热力学与传热学.
工程热力学与传热学第二章稳态热传导基本概念
2. 常温边界
系统边界温度恒定，即 (T = T_b)
3. 周期性边界
系统边界温度呈周期性变化， 即 (T(x, y, z, t) = T(x + L, y,
z, t))
求解方法
有限差分法
将导热微分方程转化为差 分方程，通过迭代求解温 度分布。
有限元法
将导热微分方程转化为变 分形式，利用有限元离散 化求解温度分布。
在稳态热传导过程中，导热系数和热 阻共同决定了物体内部温度分布的特 性。
当材料的导热系数越大，其对应的热 阻就越小，表示热量传递越容易；反 之，导热系数越小，热阻越大，热量 传递越困难。
04 稳态热传导的实例分析
一维稳态热传导
总结词
一维稳态热传导是热传导在单一方向上的情况，常见于细长物体或薄层材料。
三维稳态热传导
要点一
总结词
三维稳态热传导涉及三个方向的热量传递，常见于球体或 立方体。
要点二
详细描述
在三维稳态热传导中，热量在三个相互垂直的方向上传递 ，常见于球体或立方体等三维物体。三维稳态热传导的温 度分布在不同方向上都是稳定的，其数学模型比一维和二 维情况更为复杂，需要考虑三个方向的热量传递。三维稳 态热传导在解决实际问题时具有重要意义，如地球内部的 热量传递、建筑物的散热分析等。
稳态热传导的重要性
01
02
03
工程应用广泛
稳态热传导在许多工程领 域都有广泛应用，如建筑、 机械、航空航天等。
基础理论支撑
稳态热传导是传热学的基 础理论之一，对于理解更 复杂的传热过程和现象至 关重要。
节能减排
通过掌握稳态热传导规律， 有助于优化能源利用，实 现节能减排。
稳态热传导的应用场景
工程热力学和传热学和流体力学初级
13
2.状态参数分类
强度量 尺度量
压力、温度 比容、热力学能（内能）、焓、熵
基本参数 导出参数
压力、温度、比容 热力学能（内能） 、焓、熵
（√）状态参数的变化只与系统的初、终状态有关，而与变 化途径无关。 （×）功也是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。 （×）热量是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。
热量多于定容过程吸收热量。
34
第四节 混合气体
工程实际应用的气体通常是混合气体，如空气、 烟气等等。混合气体的性质取决于各组分气体的成 份及热力性质。
混合物的性质与各种混合物的性质以及各组元在整个 混合物中所占的份额有关。
35
一、混合气体分压力和道尔顿分压力定律
分压力是各组成气体在混合气体的温度下单独 占据混合气体的容积时所呈现的压力。
p1v1 p2v2
p1V1 p2V2
2.查理斯定律
对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压
力与绝对温度成反比。
p1 p2 T1 T2
3.给•吕萨克定律
对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压
力与绝对温度成反比。V1 V2 或 v1 v2
T1 T2 T1 T2
26
4.理想气体状态方程的另外一种表示
（√）一切热力系统连同 与之相互作用的外界可 以抽象为孤立系统。
9
第二节 工质及基本状态参数
一、工质(working substance; working medium)
1.定义：实现热能和机械能相互转化，或 传递热能的媒介物质
例如：
电站锅炉的水蒸气 燃烧形成的烟气 气缸中的燃气
《热力学与传热学》课程综合复习资料
《热力学与传热学》课程综合复习资料一、判断题：1、理想气体吸热后，温度一定升高。
2、对于顺流换热器，冷流体的出口温度可以大于热流体的出口温度。
3、工程上常用的空气的导热系数随温度的升高而降低。
4、工质进行膨胀时必须对工质加热。
5、工质的熵增就意味着工质经历一个吸热过程。
6、已知湿蒸汽的压力和温度，就可以确定其状态。
7、同一温度场中两条等温线可以相交。
二、简答题:1、夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。
请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？2、有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。
为使稀饭凉的更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？3、一卡诺热机工作于500 ℃和200 ℃的两个恒温热源之间。
已知该卡诺热机每秒中从高温热源吸收100 kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。
4、辐射换热与对流换热、导热相比，有什么特点？hl的形式，二者有何区别？5、Nu数和Bi数均可写成λ三、计算题:1、将氧气压送到容积为2m3的储气罐内，初始时表压力为0.3bar，终态时表压力为3bar，温度由t1=45℃升高到t2=80℃。
试求压入的氧气质量。
当地大气压为P b=760mmHg，氧气R g=260J/(kg⋅K)。
2、2kg温度为25 ℃，压力为2 bar的空气经过一个可逆定压过程后，温度升为200 ℃。
已知空气的比定压热容c p=1.0 kJ/(kg⋅K)，比定容热容c V=0.71 kJ/(kg⋅K)。
试计算：(1)该过程的膨胀功；（2）过程热量。
3、流体受迫地流过一根内直径为25 mm的直长管，实验测得管内壁面温度为120℃，流体平均温度为60 ℃，流体与管壁间的对流换热系数为350 W/(m2⋅K)。
试计算单位管长上流体与管壁间的换热量。
4、在一根外直径为120mm的蒸汽管道外包一厚度为25mm的石棉保温层，保温层的导热系数为0.10 W/(m⋅K)。
工程热力学和传热学课后题答案
第2章课后题答案解析
简答题
简述热力学第一定律的实质和应用。
计算题
计算一定质量的水在常压下从100°C冷却 到0°C所需吸收的热量。
答案
热力学第一定律的实质是能量守恒定律在 封闭系统中的表现。应用包括计算系统内 能的变化、热量和功的相互转换等。
答案
$Q = mC(T_2 - T_1) = 1000gtimes 4.18J/(gcdot {^circ}C)times (0^circ C 100^circ C) = -418000J$
工程热力学和传热学课后题答 案
目
CONTENCT
录
• 热力学基本概念 • 气体性质和热力学关系 • 热力学应用 • 传热学基础 • 传热学应用 • 习题答案解析
01
热力学基本概念
热力学第一定律
总结词
能量守恒定律
详细描述
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表述，它指出系统能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的 能量。在封闭系统中，能量的总量保持不变。
热力学第二定律
总结词：熵增原理
详细描述：熵增原理指出，在一个孤 立系统中，自发反应总是向着熵增加 的方向进行，而不是减少。这意味着 孤立系统中的反应总是向着更加无序、 混乱的方向进行。
热力过程
总结词：等温过程 总结词：绝热过程 总结词：等压过程
详细描述：等温过程是指系统温度保持不变的过程。在 等温过程中，系统吸收或释放的热量全部用于改变系统 的状态，而不会引起系统温度的变化。
热力过程分析
总结词
热力过程分析是研究系统在热力学过程 中的能量转换和传递的过程，包括等温 过程、绝热过程、多变过程等。
VS
详细描述
等温过程是指在过程中温度保持恒定的过 程，如等温膨胀或等温压缩。绝热过程是 指在过程中系统与外界没有热量交换的过 程，如火箭推进或制冷机工作。多变过程 是指实际气体在非等温、非等压过程中的 变化过程，通常用多变指数来表示压力随 温度的变化关系。
工程热力学与传热学与复习总结
一、基本要求严格遵守考试纪律，绝不做任何有作弊嫌疑的动作。
二、考试需要携带的物品相关身份证件、笔、计算器三、复习要点（一）基本概念（红色粗体部分是热力学与传热学最基本的概念，要求掌握其定义、物理意义、表达式、单位）第一章基本概念工质：热能与机械能之间转换的媒介物质。
热源：热容量很大、并且在吸收或放出有限热量时自身温度及其他的热力学参数无明显变化的物体。
热力系统:人为选取的研究对象（空间或工质）。
外界（环境）：系统以外的所有物质。
闭口系统：与外界无物质交换的系统。
开口系统：与外界有物质交换的系统。
绝热系统：与外界无热量交换的系统。
孤立系统：与外界既无热量交换又无物质交换的系统。
平衡状态：在不受外界影响（重力场作用除外）的条件下，工质或系统的状态参数不随时间而变化的状态。
热力状态：工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。
状态参数：压力、温度、比体积、热力学能、焓、熵等。
基本状态参数：压力、温度、比体积压力（Pa ，mmH 2O ，mmHg ，atm, at 换算）：1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa1 psi=0.006895MPa温度：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量。
（标志冷热程度的物理量） 比体积：单位质量的工质所占有的体积。
密度：单位体积工质的质量。
ρν=1。
状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N =n +1 状态方程式：Ϝ(p ，ν，T)=0。
独立参数数目N =不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量= n +1准平衡过程：系统所经历的每一个状态都无限接近平衡态的过程。
可逆过程：系统经历某一过程后，如果再沿着原路径逆行而回到初始状态，外界也随之恢复到原来的状态，而不留下任何变化。
热力学与传热学的区别
热力学与传热学的区别
热力学和传热学是热学的两个重要分支，它们有以下区别：
1. 研究对象不同：热力学研究的是能量的转移和转化，以及物质的宏观性质与状态之间的关系，不考虑热能传输的具体方式。
传热学研究的是热能的传递与传输过程，分析热传导、热对流、热辐射等传热方式及其规律。
2. 研究内容不同：热力学主要研究热力学系统的宏观性质，如温度、压力、体积等，以热力学定律为基础推导热力学过程的性质和规律。
传热学主要研究能量传递与传输的机制和过程，分析热传导、热对流、热辐射等传热方式的传热规律。
3. 研究方法不同：热力学是一种宏观理论，采用统计平均的方法，通过宏观参数的测量和分析研究系统的性质。
传热学则需要借助实验、数值模拟、专业设备等多种手段来研究具体的传热过程和传热性能。
4. 应用范围不同：热力学广泛应用于工程领域，如热力机械、热工工艺、能源系统等；而传热学广泛应用于热处理、化工、能源转化等领域，对优化能源利用和热设计起着重要作用。
总之，热力学研究能量的转移和转化，物质的宏观性质与状态之间的关系；传热学研究能量的传递与传输过程，分析传热方式及其规律，两者在热学的不同领域发挥着重要作用。
工程热力学与传热学：1-5 功量与热量
对准平衡过程：
系统在整个过程中作功
pA
2
W 1 工质所作的膨胀功 。
2
w pdv 1
J kg
5. 示功图：
对一个可逆过程，体积变化功可在p-v图上用、
过程线下面的面积表示
1
2
w pdv
2. 可逆过程中系统与外界交换的热量：
q Tds
q 2
Tds
1 2
1
Q 2
TdS
1 2
1
3.示热图：
可逆过程中，热量在T-s图上用过程线下面的
面积表示
q Tds
2
q 1 Tds
T
2
q
1
T
规定：
０
➢ 系统吸热：热量为正， q > 0
系统放热：热量为负， q < 0
系统绝热： q = 0
递，传热过程中不出现能量形态的变化；
（2）功转变成热量是无条件的； 而热转变成功是有条件的。
思考 题
1. 功可以全部转变为热，但热不能全部转变为热
2. 质量相同的物体A和B ，若TA >TB，则物体Ａ具 有的热量比物体Ｂ多
可逆绝热： d s = 0
ds
s
示热图
➢ 热量是过程量：与初终状态，过程有关
1-5-3 功和热量的关系
共同点 （1）都是能量传递的度量，都是过程量； （2）只有在传递过程中才有功，热量。
区别 （1）功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功
过程中往往伴随着能量形态的转变； 热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传
pA
2
w 1 pdv
热力学与传热学
二、传热学 传热三种形式：导热、对流、热辐射 （一）导热 T1,T2 所在的面是等温面 1、导热的基本定律： 傅里叶定律： 2、热导率：材料导热能力的物理量。每秒钟在温 差为1K，壁厚1m，面积为1m2的壁上传导的热量。
被动式太阳房
3、平壁导热。 公式改写： 热阻：R=。。。 壁越厚，热导率越小，热阻越大。
2、压力、压强 Pa, 大气压 公式：绝对压力p=大气压力Po+表压力Pg 绝对压力：工质的真实压力
二、热量、比热容和热量计算 1、热量：Q（焦耳），物体之间存在温度差而引 起的热交换 2、比热容：单位质量的物质温度升高1 ℃或（1K） 吸收的热量或降低1 ℃或（1K）所放出的热量。 数量就是该物质的比热容。 C水=4.186kJ(kg ℃) ，可认为不变 1度电=？kJ
平板型太阳能集热器：吸热面积等于采光面积，无 跟踪 平板式
13
太阳能热水器
真空管式
平板式
14
太阳能热水器
单体机
集中集热系统
15
多层平壁导热： 每一层的热流量是相等的（稳定情况下）； 总热阻为各层热阻之和（类似串联电阻）
4、圆筒壁导热。 工程上：类似平壁导热计算公式来计算圆筒壁热 流量；用平均直径来计算传热面积。 厚度：平均 面积：πd(平均直径）
多层呢？原理一样。
（二）对流
定义：流体和固体壁面之间的热量交换
对流热流量：Ø=hA(Ts-Tf) （W）
ห้องสมุดไป่ตู้
流体与壁面的温差越大，面积越大，对流换热 系数越大，则换热热流量越大。
换成热阻：R
（二）热辐射
定义：不直接接触而进行热量传递
见图1-19,吸收比a，反射比P，透射比ţ
a+ P+ ţ=1
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《热力学与传热学》综合复习题一、判断说明下列说法是否正确，并说明理由。
1、某种理想气体经过一个不可逆循环后，其熵的变化值大于零。
2、功的数值仅仅取决于工质的初态和终态，与过程无关。
3、理想气体吸热后，温度一定升高。
4、牛顿冷却公式中的△t可以改为热力学温度之差△T。
5、工质进行膨胀时必须对工质加热。
6、在温度同为T1的热源和同为T2的冷源之间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。
7、工质的熵增就意味着工质经历一个吸热过程。
8、已知湿蒸汽的压力和温度，就可以确定其状态。
9、同一温度场中两条等温线可以相交。
二、简答题1．有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。
为使稀饭凉的更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？2．对于高温圆筒壁来说，加保温层一定能降低对外散热量，对吗？为什么？3．在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？4．同一物体内不同温度的等温线能够相交，对吗？为什么?5、在某厂生产的测温元件说明书上，标明该元件的时间常数为1秒。
从传热学角度，你认为此值可信吗？为什么？三、计算题1．一循环，工质从高温热源吸热3.4×106 kJ，输出功率1.1×106 kJ 。
试计算该循环的热效率ηt。
若循环是在温度分别为577 ℃和30 ℃的恒温热源间完成的，试计算该循环的热效率ηt与同温限下卡诺循环的热效率ηc之比。
2．可视为理想气体的空气在活塞中从1 bar、20℃经历一可逆绝热过程后，压力升为6bar。
已知空气的比定压热容c p=1.0 kJ/(kg⋅K)，比定容热容c V=0.71 kJ/(kg⋅K)。
试计算该过程终了时空气的温度，每千克空气所作的膨胀功。
3．有一直径为5cm初始温度为400℃的钢球，将其突然放到温度为30℃的空气中。
设钢球表面与周围环境间的总换热系数为24 W/(m2⋅K)，试计算钢球冷却到180℃所需的时间。
已知钢球的c=480 J/(kg⋅K)，ρ =7753 kg/m3，λ=33 W/(m⋅K)。
4．将氧气压送到容积为2m3的储气罐内，初始时表压力为0.3bar，终态时表压力为3bar，温度由t1=45℃升高到t2=80℃。
试求压入的氧气质量。
当地大气压为P b=760mmHg，氧气R g=260J/(kg⋅K)。
5．流体受迫地流过一根内直径为25 mm的直长管，实验测得管内壁面温度为120℃，流体平均温度为60 ℃，流体与管壁间的对流换热系数为350W/(m2⋅K)。
试计算单位管长上流体与管壁间的换热量。
6．相距甚近而平行放置的两个面积相等的灰体表面，黑度各为0.6和0.5，温度各为700℃和350℃，试计算它们之间的辐射换热量。
7．一卡诺热机工作于500 ℃和200 ℃的两个恒温热源之间。
已知该卡诺热机每秒中从高温热源吸收100 kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。
8．在一根外直径为120mm的蒸汽管道外包一厚度为25mm的石棉保温层，保温层的导热系数为0.10 W/(m⋅K)。
已知管子外表面温度为250℃，保温层外表面的温度为38℃，试求单位管长的热损失。
9．一定量的空气，经过下列四个可逆多变过程组成的循环。
试求：（1）填充下表所缺数据；（2）循环净功；（3）该循环的热效率。
10、厚为36 mm的无限大平壁，两侧表面温度分别为50 ℃和20 ℃。
已知平壁材料的导热系数为λ=0.56（1+0.0018t）W/(m⋅K) (其中t的单位为℃)，试计算通过平壁的热流密度。
11、绝热容器由隔板分成两部分，左边为压力600kPa，温度为300K的空气；右边为真空，容积是左边的5倍。
如将隔板抽去，空气迅速膨胀，充满整个容器。
试求：该过程中1千克空气的热力学能、温度和熵的变化。
【空气R g=287J/(kg⋅K)】12、外径为100 mm，表面温度为100 ℃，黑度为0.76的圆筒壁，被水平放置于一温度为20℃的大房间中。
已知圆筒壁外表面与空气的纯对流换热系数为7.03W/(m2⋅K)，试计算单位长度圆筒壁散失到房间中的总热量。
综合复习题参考答案一、判断下列说法是否正确，并说明理由。
1、不正确。
原因：熵是状态参数，不管循环是否可逆，工质的熵变均为零。
2、不正确。
原因：功是过程量，其数值与工质所经历的中间途径有关。
即使初终态相同，但若经历的途径不同，功值是不同的。
3、不正确。
原因：气体吸热Q>0，而∆U=Q-W，理想气体∆U=mc V∆T，则∆T 是否大于零还取决于W的大小。
4、正确。
原因：摄氏度与热力学温度的温差相等，∆t =∆T。
5、不正确。
原因：工质也可进行绝热膨胀。
6、正确。
原因：卡诺定理二7、不正确。
原因：在可逆过程中，工质的熵增意味着工质经历一个吸热过程。
但在不可逆过程中，由于不可逆因素引起的熵产恒大于零。
因此即使是绝热过程，工质的熵增也可能大于零。
8、不正确。
原因：湿蒸汽的压力与温度是互相对应的数值，不是相互独立的参数，故仅知其压力和温度不能决定其状态，必须再另有一个独立参数才行，如干度x。
9、不正确。
原因：同一物体内任一点在同一瞬间只有一个温度值，不可能具有两个以上的温度。
二、简答题1．答：应该搅拌碗中的稀饭。
这是一个传热过程。
相对而言，稀饭侧的对流换热系数较小、换热热阻较大。
搅拌稀饭时增大了其对流换热系数，最大限度的降低总传热热阻，可显著地增强传热，加速冷却速率。
2．答：不对。
因为对于圆筒壁的保温，存在一个临界热绝缘直径d c问题。
当圆筒壁外径大于临界热绝缘直径d c时，加保温层一定能降低散热量；但当圆筒壁外径小于临界热绝缘直径d c 时，在一定的保温层厚度范围内，其散热量是增加的。
3．答：采用多孔的空心砖较好。
因为气体的热导率远小于固体的热导率，相对实心砖而言 ，空心砖的热导率较小、导热热阻较大，在冬天可减少房屋的散热损失，利于保温。
4．答：不对。
同一物体内任一点在同一瞬间只有一个温度值，不可能具有两个以上的温度。
5．答：不可信。
因为测温元件的时间常数不仅取决于其几何参数、物理性质，还同换热条件有关。
它随着具体的测温过程而变化，并不是一个确定的数值。
三、计算题1．解：循环热效率的计算： %35.32%100104.3101.16610=⨯⨯⨯==Q W t η相应卡诺循环的热效率：%34.646434.015.27357715.273391112==++-=-=T T c η二者比值为： 5028.0%34.64%35.32==c t ηη2．解：p 1=1bar p 2=6bar T 1=20+273.15=293.15K k=c p /c V =1.4由题意知：1→2为可逆绝热过程，则K 69.4921615.2934.114.111212=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=--kk p p T TkJ/kg 68.141)15.29369.492(71.0)(122,1=-⨯=-=∆T T c u Vq=0，则 kJ/kg 68.141-=∆-=∆-=u u q w3．解：d=5cm=0.05m R=d/2=0.025 m t 0=400℃ t ∞=30℃ 对球体 V/A=R/3 M=1/3则31.0006.0333025.0243)/(<=⨯⨯===λλhR A V h B V i 可用集总参数法计算τρθθVc hAe t t t t -∞∞=--=00 则0lnθθρτhA cV -=代入数据，][66.11663040030180ln 324025.04807753s =--⨯⨯⨯-=τ4．解：V=2 m 3 p b =760mmHg=1.01325bar p=p e +p bp 1=p e1+p b =0.3+1.01325=1.31325 bar p 2=p e2+p b =3+1.01325=4.01325 bar 理想气体状态方程：pV=mR g T初态时罐内氧气质量为 kg 178.3)15.27345(26021031325.15111=+⨯⨯⨯==T R V p m g终态时罐内氧气质量为 kg 748.8)15.27380(26021001325.45222=+⨯⨯⨯==T R V p m g则压入的氧气质量为 ∆m=m 2-m 1=8.748-3.178=5.57 kg 5．解：管内强迫对流换热问题。
由牛顿冷却公式计算：)(/)(f w f w l t t d h l t t hA -=-=Φπ34.1649)60120(025.01.014.3350=-⨯⨯⨯⨯= W/m6．解：T 1=700+273.15=973.15K T 2=350+273.15=623.15K 由题意知，A 1=A 2=A X 1,2= X 2,1=1.0 2222,11111212,1111A X A A E E b b εεεε-++--=Φ 111)(2121-+-=εεb b E E A111)(11121424121212,12,1-+-=-+-=Φ=εεσεεT T E E Aq b b b 087.1586315.016.01)15.62315.973(1067.5448=-+-⨯⨯=- W/m 27．解：该卡诺热机的热效率：%8.38388.015.27350015.2732001112==++-=-=T T c η 输出功率为：8.38388.010010=⨯=Φ=c p η kW 8．解：此为通过圆筒壁的稳态导热问题。
由题意知：d 1=120mm d 2=d 1+2δ=120+2⨯25=170mm t w1=250ºC t w2=38ºC则 1221ln 21d d t t w w l πλ-=Φ432.382120170ln 10.014.32138250=⨯⨯-=［W/m ］9．解：（1）填表对每一过程有：Q=∆U+W 对循环有000W Q dU ==⎰（2）循环净功W 0=W 1-2+W 2-3+W 3-4+W 4-1=0+250+0-20=230 kJ 或 W 0=Q 0=1210+0-980+0=230kJ（3）循环热效率Q 1=1210 kJ %1919.0121023010====Q W c η 10．解：大平壁的平均温度为 t m =(t w1+t w2)/2=(50+20)/2=35℃平均热导率为：λm =0.56（1+0.0018t m ）=0.56×(1+0.0018×35) = 0.5953 W/(m ⋅K) 热流密度为：07.496036.020505953.021=-⨯=-=Φ=δλw w m t t A q W/m 2 11．解：以容器内的空气为研究对象。