清華大學熱工基礎課件工程熱力學加傳熱學期末復習

清華大學熱工基礎課件清華大學熱工基礎課件涵蓋熱力學、傳熱學、流體力學等基礎知識，并結合工程應用，為學生提供扎實的熱工基礎知識和實踐能力。工程熱力學及傳熱學期末復習本課程涵蓋工程熱力學和傳熱學兩部分內容，旨在幫助學生掌握熱力學和傳熱學的基礎理論和基本方法，并能應用于實際工程問題中。第一章熱力學基礎熱力學是研究能量轉換和傳遞規(guī)律的學科，是工程熱力學的基礎。本章將介紹熱力學的基本概念、定律和應用，為后續(xù)學習工程熱力學打下基礎。熱力學的基本概念能量守恒熱力學第一定律描述了能量守恒原理，能量不會憑空產生或消失，只能從一種形式轉化為另一種形式。熵增加熱力學第二定律描述了熵增加原理，孤立系統(tǒng)中的熵總是傾向于增加，表明系統(tǒng)的混亂程度會不斷增加。熱力學溫度熱力學溫度是熱力學系統(tǒng)中描述熱量傳遞方向和程度的物理量，以開爾文(K)為單位。熱力學系統(tǒng)和狀態(tài)量孤立系統(tǒng)與外界沒有能量和物質交換，例如一個完全封閉的容器。封閉系統(tǒng)僅與外界進行能量交換，例如一個帶有活塞的封閉容器。開放系統(tǒng)與外界既進行能量交換，也進行物質交換，例如一個鍋爐。系統(tǒng)狀態(tài)量是指描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，如溫度、壓強、體積等。熱力學第零定律1熱平衡兩個物體相互接觸，達到熱平衡狀態(tài)，它們的溫度相同。2溫度計原理溫度計測量溫度，依靠熱平衡原理，與被測物體達到熱平衡，測得溫度。3熱力學系統(tǒng)的基本概念熱力學第零定律是熱力學的基礎，定義了溫度，并為熱力學其他定律奠定了基礎。第一定律能量守恒熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的具體表現(xiàn)形式。在熱力學系統(tǒng)中，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式。熱力學定律熱力學第一定律是熱力學三大定律之一，也是物理學的基本定律之一。它揭示了熱量與功之間的關系，為我們理解能量轉換提供了理論基礎。第二定律熱力學第二定律熱力學第二定律指出，熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉移到高溫物體，或者說，熱量只能從高溫物體傳遞到低溫物體，而不可能反過來。熱力學第二定律的表述第二定律可以用不同的形式表述，例如克勞修斯表述、開爾文表述、普朗克表述等，這些表述都是等價的。第二定律的意義熱力學第二定律是熱力學中最基本、最重要的定律之一，它深刻揭示了能量轉換和利用的方向和規(guī)律，對自然界和人類社會有著重要的意義。熵的概念不可逆性熵是描述熱力學系統(tǒng)混亂程度的物理量，它表明系統(tǒng)在能量傳遞過程中不可避免地會存在能量損耗，導致系統(tǒng)混亂程度增加。能量散失熵增加表示能量在傳遞過程中不可避免地會轉化為低級形式的能量，例如熱量，導致能量可用性降低，無法完全回收利用。隨機性熵也反映了系統(tǒng)微觀粒子的運動狀態(tài)的隨機性，熵增加意味著系統(tǒng)的隨機性增加，粒子運動更加混亂無序。熵變計算1定義熵變是系統(tǒng)熵的改變量，表示系統(tǒng)混亂度的變化。2可逆過程可逆過程的熵變等于熱量變化除以溫度。3不可逆過程不可逆過程的熵變大于熱量變化除以溫度。4應用熵變計算可用于分析熱力學過程的效率和可行性。理想氣體狀態(tài)方程定義和公式理想氣體狀態(tài)方程描述了理想氣體的壓力、體積、溫度和摩爾數之間的關系。公式為：PV=nRT，其中P是壓力，V是體積，n是摩爾數，R是理想氣體常數，T是溫度。應用范圍該方程廣泛應用于熱力學和化學領域，用于計算理想氣體的性質和行為。在工程應用中，例如發(fā)動機設計、燃料燃燒和制冷系統(tǒng)，該方程至關重要。理想氣體的熱力學過程等溫過程溫度保持不變，氣體體積與壓力成反比關系。等壓過程壓力保持不變，氣體體積與溫度成正比關系。等容過程體積保持不變，氣體溫度與壓力成正比關系。絕熱過程沒有熱量交換，氣體溫度變化與體積變化相關。第二章流體力學基礎流體力學是研究流體（液體和氣體）的力學行為的學科。流體是一種特殊的物質狀態(tài)，其在外力作用下可以流動，并呈現(xiàn)出不同的運動形式。流體的基本概念流體定義流體是指在剪切應力下會發(fā)生連續(xù)變形的物質。流體可以分為液體和氣體，它們沒有固定的形狀。壓強流體內部任意一點上的壓強是指單位面積上所受的垂直力。密度流體的密度是指單位體積的質量。粘度粘度是流體抵抗剪切變形的能力。高粘度流體流動緩慢，低粘度流體流動迅速。靜止流體的壓強靜止流體中的壓強是指流體內部各點受到的壓力。靜止流體的壓強具有以下特點：1方向各個方向的壓強都相等2深度深度越深，壓強越大3密度密度越大，壓強越大流體流動的基本方程1質量守恒控制體積內質量守恒2動量守恒控制體積內動量守恒3能量守恒控制體積內能量守恒流體流動基本方程是建立在流體質量、動量和能量守恒定律的基礎上的。這些方程描述了流體在各種條件下的運動規(guī)律，并為我們理解和預測流體流動現(xiàn)象提供理論依據。伯努利方程能量守恒伯努利方程是流體動力學中描述流體能量守恒的基本方程。應用場景廣泛應用于水利工程、航空航天、機械制造等領域，用于分析流體運動、計算流體壓力、速度等參數。核心原理將流體動能、勢能和壓力能總和表示成常數，體現(xiàn)了流體能量在不同形式之間轉換的規(guī)律。層流與湍流1層流流體質點沿平滑路徑流動，無橫向混合。2湍流流體質點沿不規(guī)則路徑流動，有橫向混合。3雷諾數區(qū)分層流和湍流的無量綱數，表示慣性力與粘性力之比。4湍流的應用在許多工業(yè)過程中，例如管道流、風力渦輪機等，湍流起著至關重要的作用。流阻及其計算1流阻的概念流阻是指流體在流動過程中遇到的阻力，會導致能量損失。2流阻的分類流阻可分為摩擦阻力和局部阻力，前者指流體與管壁之間的摩擦，后者指流體流動方向突變引起的阻力。3流阻計算常用的流阻計算方法包括達西-魏斯巴赫公式和謝齊公式，用于計算摩擦阻力，而局部阻力則需要根據具體的流道形狀和流動情況進行計算。第三章對流換熱對流換熱是熱量通過流體運動而傳遞的一種方式，主要分為自然對流和強制對流。對流熱傳遞基本定律傅里葉定律描述熱量在固體中的傳導速率，與材料熱導率、溫度梯度和傳熱面積成正比。牛頓冷卻定律描述對流熱傳遞速率，與流體熱傳遞系數、溫差和傳熱面積成正比。對流換熱系數衡量對流換熱效率的關鍵參數，取決于流體的性質、流速和傳熱表面形狀。自然對流熱氣球熱氣球利用熱空氣比冷空氣密度小的原理，通過熱氣球內的熱空氣上升。熱氣球的上升速度由熱空氣與周圍冷空氣的溫差決定。暖氣片暖氣片通過散熱，使周圍空氣溫度升高，熱空氣向上流動，冷空氣向下流動，形成對流循環(huán)。強制對流定義流體受外力驅動，例如風機或泵，從而導致流體流動并與固體表面進行熱交換，這被稱為強制對流。這是工程應用中常見的傳熱模式，例如，風冷機和散熱器利用強制對流來提高效率。影響因素強制對流的傳熱速率受多種因素的影響，包括流體速度、流體性質、表面幾何形狀和流體與表面的溫差。流體速度越高，傳熱速率越高。流體的粘度和熱導率也會影響傳熱速率。邊界層理論流體流動流體在固體表面附近流動時，速度變化顯著。邊界層形成邊界層是流體速度梯度最大的區(qū)域，分為層流邊界層和湍流邊界層。換熱影響邊界層厚度直接影響對流換熱系數，對傳熱過程至關重要。無量綱數和相似理論11.無量綱數無量綱數是物理量之間的比值，可以消除量綱的影響，使不同尺度或條件下的實驗結果可以相互比較。22.相似性原理相似性原理是指當兩個系統(tǒng)滿足某些無量綱數相等時，這兩個系統(tǒng)就具有相似性，可以相互比較。33.應用在熱工領域，相似性原理被廣泛應用于模型實驗，例如風洞實驗、水力模型實驗等。44.重要性相似性原理可以幫助我們用小型模型來模擬實際工程問題，從而節(jié)約成本、縮短研究周期。傳熱設備換熱計算1確定換熱面積計算傳熱量所需面積2確定傳熱系數基于傳熱方式和流體性質3換熱量計算利用換熱公式計算傳熱量傳熱設備換熱計算是工程熱力學的重要組成部分，用于確定傳熱設備的性能和尺寸。計算步驟包括：確定換熱面積、確定傳熱系數、換熱量計算。每個步驟都需要根據具體情況進行分析計算，并結合實際情況進行優(yōu)化設計。第四章熱輻射熱輻射是物體由于其溫度而發(fā)射的電磁輻射，是熱傳遞的三種基本方式之一。熱輻射與物體溫度、表面特性以及周圍環(huán)境溫度有關。黑體輻射定律熱力學概念黑體指完全吸收所有入射輻射的理想物體，沒有反射或透射。普朗克定律普朗克定律描述了黑體輻射能譜隨溫度和波長的變化關系，奠定了量子物理學的基礎。斯特藩-玻耳茲曼定律斯特藩-玻耳茲曼定律描述了黑體輻射的總能量與溫度的四次方成正比。維恩位移定律維恩位移定律指出黑體輻射能譜峰值波長與溫度成反比，解釋了物體的顏色隨溫度的變化。實際輻射體11.黑度黑度是指實際輻射體在特定溫度下輻射能量的能力與黑體在相同溫度下輻射能量的能力之比。它的數值介于0到1之間，1代表黑體，0代表完全不輻射能量的物體。22.灰體灰體是指黑度不隨波長變化的輻射體，即在所有波長范圍內都具有相同的黑度。實際生活中，許多物體可以近似看作灰體，如金屬表面、涂料等。33.選擇性輻射體選擇性輻射體是指黑度隨波長變化的輻射體，它們對不同波長的輻射能量吸收和發(fā)射能力不同。44.輻射系數輻射系數描述了實際輻射體在特定溫度下向某一特定方向發(fā)射輻射能的能力，其值介于0到1之間。熱輻射換熱輻射熱量物體之間的輻射換熱是指由于溫度差而產生的熱量傳遞。熱輻射換熱物體之間的熱量傳遞是通過電磁波形式進行的，而非直接接觸。熱輻射系數物體對熱輻射能量的吸收、發(fā)射和反射能力。復習要點總結重點章節(jié)工程熱力學和傳熱是課程的核心內