热工基础-传热学-1概述
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热工基础-1-绪论
1824 年 ， 法 国 陆 军 工 程 师 Nicholas Léonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的 论文。 他通过对自己构想的理想热机 的分析得出结论：热机必须在两个 热源之间工作，理想热机的效率只 Carnot 取决与两个热源的温度，工作在两 个一定热源之间的所有热机，其效 (1796 - 1832) 率都超不过可逆热机，热机在理想 状态下也不可能达到百分之百。这 就是卡诺定理。
卡诺的论文发表后，没有马上引起人们
的注意。过了十年，法国工程师Benôlt Paul
Emile Clapeyron (1799 - 1864)把卡诺循环 以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研 究了汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。
1842 年 ， 德 国 医 生 Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人 血液颜色在热带和欧洲的差 异及海水温度与暴风雨的启 发，提出了热与机械运动之 间相互转化的思想。
热力学基本定律反映了自然界的客观 规律,以这些定律为基础进行演绎、逻辑推 理而得到的热力学关系与结论,显然具有高 度的普遍性、可靠性与实用性,可以应用于 机械工程、化学、化工等各个领域,由此形 成了化学热力学、工程热力学、化工热力 学等重要的分支。化学热力学主要讨论热 化学、相平衡和化学平衡理论。工程热力 学主要研究热能动力装置中工作介质的基 本热力学性质、各种装置的工作过程以及 提高能量转化效率的途径。化工热力学是 以化学热力学和工程热力学为基础，结合 化工实际过程逐步形成的学科。
主讲教师：袁 越 锦 yuanyj@
绪 论
1-1 为什么要学习热工基础？ 1-2 能)
1-4 发展简史
1-1 为什么要学习热工基础？
热工基础第一章
第二节
一、能源分类
能源及其利用
能源：水力能、风能、太阳能、地热能、 能源：水力能、风能、太阳能、地热能、 化学能、原子核能、海洋能等。 化学能、原子核能、海洋能等。 分类： 分类： 1、按来源分三类 第一类能源：来自地球以外的太阳辐射能。 第一类能源：来自地球以外的太阳辐射能。
第二类能源：来自地球本身的能源。 第二类能源：来自地球本身的能源。 第三类能源： 第三类能源：来自月球和太阳等天体本身 的能源。 的能源。 2、按形态分两类 一次能源：自然界中现成存在、可直接而未 一次能源：自然界中现成存在、 改变其基本形态的能源。如煤炭、石油、 改变其基本形态的能源。如煤炭、石油、 地热能、水力能、风能、海洋能等。 地热能、水力能、风能、海洋能等。 二次能源： 二次能源：由一次能源经过加工转换成另 一形态的能源。如电力、煤气、沼气、 一形态的能源。如电力、煤气、沼气、 焦碳等。 焦碳等。
二、能源利用 1、能源利用发展 能源利用分为三个时期：柴薪时期、 能源利用分为三个时期：柴薪时期、煤炭 时期、石油时期、核能时期。 时期、石油时期、核能时期。 2、能源利用与经济发展 能源与国民经济和人民生活水平
3、能源与环境 （1）温室效应与热污染 （2）酸雨 （3）臭氧层的破坏 （4）放射性污染 （5）其他污染 4、能源利用与可持续发展 5、我国能源状况
5、按性质分两类 含能体能源：集中储存能量的含能物质。 含能体能源：集中储存能量的含能物质。 如煤炭、 如煤炭、石油等 过程性能源： 过程性能源：物质在运动过程中产生和提 供的能量，此种能量无法储存， 供的能量，此种能量无法储存，并随着 物质运动过程结束而消失。如潮汐能、 物质运动过程结束而消失。如潮汐能、 水力能、风能等。 水力能、风能等。
热工基础及应用
热工基础知识
一、传热基本方式
① 导热的特点 A 必须有温差 B 物体直接接触 C 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动 而传递热量 D 不发生宏观的相对位移
一、传热基本方式
②导热机理 气体： 气体：导热是气体分子不规则热运动时相 互碰撞的结果，温度升高，动能增大， 互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不 分子相互碰撞， 同能量水平的 分子相互碰撞，使热能从高 温传到低温处。 温传到低温处。
一、传热基本方式
对流换热特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也 有导热； 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运 动；也必须有温差
一、传热基本方式
4） 对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 > ） 流体被加热时： 流体被加热时： 流体被冷却时： 流体被冷却时
Φ = t
1
δ
A
−
t
2
=
λ
∆ R
t
λ
一、传热基本方式
单位热流密度
q =
t1 − t 2
δ λ
∆ t = rλ
δ Rλ = Aλ
导热热阻
δ rλ = λ
单位导热热阻
Φ=
λ ∆tA δ
一、传热基本方式
λ— 比例系数，称为导热系数或热导率，其 意义是指单位厚度的物体具有单位温度差 时，在它的单位面积上每单位时间的导热 量，它的国际单位是 W／( m·K)。它表示材 料导热能力的大小。导热系数一般由实验 测定，例如，普通混凝土 W／(m·K), 纯铜 的将近400 W／(m·K) 。
作业题
2、一大平板，高3m，宽2m，厚0.2m, 导 热系数为45 W/(m·K), 两侧表面温度分别为 =150 ℃ 及=285 ℃, 试求该板的热阻、单位 面积热阻、热流密度及热流量
张靖周 传热学 中国石油大学华东
3 1822年，法国数学家Fourier
傅里叶定律是根据热传导实验得到的纯属现象学的 一个定律，经过数学上的处理推广而得到的规律性总 结-------本构关系
T1 Δx
Байду номын сангаас
A T2
Q ∝ A T 1−T2 Δx
Q = λA T 1−T2
Δx
导热的基本定律
T
1822年，法国数学家Fourier：
Tw1 Tw2
3、对流换热的特点： (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程； (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；
也必须有温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴
壁面处会形成速度梯度很大的边界层
4、对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式（1701）
dTw
dτ
∝
(Tw
− T∞ )
Q = hA(Tw − T∞ ) [W]
传热学
Heat transfer
张靖周
能源与动力学院
第一章 绪论
Introduction
1-1 概述
一、传热学学科简介 (1) 研究热量传递规律的一门科学
热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传 给低温热源。有温差就会有传热 热量传递的机理、规律、控制和分析方法
日常生活中的例子：
忽略辐射时
q=
Tf1 −Tf 2
1 +δ + 1
=
k (T
f
1
−
T
f
2
)
=
T
f
1
− 1
T
f
2
= Tf1 −Tf 2 rk
热工基础知识
一、热工基础知识(一)、热力学基础1、温度温度是衡量物体冷热程度的尺度，是物质分子热运动平均动能的度量。
摄氏温标：1个标准大气压下纯水的冰点定为0℃，沸点定为100℃，在这个区域内划分100等分，每1等分为1度，单位为℃。
用t表示。
华氏温标：1个标准大气压下纯水的冰点定为320F，沸点定为2120F，在这个区域t1=1.8t+32 (0F)内划分180等分，每1等分为1度，单位为0F。
用t1表示。
绝对温标：又称热力学温标，每一度大小与摄氏温标相等，起点为物质内分子热T=t+273.15(K)运动完全停止时-273.15℃），单位为K。
用T表示。
2、压力1 bar 巴 =100000 pa 帕斯卡=0.1MPa1 psi 磅/平方英寸=0.0703 kgf/cm21 kgf/cm2 千克力/平方厘米 =98000 pa 帕1 mm aq. 毫米水柱=9.8 pa 帕1 mm hg 毫米汞柱=133.28 pa 帕1 m H2O 米水柱=9800 pa 帕=0.1 kgf/cm2 千克力/平方厘米工程上常将1大气压（B）看成1个工程大气压或0.1MPa,即B=1kgf/cm2,或B=0.1MPa 表压：通过压力表读出的压力，为绝对压力减当地大气压。
真空度：压力比大气压低的程度。
真空度=B-绝对压力3、热能：分子热运动强度的度量，是依靠温差传递的能量。
用Q表示1kcal=4.1868kJ1 kcal/h 大卡/时=1.163 W 瓦1 kW千瓦=860 kcal/h 大卡/时1 btu/h 英制热量单位/时=0.293 W瓦4、比热：单位质量的物质温度每升高或降低1K所需要加入或放出的热量。
定压比热Cp：气体在加热或冷却时，如果保持压力不变，则其比热称为定压比热。
物体的吸(放)热量：Q=mCp(t2-t1)定容比热Cv ：气体在加热或冷却时，如果保持体积不变，则其比热称为定压比热。
Cp>Cv绝热指数k：气体的定压比热与定容比热之比为气体的绝热压缩指数，k=Cp/Cv5、理想气体状态方程：pV=mRTR：气体常数，8314/气体分子量，空气为287J/(kg.K)p：Pa，帕V：m3m：kgT：K等温过程，等压过程，等容过程绝热过程：气体状态发生变化时，与外界不发生热量交换的过程称为绝热过程。
热工基础 第一章 基本概念
������������ = ������������ − ������ ������������ ������ = ������������ − ������������
pg pb p>pb p pv p pb
p=0
p<pb
温度
表示物体冷热程度的物理量。相互接触的物体，当 他们的温度相同时，则表示他们处于热平衡
压力也就是在物理学中的压强(点击)，按照分子 动力学的观点，气体压力是大量分子与容器避免 之间碰撞产生的宏观现象
������ ������ = [������/������2 ] ������
可以用绝对压力、表压力和真空度三种形式表示。
(1) 绝对压力 p
工质的真实压力，为状态参数。
(2) 表压力 pg
������������ = ������������������ ������ (m kg) ������������ ������ = ������������ (1 kmol)
������������ = ������������������ (n kmol)
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
系统中各处压力、温度均匀一致的状态，称为平衡状态。
当系统处于平衡状态的时候，系统中所有的状态参数都有
确定的数值，并且是一个定值。只有处于平衡状态的系统，
它的所有状态参数才会有确定的数值。
如果没有外界影响，平衡状态不会发生破坏，状
有 系 统
限 外 界
孤立系统
合理选择系统是进 行热力系统正确分 析求解的前提
一方面将一个对象抽象 成什么系统
第二方面，系统的边界 在哪
热工基础(正式)全
17
正向运动（膨胀）时，吸 收热源的热量，所作膨胀功除 去用于排斥大气外，全部储存 在飞轮的动能中。
若无摩擦等耗散效应
反向运动（压缩）时，利用飞 轮的动能来推动活塞逆行，压缩工 质所消耗的功恰与膨胀功相等。
同时压缩过程中质向热源所 排热量也恰与膨胀时所吸收的热 量相等。
如果系统经历了一个过程后，系统可沿原过程的路线反 向进行，回复到原状态，不在外界留下任何影响，则该过 程称为可逆过程。
热力学第零定律
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系 统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。 这一结论称做《热力学第零定律》。
热力学第零定律表明，一切互为热平衡的系统具有一 个数值上相等的共同的宏观性质──温度。温度计测定物体 温度正是依据这个原理。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和 温度的测量方法。它为建立温度概念提供了实验基础。
理想气体实际并不存在， 在现实物质中，即使是绝热可 逆过程，系统的熵也在增加， 不过增加的少。
热力学第三定律发现者 德国物理化学家能斯特
三、理想气体的状态方程
kg K
pV mRgT
Pa m3
pv RgT pV nRT p0V0 RT0
1kg n mol 1mol标准状态
气体常数：J/(kg.K) R=mRg=8.3145J/(mol.K)
(2) 特别是在下列技术领域存在传热问题
a 航空航天：高温叶片冷却；空间飞行器重返大气 层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；
b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器
官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 e 新 能 源：太阳能；燃料电池
正向运动（膨胀）时，吸 收热源的热量，所作膨胀功除 去用于排斥大气外，全部储存 在飞轮的动能中。
若无摩擦等耗散效应
反向运动（压缩）时，利用飞 轮的动能来推动活塞逆行，压缩工 质所消耗的功恰与膨胀功相等。
同时压缩过程中质向热源所 排热量也恰与膨胀时所吸收的热 量相等。
如果系统经历了一个过程后，系统可沿原过程的路线反 向进行，回复到原状态，不在外界留下任何影响，则该过 程称为可逆过程。
热力学第零定律
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系 统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。 这一结论称做《热力学第零定律》。
热力学第零定律表明，一切互为热平衡的系统具有一 个数值上相等的共同的宏观性质──温度。温度计测定物体 温度正是依据这个原理。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和 温度的测量方法。它为建立温度概念提供了实验基础。
理想气体实际并不存在， 在现实物质中，即使是绝热可 逆过程，系统的熵也在增加， 不过增加的少。
热力学第三定律发现者 德国物理化学家能斯特
三、理想气体的状态方程
kg K
pV mRgT
Pa m3
pv RgT pV nRT p0V0 RT0
1kg n mol 1mol标准状态
气体常数：J/(kg.K) R=mRg=8.3145J/(mol.K)
(2) 特别是在下列技术领域存在传热问题
a 航空航天：高温叶片冷却；空间飞行器重返大气 层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；
b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器
官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 e 新 能 源：太阳能；燃料电池
热工基础 1 第一章 基本概念
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
平衡：时间上 均匀：空间上
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
1-2 平衡状态和状态参数
2、基本状态参数 热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体 积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测 量的状态参数如压力、温度、比体积，称为基本状 态参数。 （1）压力 单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）
ds 0 ， q 0 ， 系统吸热； ds 0 ， q 0 ， 系统放热。 ds 0 ， q 0 ，系统绝热，定熵过程。
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数 。
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
1-3 状态方程与状态参数坐标图 1 状态公理 对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或 压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数 （如p、v；p、T 或v、T）便可确定它的平衡状态。
温度相等
热平衡
Fundamentals of thermal engineering
热
工基Βιβλιοθήκη 础1-2 平衡状态和状态参数
② 热力学温标（绝对温标） 英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定 律基础上建立，也称开尔文温标。用符号 T 表示， 单位为 K（开）。
热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其 温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的 1/273.16.。
规定：系统对外界作功“＋”，外界对系统作功“－”
膨胀：dv > 0 , w > 0
Fundamentals of thermal engineering
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导热的特点
必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递 热量
不发生宏观的相对位移
——纯导热只能发生在密实的固体中
2. 热对流(convection)与对流换热
定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部 分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由 一处传递到另一处的现象。
流体中有温差 — 热对流必然同时伴随着热传 导，自然界不存在单一的热对流 对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触 时的热量交换过程 Convection heat transfer
热工基础
传热学部分
（Heat Transfer）
传热学概述
一、什么是传热学 • 研究热量传递规律的科学。 • 热量传递的机理、规律、计算和测试方法 • 热量传递过程的推动力：温差
Energy flows from hot objects to cold.
There is no energy flow between two objects at the same temperature.
二、传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
日常生活中的例子
• 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天
都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿
的衣服能否一样？
• 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感 觉不一样。为什么？
为什么水壶的提把要包上橡胶？
不同材质的汤匙放入热水中，哪个黄油融解更快？
3. 热辐射（Thermal radiation） 定义——物体通过电磁波来传递热量的方式。
物体的温度越高、辐射能 力越强；若物体的种 类不 同、表面状况不同，其辐 射能力不同 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递 Radiation heat transfer
辐射换热的特点
辐射过程中伴随着能量形式的转换：物体内
能——电池波能空中就可以传递能量 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波
能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的
能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结
果是热由高温传到低温
传热学基本内容
(1) 导热 Heat conduction (2) 对流换热 Convection heat transfer (3) 热辐射及辐射换热 Thermal radiation and radiation heat transfer (4) 传热过程与换热器 Heat transfer and heat exchanger
工质性质？工质状态？ 能量多少？能量性质？ 能量转换规律？ 热力过程如何分析？
蒸汽 热水 冷 空 气
传热
传热
环境空气
蒸汽
高温湿空气
传热
传热
高温 烟气 低温烟气
凝结水
热量传递有哪些方式？ 如何计算传热量？影响因素？ 如何确定温度？ 如何确定换热设备大小？
在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制 造、新能源、微电子、核能、航空航天、 微机电系统（MEMS）、新材料、军事科 学与技术、生命科学与生物技术…
三、热量传递的基本方式
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射
对流
导热 对流 辐射
辐射
1.热传导（导热）heat conduction
定义和特征
定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的
两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由
电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。
物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生