热工学基础 第3版
工程热力学第三版 沈维道编 课件第1和第2章
第一章 基本概念 1－1 热能在热机中转变成机械能的过程 燃料——热能——动力 热能动力装置： 1蒸汽动力装置； 2燃气动力装置 工质：实现热能——机械能转化的媒介 高温热源（热源）：工质从中吸取热能的物系 低温热源（冷源）：接受工质排除热能的物系 热能动力装置工作过程：工质从热源获得热能， 做功，排除余下的热能给低温热源。
二状态方程式 T=T(p,v),p=p(T,v),v=v(p,t) F=F(p,v,T) 三坐标图 p-v图，T-s图 1－5 工质的状态变化过程 一准平衡过程（准静态过程） 相对缓慢，工质再平衡破坏后自动恢复平衡所需时间又很 短。 工质与外界的压力差无限小；温差无限小。 二 可逆过程和不可逆过程
二、压气机：动能差和势能差忽略 wc=-wi=(h2-h1)+(-q)=-wt 三、换热器：无功的交换 q=h2-h1 四、管道：
• 在分析中，取其进、出口截面间的流体为热力 系，并假定流动是稳定的。喷管实际流动过程 的特征是：气流迅速流过喷管，其散热损失甚 微，可认为Q =0；气流流过喷管时无净功输入 或输出，Wnet=0；进、出口气体的重力位能差 可忽略， 。将上述条件代入得到:对1kg流体 而言，（cf22-cf12)/2=h1-h2 • 喷管中气流宏观动能的增加是由气流进、出口 焓差转换而来。
边界：实际的或假想的；不动的和变形的。 闭口系：只有能量交换而无物质交换，又叫控制质量。 开口系：即有物质交换又有能量交换。又叫控制容积。 绝热系统：与外界无热量交换。 孤立系统：即无物质交换又无能量交换。 简单可压缩系：最常见的热力系，由可压缩流体构成，与 外界功的交换只有容积变化功。 1－3 工质的热力学状态及其基本状态参数 热力学状态：某一瞬间宏观物理状况，压力 P、温度 T 、 体积V、热力学能U、焓H、熵S。 一温度 微观：物质分子运动的积累程度。Mc2/2=BT t=T-273.15k
建筑物理 第3版 学习情境8 建筑热工学基本知识
第 7 页 《建筑物理》第3版 学习情境8 建筑热工学基本知识 任务1 围护结构传热的基本方式
8.1.2 热量传递的基本方式
对流按产生原因可分为自然对流和受迫对流两种。 流体与固体表面的对流传热过程可用牛顿公式进行计算：
qc=αc(t-θ)
式中 qc——对流传热的面积热流量（W/m2）； αc——表面传热系数（W / m2•K），即当固体壁面与流体主体部分的温差为1℃（对
热阻R反映了热量通过平壁时遇到的阻力，是平壁抵抗热量通过的能力。在同样的温差条件
下，热阻越大，通过材料层的热量就越少。要想增加热阻，可以加大平壁的厚度，或选用热导率λ
值小的材料。
（2）对流
对流是指依靠流体的宏观流动，把热量由一处传递到另一处的现象。工程上大量遇到的是流
体流过一个固体壁面时发生的热量交换过程，称为表面热流量），则
第 6 页 《建筑物理》第3版 学习情境8 建筑热工学基本知识 任务1 围护结构传热的基本方式
8.1.2 热量传递的基本方式
q
d
(i
e )
q i e i e
d
R
式中 q——平壁的面积热流量（W/m2）；
R——热阻一（m2•K/W），R =d/λ。
8.1.2 热量传递的基本方式
式中 ρ——物体对辐射热的光谱反射比，ρ=Ｉρ／Ｉo； α——物体对辐射热的光谱吸收比，α=Ｉα／Ｉo； τ——物体对辐射热的光谱透射比，τ=Ｉτ／Ｉo 。
物体对不同波长的外来辐射的吸收、反射及透射的性能是不同的。凡能将外来辐射全部反射
（ρ=１）的物体称为绝对白体，能全部吸收（α=１）的称为全辐射体（也可称为黑体），能全部 透过（τ=１）的则称为绝对透明体或透热体。在自然界中没有绝对全辐射体、绝对白体和绝对透
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
（整理）建筑热工学基础
（整理）建筑热⼯学基础第⼀章建筑热⼯学基础⼀、传热的基本知识⼆、平壁的稳定传热过程三、封闭空⽓间层的传热四、周期性不稳定传热五、湿空⽓的概念及蒸汽渗透阻的概念第⼆章建筑热⼯设计⼀、建筑热⼯设计中常⽤名词的解释⼆、建筑热⼯设计中常⽤参数的计算第三章、建筑节能设计⼀、建筑节能设计的意义⼆、建筑节能设计的⼀般要求第⼀章建筑热⼯学基本知识⼀、传热的基本知识1、为什么会传热？传热现象的存在是因为有温度差。
凡是有温度差存在的地⽅就会有热量转移现象的发⽣，热量总是由⾃发地由⾼温物体传向低温物体。
2、传热的三种基本⽅式及其区别导热—指温度不同的物体直接接触时，靠物质微观粒⼦的热运动⽽引起的热能转移现象。
它可以在固体、液体和⽓体中发⽣，但只有在密实的固体中才存在单纯的导热过程。
对流—指依靠流体的宏观相对位移，把热量由⼀处传递到另⼀处的现象。
这是流体所特有的⼀种传热⽅式。
⼯程上⼤量遇到的流体留过⼀个固体壁⾯时发⽣的热流交换过程，叫做对流换热。
单纯的对流换热过程是不存在的，在对流的同时总是伴随着导热。
辐射—指依靠物体表⾯向外发射热射线（能显著产⽣热效应的电磁波）来传递能量的现象。
参与辐射热换的两物体不需要直接接触，这是有别于导热和对流换热的地⽅。
如太阳和地球。
实际上，传热过程往往是这三种传热⽅式的两种或三种的组合。
3、温度场的概念实际的温度往往都是变化的，各点的温度因位置和时间的变化⽽变化，即温度是空间和时间的函数。
在某⼀瞬间，物体内部所有各点温度的总计叫温度场。
若温度是空间三个坐标的函数，这样的温度场叫三向温度场；当物体只沿⼀个⽅向或两个⽅向变化时，相应地称做⼀向或⼆向温度场。
物体的温度随时间变化的温度场叫不稳定温度场，反之为稳定温度场。
⼆、平壁的稳定传热过程室内、外热环境通过围护结构⽽进⾏的热量交换过程，包含导热、对流及辐射⽅式的换热，是⼀种复杂的换热过程，称之为传热过程。
温度场不随时间⽽变化的传热过程叫做稳定的传热过程。
热工学基础
热工学基础第一章 工质与热力系统1、工质：各种形式能量的转换或转移，通常都要借助一种携带热能的工作物质来完成，这种工作物质称为工质。
2、温度：实用温标（t ）、理论温标（T ） t=T —273.153、准静态过程、可逆过程及其联系与区别 准静态过程：若过程进行的极其缓慢，则系统在每一瞬间的状态无限接近平衡状态，或者说，只是无限小的偏离平衡状态，该过程则为准静态过程。
可逆过程：系统在经历某一过程之后沿原路线方向进行，若系统和外界都能够回复到它们各自的最初状态，这过程成为可逆过程（它是指可能性，不是指必须回到最初状态的过程）。
联系与区别：可逆过程必定是准静态过程，而准静态过程未必是可逆过程。
它只是可逆过程的条件之一，没有机械摩擦损失的准静态过程是可逆过程，可逆过程是准静态过程的进一步理想化。
4、系统储存能=系统内部储存能（内能）+系统外部储存能（动能和位能）5、功量和热量：功量是除温度差外，不平衡势差作用下外界传递的能量，包括膨胀功和轴功；热量是热力系统通过边界与边界交换的能量中除了功的部分，是外界与系统之间所传递的能量，不是系统本身具有的能量。
第二章 热力学第一定律1、热力学第一定律：主要说明热能与机械能在转换过程中能量守恒。
2、热力学第一定律的基本表达式：输入系统的能量—系统输出的能量=系统储存能的变化3、闭口系统热力学第一定律解析式：Q=△U+W ；对于1千克工质：q=△u+w ；对于微元热力过程：w du q δδ+=4、焓：是物质进出开口系统时带入或带出的热力学能与推动功之和，是随物质一起转移的能量，它是宏观的状态参数，同时存在于闭口系统中。
H=u+pv(j ／kg)5、5kg 气体在热力过程中吸热70kj,对外膨胀做功50kj 。
该过程中内能如何变化，每千克气体内能的变化为多少？（p17例2-1、2-2）6、2Kg 气体在压力0.5Mpa 下定压膨胀，体积增大了0.12m 2，同时吸热60kj.求气体内能的变化。
热工学基础
空气温度
主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。 与地表面以导热、对流和长波辐射形式进行热交
换而被加热或冷却。对短波辐射几乎是透明体。 日较差：一日内气温的最高值和最低值之差。 年较差：一年内最冷月和最热月的月平均气温差。 年平均温度：向高纬度地区每移动 200~300 km
降低1℃。
一定温度、一定大气压力下，温度一定 时，湿空气的绝对湿度f与同一温度下 饱和湿空气的绝对湿度fmax的百分比称 为湿空气的相对湿度φ
19
湿空气的物理性质
露点温度
在湿空气的压力和含湿量保持不变的情 况下冷却空气，未饱和湿空气成为饱和 湿空气时所对应的温度叫湿空气的露点 温度，用td表示 。
湿球温度 用来测量空气状态的传统方法。
Iα+Iγ+Iτ=I0
13
非透 不同的表面对辐射的波长有选择性，黑色表 明围 面对各种波长的辐射几乎都是全部吸收，而
白色表面可以反射几乎90％的可见光。
护结 围护结构的表面越粗糙、颜色越深，吸收率 构外 就越高，反射率越低。 表面 所吸 收的 太阳 辐射 反射 吸收 热
14
太阳辐射在玻璃中传递过程
在建筑保温、隔热、
（如木材、玻
防潮设计时，都必须
璃纤维）？！
考虑到这种影响。
6
对流
发生在流体(液体、气体)中， 是指因温度不同的各部分流体之间发 生相对运动，互相掺合而传热的现象。
由于引起流体流动的动 力不同，对流的类型 可分为
自由对流：由于温度 的不同引起的对流换 热
受迫对流：由外力作 用形成的对流
26
空气温度
太阳辐射和气温变化
年较差与纬度的关系
27
空气温度的日变化
热能与动力工程测试技术(第3版)
热能与动力工程测试技术(第3版)本课程旨在介绍《热能与动力工程测试技术(第3版)》的目的和内容。
在这门课程中，我们将深入探讨热能与动力工程领域中的测试技术，帮助学生了解并应用这些技术。
目的本课程的目的是培养学生在热能与动力工程领域中的测试技术方面的能力。
通过研究本课程，学生将能够掌握并应用各种测试技术，以准确、科学地评估和分析热能与动力工程系统的性能和效果。
内容本课程的内容包括但不限于以下方面：热能与动力工程测试的基本概念和原理测试设备和仪器的选择和使用热能与动力工程系统的测试方法和步骤数据采集和分析技术误差分析和结果解释测试结果的报告和呈现方式通过结合理论研究和实践操作，学生将能够全面了解和应用热能与动力工程测试技术，为解决实际问题提供准确可靠的数据支持。
请注意：本文档的内容只能根据《热能与动力工程测试技术(第3版)》课程而进行写作，不应引用未经确认的内容。
热能与动力工程测试技术的定义和重要性测试技术的分类和应用领域测试技术在热能与动力工程领域中的作用测试仪器和设备的介绍测试方法和技术的基本原理测试数据的采集和处理方法温度测量与控制技术压力测量与控制技术流量测量与控制技术速度测量与控制技术热能测试技术在工业领域的应用动力工程测试技术在能源领域的应用案例分析和解决方案新型热能测试技术的发展趋势新兴动力工程测试技术的应用前景测试技术创新的挑战和机遇该课程将详细介绍热能与动力工程测试技术的概念、基础知识和常用工具，以及其在实际应用中的案例和新兴领域的前景。
通过研究该课程，学生将获得对热能与动力工程测试技术有深入了解的能力，并能够应用所学知识解决相关问题。
本课程《热能与动力工程测试技术(第3版)》采用多样化的教学方法和研究工具，旨在提供广泛的知识和实践经验。
以下是该课程所采用的教学方法和研究工具的概述：课堂讲授：通过教师的讲解，学生将获得关于热能与动力工程测试技术的理论知识。
教师将结合案例分析和实际问题解决，帮助学生理解和应用所学的知识。
3 第三章 空气波
( 2—4 )
23
3.3 列车管减压量与制动缸压强的关系
pz = 3.25 · r －100 （kPa） ( 2 —4 )
二、列车管最小有效减压量 rmin（kPa）
能使制动缸的空气压强刚好使闸瓦压紧 车轮的列车管减压量即为列车管最小有效减 压量 rmin
24
3.3 列车管减压量与制动缸压强的关系
pz = 3.25 · r －100 （kPa） ( 2 —4 )
制动缸缓解弹簧一般按制动缸活塞的“背 压”为35 kPa 设计。 则 （kPa） pz = 3.25 · r －100 = 35
r = 135 / 3.25 = 42
（kPa）
单车试验时的列车管最小有效减压量 rmin规定为40 kPa，列车试验时和列车运行中 规定为50 kPa，编组60辆以上的为70 kPa。
21
3.3 列车管减压量与制动缸压强的关系
pf′ · Vf = pf · Vf ＋ pz′ · Vz
p0′ · Vf = ( p0′－r) · Vf ＋ pz′ · Vz
p0′ · Vf = p 0′ · Vf － r· Vf + pz′ · Vz r· Vf = pz′ · Vz
Vf — 副风缸容积(L) r—列车管减压量（kPa） pz′—制动缸的绝对压强（kPa） Vz—制动后的制动缸容积 (L)
(2—16)
式（2—15）乘式（2—16）可得
(ρ1.q).( P0－P1 )=(ρ0－ρ1）wKB.ρ1.q.wKB
=（ρ0－ρ1） (ρ1.q) wKB2
P0－P1 =（ρ0－ρ1）wKB2
wKB
2
p0 p1 p ρ0 ρ ρ 1
8
3.3 空气波和空气波速
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T2 1 T1 T2
T1 2 T1 T2
逆卡诺循环的供热系数：
1、逆卡诺循环的性能系数取决于高温热源和低温冷 源的温度。
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2、逆卡诺循环的制冷系数可能小于、等于、大于1。逆卡 诺循环的供热系数大于1。 3、逆卡诺循环的制冷系数通常大于1。
4、逆卡诺循环可以用于供热和制冷。供热时叫做热泵。
（2）有限温差传热 热可以自发地从高温物体传到低温物体，但却不能自 发地从低温物体传到高温 （3）自由膨胀 气体自发向真空膨胀，但却不能自发压缩，空出一个 空间 （4）混合过程 两种气体可自发地混合，却不可自发地分离
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二、热力学第二定律的表述 由于人们分析问题的出发点不同，所以“热二”有各 种各样的说法，但无论有多少种不同的说法，它们都反映 了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有 方向性。
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二、逆卡诺循环（属可逆循环）
组成：
c-b 工质可逆定熵压缩
a-d工质可逆定熵膨胀
b-a工质向高温热源可逆定温放热
d-c工质从低温冷源可逆定温吸热
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热源 T
T1
热源 T
T2
冷源 T
冷源 T
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逆卡诺循环的制冷系数：
S21可逆 S21不可逆
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不可逆过程的熵
任意不可逆循环
12
Q
1a 2
T
Q
1b 2
T
S21
S21 S 2 S1
Q
T
= 可逆 > 不可逆 除了传热,还有其它因素影响熵
S
Q
T
不可逆绝热过程 不可逆因素会引起熵变化
Q 0 dS 0
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4.1 热力循环
要实现连续作功，必须构成循环
定义：
热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化 过程称为热力循环。 分类： 可逆 过程 不可逆 循环 不可逆循环
可逆循环
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热工学基础 第3版
• 书名：热工学基础 第3 版 • 书号：978-7-11150311-8 • 作者：刘春泽 李国斌 • 出版社：机械工业出 版社
Q2
T2
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热力循环的评价指标 逆循环：净效应（对内作功，放热）
制冷循环：制冷系数
T0 Q1 W
Q2
T2
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热力循环的评价指标
逆循环：净效应（对内作功，放热）
制热循环：制热系数 T1
Q1 W
Q2
T0
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正循环：顺时针方向 p T 2
1
2 V 净效应：对外作功
1 S 净效应：吸热
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逆循环：逆时针方向 p T 2
1
2 V 净效应：对内作功
1 S 净效应：放热
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热力循环的评价指标
正循环：净效应（对外作功，吸热） 动力循环：热效率 T1 Q1 W
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克劳修斯说法： 不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它 变化。 开尔文说法： 不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而 不引起其它变化。 “克氏”是从传热的角度出发，“开氏”是从功热 转换的角度出发。
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4.3 卡诺循环与卡诺定理 热功转换的最大效率的求取方法 一、卡诺循环（属可逆循环） 组成： a-b工质从高温热源可逆定温吸热 c-d工质低温冷源可逆定温放热 b-c工质可逆定熵膨胀 d-a工质可逆定熵压缩
可逆过程，
Q q
， 代表某一状态函数。 T T
定义：熵
dS
Qre
T
比熵 ds
qre
T
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可逆时
dS 0 dS 0 dS 0
Q 0 Q 0 Q 0
熵的物理意义
熵变表示可逆过程中 热交换的方向和大小
熵是状态量
熵变与路径无关,只与初终态有关
2 1 1
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三、卡诺定理 卡诺定理表达： 1、所有工作于同温冷源与同温热源之间的一切热机， 以可逆热机的效率为最高。 2、在工作于同温冷源与同温热源之间的一切可逆热机， 其效率均相等。
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4.4 熵及孤立系统的熵增原理
பைடு நூலகம்总是熵增
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熵的计算
理想气体 任何过程
dT v2 S21 cv R ln 1 T v1 2 dT p2 S21 cp R ln 1 T p1 2 dv 2 dp S21 cp cv 1 v 1 p
2
仅 可 逆 过 程 适 用
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热源 T
T1
热源 T
T2
冷源 T
冷源 T
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卡诺循环的热效率：
q2 t 1 q1
t ,c
T2 1 T1
结论：1、卡诺循环的热效率取决于高温热源和低温冷源的 温度。 2、卡诺循环的热效率总小于1。 3、当T1=T2时，卡诺循环的热效率等于0。 4、卡诺循环的热效率与工质的性质无关。
4.2 热力学第二定律的实质及表述
一、自然过程的方向性 经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。 例如： （1）热工转化 焦耳的功转换成热的试验，重物下降，搅动量热 器中的水使水温升高，但不能让水自动冷却而产生动 力把重物举起。即重物下降能使水温升高，但水温降 低不能使重物上升
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孤立系统熵增原理
无质量交换
孤立系统
无热量交换
无功量交换
dSf 0
dSiso dSg 0
热二律表达式之一
=：可逆过程 >：不可逆过程
结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小，这 一规律称为孤立系统 熵增原理。