位時間內(nèi)放出的熱量(一)導(dǎo)熱微分方程式在導(dǎo)熱體中取一微元體熱力學(xué)第一定律：

d時間內(nèi)微元體中：[導(dǎo)入與導(dǎo)出凈熱量]+[內(nèi)熱源發(fā)熱量]=[熱力學(xué)能的增加]1、導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈熱量d時間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)x表面導(dǎo)入的熱量：d時間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)x+dx表面導(dǎo)出的熱量：d時間內(nèi)、沿x軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量：其中：

同理：d時間內(nèi)、沿y、z

軸方向也有導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體凈熱量：2、微元體中內(nèi)熱源的發(fā)熱量d時間內(nèi)微元體中內(nèi)熱源的發(fā)熱量：3、微元體熱力學(xué)能的增量d時間內(nèi)微元體中熱力學(xué)能的增量：由[1]+[2]=[3]：導(dǎo)熱微分方程式、導(dǎo)熱過程的能量方程

直角坐標(biāo)系下，為常數(shù)，有內(nèi)熱源的、三維、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：

a為導(dǎo)溫系數(shù)（是一個物性參數(shù)），也稱熱擴散系數(shù)，說明物體被加熱或冷卻時其各部分溫度趨于一致的能力。a大的物體被加熱時，各處溫度能較快地趨于一致。對無內(nèi)熱源、常物性、一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程對無內(nèi)熱源、常物性、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程或者：

定解條件：使微分方程獲得適合某一特定問題的解的特定條件。初始條件：邊界條件：初始時刻的溫度分布，只適用于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。導(dǎo)熱物體邊界上的溫度或換熱情況。1）第一類邊界條件：給定邊界上的溫度值；2）第二類邊界條件：給定邊界上的熱流密度值；3）第三類邊界條件：給定邊界上物體與周圍流體間的換熱系數(shù)及周圍流體的溫度。三、平壁導(dǎo)熱（一）單層平壁

平壁的長和寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，且兩側(cè)壁面溫度保持t1和t2，則熱量只沿x方向傳導(dǎo)，為一維溫度場。

平壁的長和寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，且兩側(cè)壁面溫度保持t1

和t2，則熱量只沿x方向傳導(dǎo)，為一維溫度場。

無內(nèi)熱源、常物性、一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程。一次積分二次積分邊界條件123123（二）多層平壁的導(dǎo)熱四、圓筒壁導(dǎo)熱（一）單層圓筒壁導(dǎo)熱只沿半徑方向

從上式解出，通過每米管長的導(dǎo)熱量ql（二）多層圓筒壁的導(dǎo)熱

當(dāng)d2/d1＜2時，若按平壁計算，其誤差不超過4℅；當(dāng)d2/d1＜1.3時，其誤差不超過0.5℅。

對于鍋爐中的管子、冷凝器中的管子以及氣缸壁，都可以用平壁公式來計算。

五、通過接觸面的導(dǎo)熱

實際固體表面不是理想平整的，所以兩固體表面直接接觸的界面容易出現(xiàn)點接觸，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接觸

——給導(dǎo)熱帶來額外的熱阻。

當(dāng)界面上的空隙中充滿導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于固體的氣體時，接觸熱阻的影響更突出。——接觸熱阻

當(dāng)兩固體壁具有溫差時，接合處的熱傳遞機理為接觸點間的固體導(dǎo)熱和間隙中的空氣導(dǎo)熱，對流和輻射的影響一般不大。(Thermalcontactresistance）：接觸熱阻（1）當(dāng)熱流量不變時，接觸熱阻Rt

較大時，必然在界面上產(chǎn)生較大溫差;（2）當(dāng)溫差不變時，熱流量必然隨著接觸熱阻Rt

的增大而下降;（3）即使接觸熱阻Rt不是很大，若熱流量很大，界面上的溫差是不容忽視的。.接觸熱阻的影響因素：

（1）固體表面的粗糙度（3）接觸面上的擠壓壓力

（2）接觸表面的硬度匹配（4）空隙中的介質(zhì)的性質(zhì)在實驗研究與工程應(yīng)用中，消除接觸熱阻很重要

導(dǎo)熱姆（導(dǎo)熱油、硅油）、銀先進的電子封裝材料（AIN），導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)400以上第四節(jié)對流換熱原理

運動著的流體與固體壁面之間的熱傳遞過程稱為對流換熱。對流換熱是熱對流和熱傳導(dǎo)兩種熱傳遞基本方式同時起作用的一種復(fù)雜的熱傳遞過程。因此,影響對流換熱的因素遠(yuǎn)比導(dǎo)熱要多。

一、對流換熱概述二、對流換熱過程的數(shù)學(xué)描述三、對流換熱過程的實驗求解一、對流換熱概述1對流換熱的定義和性質(zhì)對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象?！駥α鲹Q熱實例：1)暖氣管道;2)電子器件冷卻；3)電風(fēng)扇●對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式(1)

導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程(2)必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差(3)由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層2對流換熱的特點3對流換熱的基本計算式牛頓冷卻式:4對流換熱系數(shù)——當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量。如何確定α及增強換熱的措施是對流換熱的核心問題。研究對流換熱的方法：（1）分析法（2）實驗法（3）比擬法（4）數(shù)值法5對流換熱的影響因素

對流換熱是流體的導(dǎo)熱和對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。其影響因素主要有以下五個方面：(1)流動起因;(2)流動狀態(tài);(3)流體有無相變;(4)換熱表面的幾何因素;(5)流體的熱物理性質(zhì)。(1)流動起因

自然對流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動。

強制對流：由外力（如：泵、風(fēng)機、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動。(2)流動狀態(tài)層流：整個流場呈一簇互相平行的流線紊流：流體質(zhì)點做復(fù)雜無規(guī)則的運動（Laminarflow）（Turbulentflow）(3)流體有無相變單相換熱：相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）(4)換熱表面的幾何因素：內(nèi)部流動對流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動對流換熱：外掠平板、圓管、管束(5)流體的熱物理性質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)密度比熱容動力粘度運動粘度體脹系數(shù)綜上所述，對流換熱系數(shù)是眾多因素的函數(shù)：

對流換熱問題的分類對流換熱無相變有相變強制對流內(nèi)部流動外部流動自然對流混合對流沸騰換熱凝結(jié)換熱外掠平板的對流換熱外掠單根圓管的對流換熱外掠圓管管束的對流換熱外掠其它截面形狀柱體的對流換熱射流沖擊換熱圓管內(nèi)強制對流換熱其它形式截面管道內(nèi)的對流換熱大空間自然對流有限空間自然對流大容器沸騰管內(nèi)沸騰管外凝結(jié)管內(nèi)凝結(jié)6對流換熱的分類：二、對流換熱過程的單值性條件：幾何條件：換熱物體的形狀和尺寸；物性條件：流體的種類以及熱物性參數(shù)；邊界條件：流體邊界面上的速度和溫度；時間條件：初始時刻的速度和溫度等；只適用于非穩(wěn)態(tài)過程。確定對流換熱系數(shù)的方法數(shù)學(xué)分析法、實驗法和類比法1.數(shù)學(xué)分析法

質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒描述一般的對流換熱現(xiàn)象，利用某一特定現(xiàn)象的單值條件，建立一個對流換熱的物理模型，進行數(shù)學(xué)分析，求得換熱系數(shù)?，F(xiàn)象所服從的基本規(guī)律某一具體的換熱現(xiàn)象對流換熱現(xiàn)象=對流換熱微分方程組+單值條件邊界層方法的分析解離散化方法的數(shù)值解求近似解2.實驗法經(jīng)驗法半經(jīng)驗法利用實驗測得的數(shù)據(jù)，計算出換熱系數(shù)值，再利用在該實驗范圍內(nèi)獲得的一系列值，整理成經(jīng)驗公式。根據(jù)換熱現(xiàn)象的物理模型，用相似理論找到判別一組相似的對流換熱現(xiàn)象所具有的充要條件，應(yīng)用大量實驗數(shù)據(jù)整理出適用于某一實驗范圍內(nèi)的準(zhǔn)則方程。現(xiàn)象所服從的基本規(guī)律某一具體的換熱現(xiàn)象相似理論對流換熱現(xiàn)象=對流換熱微分方程組+單值條件準(zhǔn)則方程3.類比法

將對流換熱過程中的熱量傳遞和動量傳遞相類比，用數(shù)學(xué)關(guān)系式將兩個傳遞現(xiàn)象聯(lián)系起來，由流體流動的阻力規(guī)律來求解對流換熱規(guī)律。理論分析或?qū)嶒灉y試熱量傳遞和動量傳遞的類比規(guī)律基本規(guī)律和基本假設(shè)對流換熱現(xiàn)象=流體流動的阻力規(guī)律對流換熱規(guī)律三、對流換熱過程的實驗求解

相似原理1問題的提出試驗是不可或缺的手段，然而，經(jīng)常遇到如下兩個問題:(1)變量太多A實驗中應(yīng)測哪些量（是否所有的物理量都測）B實驗數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣函數(shù)關(guān)系）(2)實物試驗很困難或太昂貴的情況，如何進行試驗？相似原理將回答上述三個問題。2相似原理的研究內(nèi)容：研究相似物理現(xiàn)象之間的關(guān)系，物理現(xiàn)象相似：對于同類的物理現(xiàn)象，在相應(yīng)的時刻與相應(yīng)的地點上與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對應(yīng)成比例。

（1）物理現(xiàn)象的性質(zhì)相同（2）描述物理現(xiàn)象的物理量相似（3）能用同樣形式和內(nèi)容的數(shù)學(xué)方程式來描述同類物理現(xiàn)象：用相同形式并具有相同內(nèi)容的微分方程式所描寫的現(xiàn)象。3物理現(xiàn)象相似的特性同名特征數(shù)對應(yīng)相等；各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關(guān)系，如常物性流體外略平板對流換熱特征數(shù)：特征數(shù)方程：無量綱量之間的函數(shù)關(guān)系4物理現(xiàn)象相似的條件同名的已定特征數(shù)相等單值性條件相似：初始條件、邊界條件、幾何條件、物理條件實驗中只需測量各特征數(shù)所包含的物理量,避免了測量的盲目性——解決了實驗中測量哪些物理量的問題按特征數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系整理實驗數(shù)據(jù)，得到實用關(guān)聯(lián)式——解決了實驗中實驗數(shù)據(jù)如何整理的問題因此，我們需要知道某一物理現(xiàn)象涉及哪些無量綱數(shù)？它們之間的函數(shù)關(guān)系如何？這就是我們下一步的任務(wù)可以在相似原理的指導(dǎo)下采用?；囼?/p>

——解決了實物試驗很困難或太昂貴的情況下，如何進行試驗的問題

相似理論（原理）

影響換熱系數(shù)的因素很多，要找出眾多變量間的函數(shù)關(guān)系，實驗次數(shù)非常之多，以致無法實現(xiàn)。通過相似原理的理論分析：①可以大幅度地減少變量；②代表性提高；③可減少盲目性。

1.物理量的相似對于幾何相似有：幾何體各對應(yīng)邊應(yīng)成同一個比例。twtf

同幾何相似一樣，對于彼此相似的物理分布，可通過將其中的一個分布全盤放大或縮小而得到與之相似的一切分布——物理相似。5無量綱量的獲得：相似分析法

在已知物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，建立兩現(xiàn)象之間的一系列比例系數(shù)，尺寸相似倍數(shù)，并導(dǎo)出這些相似系數(shù)之間的關(guān)系，從而獲得無量綱量。以右圖的對流換熱為例：現(xiàn)象1：現(xiàn)象2：數(shù)學(xué)描述：（1）（2）代入（1）與（2）比較獲得無量綱量及其關(guān)系：

上式證明了“同名特征數(shù)對應(yīng)相等”的物理現(xiàn)象相似的特性。

類似地：通過動量微分方程可得：慣性力與粘性力之比通過對能量微分方程進行相似分析：動量擴散率與熱量擴散率之比

對自然對流的微分方程進行相應(yīng)的分析，可得到一個新的無量綱數(shù)——格拉曉夫數(shù)式中：

——流體的體積膨脹系數(shù)K-1Gr——表征流體浮升力與粘性力的比值常用相似準(zhǔn)則名稱符號定義物理意義努塞爾數(shù)Nu壁面上流體的無量綱溫度梯度雷諾數(shù)Re慣性力與粘性力之比普朗特數(shù)Pr動量擴散率與熱量擴散率之比格拉曉夫數(shù)Gr浮升力與粘性力之比當(dāng)流速很小、Re數(shù)較低時，其準(zhǔn)則方程若只是受迫對流換熱，則上式化簡為若只是自然對流換熱，則化簡為對空氣，Pr＝0.72Nu＝f（Re）第五節(jié)各種對流換熱過程的特征及計算公式

一、受迫對流換熱二、自然對流換熱三、蒸汽凝結(jié)換熱四、液體沸騰換熱一、受迫對流換熱1.管內(nèi)紊流換熱實驗關(guān)聯(lián)式實用上使用最廣的是迪貝斯－貝爾特公式：加熱流體時，冷卻流體時。式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長度為管內(nèi)徑。實驗驗證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。層流紊流

短管修正入口段的熱邊界層薄，對流換熱系數(shù)高。

紊流時:

彎管修正螺線管強化了換熱。對此有螺線管修正系數(shù)：

對于氣體對于液體無粘性，速度分布無畸變有粘性，速度分布有畸變粘性越大，畸變越嚴(yán)重。大溫差修正實際上來說，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變。一般在關(guān)聯(lián)式中引進乘數(shù)來考慮不均勻物性場對換熱的影響。大溫差情形，可采用下式計算。對氣體被加熱時，當(dāng)氣體被冷卻時，對液體液體受熱時液體被冷卻時2.外部流動強制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式

外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。（一）橫掠單管換熱實驗關(guān)聯(lián)式

橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。

邊界層的成長和脫體決了外掠圓管換熱的特征?？刹捎靡韵路侄蝺绱侮P(guān)聯(lián)式：式中：C及n的值見下表；定性溫度為特征長度為管外徑；數(shù)的特征速度為來流速度實驗驗證范圍：℃，℃。

對于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對流換熱也可采用上式。

注：指數(shù)C及n值見下表，表中示出的幾何尺寸

L是計算數(shù)及數(shù)時用的特征長度。（二）橫掠管束換熱實驗關(guān)聯(lián)式外掠管束在換熱器中最為常見。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強、阻力損失大并難于清洗。影響管束換熱的因素除數(shù)外，還有：叉排或順排；管間距；管束排數(shù)等。氣體橫掠10排以上管束的實驗關(guān)聯(lián)式為

式中：定性溫度為特征長度為管外徑d，數(shù)中的流速采用整個管束中最窄截面處的流速。實驗驗證范圍：

C和m的值見下表。后排管受前排管尾流的擾動作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到10排以上的管子才能消失。這種情況下，先給出不考慮排數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式，再采用管束排數(shù)的因素作為修正系數(shù)。二、自然對流換熱

流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對流換熱與流體在壁面附近的由溫度差異所形成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場造成了不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。在熱壁面上的空氣被加熱而上浮,而未被加熱的較冷空氣因密度較大而下沉。所以自然對流換熱時,壁面附近的流體不像受迫對流換熱那樣朝同一方向流動。一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度tW，在離開壁面的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。

自然對流：不依靠泵或風(fēng)機等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。一般地，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。

速度分布溫度分布隨的x變化（一）無限空間自然對流換熱

換熱面附近流體的運動狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空間圍護壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對流換熱。流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式：

式中：定性溫度采用數(shù)中的為與之差，對于符合理想氣體性質(zhì)的氣體，。

特征長度的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。

無限空間自然對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式（二）有限空間自然對流換熱一般關(guān)聯(lián)式為

上面我們分析了無相變的對流換熱，包括強制對流換熱和自然對流換熱

下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結(jié)換熱和沸騰換熱兩種。

相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實驗關(guān)聯(lián)式。三、蒸氣凝結(jié)換熱

凝結(jié)過程

膜狀凝結(jié)沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級）gg豎壁上的膜狀凝結(jié)

液膜愈厚，αｘ愈小。液膜內(nèi)的溫度分布為線性。珠狀凝結(jié)可視化照片2.水平單管上的膜狀凝結(jié)3.水平管束的膜狀凝結(jié)由于上一排的凝結(jié)液流至下一排水平管上會使液膜增厚，使換熱系數(shù)降低。4.影響凝結(jié)換熱的主要因素１）蒸氣流速的影響

當(dāng)蒸氣流速大于10m/s時，若流速方向與液膜下流方向一致，則液膜變薄，換熱系數(shù)α增大；若蒸氣流速與液膜下流方向相反，則液膜增厚，α減小。若蒸氣流動速度很大，以致將液膜吹離壁面，則α顯著增大。2）蒸氣中含有不凝結(jié)氣體的影響如蒸氣中含有空氣或其它不凝結(jié)氣體,換熱系數(shù)就會顯著下降。在氟利昂制冷裝置中，一旦氟利昂中混入空氣，這些不凝結(jié)的空氣就會聚集在冷凝器管壁附近而嚴(yán)重影響氟利昂蒸氣的凝結(jié)換熱，致使冷凝器壓力過高。因此，必須將聚集在冷凝器中的空氣放掉，以改善凝結(jié)換熱過程,使冷凝壓力恢復(fù)正常。四、液體沸騰換熱

蒸汽鍋爐做飯許多其它的工業(yè)過程1生活中的例子定義：

a沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過程

b沸騰換熱：指工質(zhì)通過氣泡運動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式3分類：沸騰的分類很多，書中僅介紹了常見的大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)和強制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。沸騰不同于蒸發(fā)過程，蒸發(fā)只發(fā)生在液體自由表面a

大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰；b強制對流沸騰：強制對流＋沸騰加熱表面HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflowc過冷沸騰：指液體主流尚未達(dá)到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，稱之為過冷沸騰d飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，而壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰，稱之為飽和沸騰

大容器飽和沸騰曲線：表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：qmaxqmin幾點說明：（1）上述熱流密度的峰值qmax

有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。

沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的卻又許多不同的計算公式羅