§3.3 热传导现象的宏观规律
热力学全套课件pptx2024新版
辐射传热定律
基尔霍夫定律、普朗克定律、斯特藩-玻尔兹曼定 律等，描述了辐射传热的基本规律和特性。
辐射传热的应用
在太阳能利用、红外测温、激光技术等领域广泛 应用。
综合传热问题解决方法探讨
综合传热问题
涉及热传导、对流和辐射传热的复杂问题，需要考虑多种 传热机制的相互作用和影响。
03
开放系统
与外界既有能量交换，又有物 质交换的系统。
状态参量与平衡态
01
状态参量
描述系统状态的物理量，如体 积、压强、温度等。
系统在没有外界影响的条件下， 各部分的宏观性质不随时间变化
的状态。
02
平衡态
热力学第零定律与温度概念
热力学第零定律
如果两个系统与第三个系统各自 处于热平衡，则它们之间也必定 处于热平衡。
热力学全套课件pptx
目录
• 热力学基本概念与定律 • 热力学过程与循环 • 热力学第二定律与熵增原理 • 理想气体性质与应用 • 相变与化学反应热力学 • 热传导、对流和辐射传热机制剖析
01
热力学基本概念与定律
热力学系统及其分类
01
孤立系统
与外界没有物质和能量交换的 系统。
02
封闭系统
与外界只有能量交换，没有物 质交换的系统。
范德华方程的适用范围
适用于中低压、中低温条件下的真实气体行为描述。在高压或低温条件下，需要考虑更复 杂的分子间相互作用和量子效应。
05
相变与化学反应热力学
相平衡条件及相变潜热计算
相平衡条件
在相变过程中，物质各相之间达到平衡 状态的条件。包括温度、热计算
传热学知识点 (2)
φ=
4πλ (t1 − t 2 ) 1 / r1 − 1 / r2 1 1 1 ( − ) 4πλ r1 r2
R=
物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。 温度分布主要受初始温度分布的控制， 称为非正规状况阶段； 当过程进行到一定深度时， 物体初始温度分布的影响逐渐消失，此后不同时刻的温度分布主要受热边界条件的影响， 这 个阶段的非稳态导热称为正规状况阶段。 当固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时， 任何时刻固体内部的温度都趋于一 致，以致可以认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下。这时所要求解的温度仅是时间 τ 的一元函数而与空间坐标无关，好像该固体原来连续分布的质量与热容量汇总到一点上， 而 只有一个温度值那样。这种忽略物体内部导热热阻的简化分析方法称为集中参数法。
( i +1) (i) (i ) (i ) tn = Fo∆ (t n +1 + t n −1 ) + (1 − 2 Fo∆ )t n
λ
(i ) (i ) ( i +1) (i ) tN − tn ∆x t n (i ) −1 − t N + h (t f − t N ) = ρc ∆x 2 ∆τ
( i +1) (i) tN = tN (1 −
0.8
0.4
特征长度：管内流动时取管内经，外掠单管或管束时取管子外径。 特征速度：一般取截面平均流速，流体外掠平板传热取对流速度，管内对流传热取截面 平均流速。 定性温度：通道内部流动取进、出口截面的平均值；外部流动取边界层外的流体温度或 取这一温度与壁面温度的平均值。 流体在管道内的流动可以分为层流与湍流两大类， 其分界点为一管道直径为特征尺度的
∆x = ∆y
*
第五章-热量传输的研究内容及基本定律
Surroundings T2
2、辐射换热的特点
● 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质 的存在，在真空中就可以传递能量 ● 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换: 物体内能--电磁波能--物体内能 ● 无论温度高低，物体都在不停地相互发射，吸 收电磁波能、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量； 总的结果是热由高温传到低温。
5、实际问题的换热过程当中，可能有几个换热环节，在同一个 换热环节中可能同时存在两种或三种换热方式。
高温烟气
去蒸发器热面
省煤器
锅炉补给水
蒸汽 冷却水出
？
冷却水进 凝结液
(a) 冷凝器
谢 谢！
重返大气层飞行器热力耦合分析
热传导分析得到的温度场
Mises应力
微电子领域 电 子 芯 片 冷 却 、 纳 米 器 件 、 装 置 温 度 控 制
电子系统的温度控制对于使用可靠性至关重要
5-2 热量传递的三种基本方式
热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射 一、热传导(导热) (Heat conduction)
2 500～35 000 5 000～25 000
三、热辐射（ Thermal radiation ）
1、定义： 辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式称为 热辐射：由于热的原因而向外发射辐射能的现象 温度大于绝对温度零度的物体都具有辐射能力， 物体的温度越高、辐射能力越强； 物体的种类不同、表面状况不同， 其辐射能力不同。 辐射换热（ Radiation heat transfer ） ： 物体间靠热辐射进行的 热量传递
•对流换热：既有热对流，也有导热 ； 不是基本传热方式 •对流换热实例： 1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
热力学第二定律 PPT
热传导方向性
机械能与内能转化方向性
克劳修斯表述
开尔文表述
热力学第二定律的克劳修斯表述
热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
理解“自发：”
当两个物体接触时，不需要第三者介
入、不会对任何第三者产生影响，热量就
能从一个物体传递到另外一个物体。
自发
高温
低温
自发
低温
高温
克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。
思考与讨论
热量自发地由高温物体向低温物体传递的过程是 不可逆的。 扩散现象进行是有方向的,过程是不可逆的。 机械能自发地转化为内能的过程是不可逆的。 气体膨胀(绝热自由膨胀)的过程是不可逆的。
无数事实告诉我们：凡是实际 的过程，只要涉及热现象，如热传递、 气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运 动都有特定方向。也就是说，一 切与热现象有关的宏观自然过程都是 不可逆的。
W
热机
对外做功
Q2 低温热源
热机不可能从单一热源吸热，使热量完全转变成功，而不向低温热源放热。
热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成 功，而不产生其它影响。 揭示机械能与内能转化方向性——机械能可 以全部转化为内能，而内能无法全部转化成 机械能，而不产生其他影响
去掉低温热库不就能实现 吸热全部转化为功了吗？
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不 产生其它影响 可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功，但要产 生其它影响
热ห้องสมุดไป่ตู้学第二定律的其他表述
热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
可以证明是等价
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功， 而不产生其它影响。
等价的
气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
热传递基本规律
T1 T2 1 S
• 比例系数 称为对流传热系数，单位瓦每平方米开，其与流体的性质、速度及传热表面的形状等 因素有关。
•令
R，则： 1 S
，式中 称为对流传热热阻。
T T 1 2
R
例题：窗玻璃既可透光，还可保温。当没有空气流动时，玻璃内、外表面都有一层薄薄的空气。此空气
ST 1 T 2 0 .2 4 0 .5 0 1 0 9 .1 0 2 2 8 W
q228456W/m2
S 0.5
热传递基本规律
1.热对流是温度不同的各部分流体之间发生宏观相对运动而引起的热量传递过程。 2.对流是通过流体的宏观运动而从固体表面带走的热量。由于微观粒子热运动总是存在的，所以热对流
• 又如：固体的热传导是由于原子在晶格平衡位置附近振动引起的波来传递内能的。在金属中除了这 种波以外，自由电子起了重要作用，自由电子的运动，使金属的热传导易于进行，所以金属不仅是 良好的导电体，而且也是良好的导热体。
热传递基本规律
•固体的稳态导热： 将一根金属棒两端分别置于温度为T1、和T2的恒温热源中（设T1）T2）。棒的侧面用绝热层
层厚度约为3.0mm，设玻璃厚度为0.50cm，面积为0.5㎡。已知空气的热导率为
，玻璃的
热导率为
，空气的对流传热系数为
。当窗内、外空气不流动时，窗的热阻有多大？当
窗外有风，形成空气对流时，窗的热阻又是多大？
10.0259W /(m K)
20.8W/(mK)
100W m 2K1
解： 空气不流动时，
R 2 R 1 R 2 2 1 1 S 2 2 S 2 0 .0 2 0 5 .0 9 0 3 0 .5 0 0 .8 .0 0 0 5 .5 0 .4 7 K /W
1传热学第一章课件
辐射换热：物体间靠热 辐射进行的 热量传递
2.辐射换热的特点
➢不需要冷热物体的直接接触； 即：不需要 介质的 存在，在真空中就可 以传递能量
➢在辐射换热过程中伴随 着能量 形式的转换 物体热 力学能 电 磁波能 物体热力学能
热 力学： tm , Q
传热学：过程的速率
水，M2
20oC
t = f ( x , y , z , ); Q = f ( )
传热学研究内容 热量传递的机理和速率、温度 场的变化
传热学的工程应用
1、 强化传热：即在一定的 条件下， 增加 所传递 的热量。 如热水的 搅拌冷 却
2 、 削弱传热，也称 热绝缘 ：即在一 定的温差 下，使 热量的传递 减到最小。如热 水瓶
教材
《传热学》，戴锅生著，第二版
学时
总学时：24，讲课：22，实验：2
参考资料：《传热学》，杨世铭、陶文铨编著，第四版 《传热学重点难点及典型题精解》，王秋旺，西安交大出版社
辅导
周四 4:00-5:00pm，一校区教4楼 热能教研室
第一章 绪论
§1-1 传热学概述 §1-2 热量传递的基本方式 §1-3 传热过程与热阻
燃煤电厂的基本流程
锅 炉 工 作 原 理
三、传热学与工程热力学的关系
相同点： 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础
热力学第一定律
热量始终是从高温物体向低温物体传递，在热量传递过程中 若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。
热力学第二定律
热量能自发的从高温物体传递到低温物体
不同点 a. 工程热力学：热能与机械能及其他形式能量之间 相互转换的规律。不考虑热量传递过程的时间。
高中物理(人教)选修33教学课：第十章 第4节 热力学第二定律 第5节 热力学第二定律的微观解释
态,叫作热力学系统的宏观态。若规定、规则不同,则同一宏观态对
应不同的微观态。
系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度
的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多,就说这个“宏观
态”是比较无序的,同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无
热源或从单一热源吸收热量全部用来做功,不需通过第三方的帮助,
这里的帮助就是第三方提供能量等方式。
2.热力学第二定律的实质:热力学第二定律的每一种表述,都揭
示了大量分子参与宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行
的涉及热现象的宏观过程都是有方向性的。
3.两种表述是等价的。
如果克劳修斯表述不成立,则开尔文表述也不成立。
现象。因此,气体的自由扩散过程是沿着无序性增大的方向进行
的。综上可知,一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的
方向进行,这就是热力学第二定律的微观意义。
典题例解
【例 2】 关于热力学第二定律的微观意义,下列说法正确的是
(
)
A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B.热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动
一滴墨水……这些现象说明什么道理?
答案:自然界的宏观过程不可能自动地逆向进行。要使它们逆
向进行,就必须由外界对它们施加作用。
•1、使教育过程成为一种艺术的事业。
•2、教师之为教，不在全盘授予，而在相机诱导。2021/10/272021/10/272021/10/2710/27/2021 4:06:21 PM
能情况是左 0 右 4 或左 4 右 0。
2.试着从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左 2 右 2”这种均
热学补充题
热学补充题热学补充题一、单一选择题：1.下列关于平衡态的说法中，正确的是A.系统状态参量不随时间变化的状态B.系统内各处均匀一致的状态C.热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态D.系统在不受外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态2.金属杆的一端与沸水接触，另一端与冰接触，当沸水和冰的温度都维持不变时，杆的温度虽然不同，但不随时间改变，下面说法中正确的是A.杆处于平衡状态，因为杆各处的温度不随时间改变B.杆不处于平衡状态，因为杆的温度各处不同C.杆不处于平衡状态，因为杆受外界影响D.不能确定杆是否处于平衡态3.一个水银温度计，一个酒精温度计，两者都在冰点校正了零度，在水的沸点校正了100度，然后在0度和100度之间等分成100份，现在分别用这两个温度计测量两个物体的温度，结果它们都指示在30度处，则知两物体的温度A.相同B.不一定相同C.一定不相同D.无法判断4. 理想气体状态方程pV = RT适用于A.1cm3的理想气体B.任意体积的理想气体C.1g 的理想气体D.1mol 理想气体5.相等质量的氢气和氧气被密封在一粗细均匀的玻璃管内，并由一水银滴所隔开，当玻璃管平放时，氢气柱和氧气柱的长度比为A.16:1B.1:1C.1:16D.32:16. 1mol 的范德瓦耳斯方程为A. (p－a / V m2)( V m－b) = RTB. (p + a / V m 2)( V m—b) = RTC. (p + a / V m 2)( V m + b) = RTD. (p－a / V m 2)( V m+ b) = RT7.范德瓦耳斯方程(p + a / V m 2)( V m—b) = RT 中的V m是A.气体可被压缩的体积B.气体分子自由活动的体积C.容器的容积D.气体分子本身的体积8.按麦克斯韦速率分布率，一个分子精确的具有一定速率的比率是A. 1B. 0.5C.0 D. 比0.5大9.在一定速率v 附近，麦克斯韦速率分布函数f (v ) 的物理意义是：一定量的气体在给定的温度下处于平衡时的A.速率为v 的分子数B.分子数随速率v 的变化C.速率为v 的分子数占总分子数的百分比D.速率在v 附近单位速率区间内的分子数占总分子数的百分比10. f (v )为麦克斯韦速率分布函数，那么⎰21)(v v dv v f 表示A.速率在v 1～v 2之间的分子数B.速率在v 1～v 2 之间的分子数占总分子数的百分比C.速率在 v 1～v 2 之间的平均速率D.无明确的物理意义 11.根据能量均分定理，理想气体分子的平均总能量为A.()kT v r t 221++ B.()RT v r t 221++C.()kT v r t ++21D.()kT v r t 223++12.如果氢气和氦气的温度相同，摩尔数也相同，则这两种气体的A.平均动能相同B.平均平动动能相同D.内能相等 C.势能相等13.理想气体等压过程中，其分子的平均碰撞平率Z 与温度T 的关系是A. T Z ∝B. T Z 1∝ C. T Z ∝D. TZ 1∝ 14.体积固定的容器中有一定量的气体，设分子有效直径不变，当温度逐渐升高时,分子的平均碰撞平率和平均自由程的变化为 A.Z 增大，λ增大 B.Z 增大，λ减小 C.Z 增大,λ不变 D.Z 和λ均保持不变15.如果每立方厘米约有3×1019个分子，空气分子的有效直径为2×109s -1cm ，则在00C 和1atm下，空气分子的平均自由程的量值是A. 2×105cmB. 2×10-6cmC.2×10-5cm D. 2.1×10-2cm16.如果空气分子的平均速率为1×105cm·S -1,而平均自由程的量值为1×10-5cm ，那么空气碰撞频率为A. 1s -1B. 1×1010 s-1 C.1×10-10s -1 D. 1×10-5s -117.下列有关热量的说法,哪些是正确的A.热是一种特殊物质B.热传递是改变系统内能的一种方式C.热量是表征系统固有属性的物理量D.系统温度越高,所含热量越多18.在p －V 图上理想气体系统由平衡态I 到达平衡态II ，如图1所示，无论经历过什么样的过程系统必然 A.对外作功 B.内能增加 C.吸收热量 D.放出热量19.如图1所示，一系统从同一初态E 分别经过三个不同过程R 1，R 2，R 3变化到相同末态下,则在三个系统中对外作的功的关系为A . W 1 < W 2 < W 3B .C . W 2 < W 3 < W 1D . 20.内能相等的1mol VO 图1 . . I Ip V O 图1气A.热接触时，它们之间会发生热传递B.质量必定相等C.温度必定相等D.温度可能相等，也可能不等21.一定量的某种理想气体作如图2所示的循环,则下列说法正确的是A .气体在2-3过程中气体不作功B .在4-1过程中气体不作功C .整个循环中气体所作的功为负值D .气体在1-2过程中及3-4过程中所作的功数值相同 22.如图3所示,p -V 图上有两条曲线 abc 和adc,由此知 A .其中一条是绝热线,一条是等温线B .两过程吸收的热量相等C .两过程中系统对外作的功相等D .两过程中系统内能变化相等23.理想气体经历了一个由等温过程、绝热过程和等压过程组成的逆循环，在此循环过程中，理想气体p VO 1 234 图2 图3 V p O a b c dA .从外界吸收热量 B.向外界放出热量C.对外界作功D.内能减少24.绝热过程的过程方程是A.=-γγ/)1(Tp恒量 B.=-T p //)2(γγ恒量 C.=--γγT p1恒量 D.=γpT 恒量25.设热源的热力学温度是冷源的热力学温度的n 倍，则一卡诺循环中，气体将把从热源得到的热量交给冷源A. n 倍B. (n –1)倍C. 1/n 倍 D. (n +1) / n 倍26.卡诺热机的效率A.仅依赖于高温热源的温度B.仅依赖于低温热源的温度C.仅依赖于高温热源和低温热源的温度D.仅依赖于高温热源与低温热源的温度差27.在327 0C 的高温热源和27 0C 的低温热源间工作的热机,理论上的最大效率是A. 100%B. 92%C. 50%D. 25%28.在327 0C 的高温热源和27 0C 的低温热源间工作的热机，理论上的最大效率是A. 100%B. 92%C. 50%D. 25%29.在功与热的转变过程中，下列叙述中不正确的是A.不可能制成一种循环动作的热机，它只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功，而其他物体不发生任何变化。
第三章 热力学第二定律
过程1： 过程2： 过程3： 过程4：
W4 U 4 nCV ,m (T1 T2 )
V2 U1 0 Q1 －W1 nRT ln 1 V1 W2 U 2 nCV ,m (T2 T1 ) V4 Q2 －W3 nRT2 ln U 3 0 V3
循环过程： Q Q1 Q2 (W W2 W3 W4 ) U 0 1 V2 V4 nRT ln nRT ln 1 2 V1 V3 根据绝热可逆 V V3 V2 V4 3 方程，有： V2 V1 即： V4 V1
§3-1卡诺循环
1.卡诺循环
高温热源T1
Q1 热机 W
p
p1 ,V1 , T1
Ⅰ
Q1>0
Q2
p2 ,V2 , T1
低温热源T2
Ⅳ
p4 ,V4 , T2 Q2<0
Ⅱ Ⅲ
p3 ,V3 , T2
V
卡诺循环示意图
(Ⅰ)恒温可逆膨胀:吸热Q2作 功,W(1→2); (Ⅱ)绝热可逆膨胀:系统膨胀 作功,Q=0; (Ⅲ)恒温可逆压缩:放热Q1,系 统得功, W(3→4); (Ⅳ)绝热可逆压缩:系统受压 得功,Q=0 .
V2 所以： Q1 Q2 nR(T2 T1 ) ln V1
2. 热机效率 2.2 热机效率的定义 2.1 热机 通过工质从高温热源吸热 一次循环系统对环境所 做总功 作功,然后向低温热源放热 一次循环系统从高温热 源所吸收之热 复原,如此循环操作,不断将 W Q1 Q2 即： 热转化为功的机器.
Q2
低温热源T2
2.4 说明
３.致冷效率
(1)卡诺热机是工作于T1和T2两 热源间的可逆机,高温T1热源的 热部分地转化为功,其余部分流 向低温T2热源. (2) η只与T1和T2有关,与工质 无关.
晶格热传导
(2)低温下： λ∝ eB/T。
声子间互散射
最简单的声子间互散射——所谓三声子过程：
+ 声子2 声子3 ( q1 ) ( q2 ) ( q3 ) 碰撞过程满足： q1 q2 q3 Gn
Gn
意义：属于大角度散射，声 子运动方向有很大改变，可 减小声子平均自由程，将产 生热阻。
λ与T的关系
（1）高温情况（T>>θD）
n e
1
k BT
1
k BT
规律：T升高时， n增大，相互碰撞几率增 加，却要下降，
CV 3NkB （高温经典极限）
λ∝1/T
1 k CV v0 3
q2
b1
正常过程与翻转过程
倒逆过程(U过程)
b2 q1 q2
特点：q1 , q2相当大， (q1 q2 )可能
Gn 0
q3
q1 q2 Gn
b1
q1 q2
落在第一布里渊区之外 ，但可以 找到一定的Gn (唯一)，使(q1 q2 ) 回到第一布里渊区内。
1 k CV v 0 3
这里，v0是“声子”的速度，为了简化, 常取为固体中的声速；λ表示声子平均 自由程。
声子平均自由程的影响因素
声子平均自由程的影响因素：
(1)声子之间相互碰撞（声子间互散射）； (2)缺陷等对声子的散射。 理论上分析声子平均自由程是很复杂的，这里只简单介绍。
主要结果：
k∝1/T
声子互散射对λ的影响
（1）低温情况（T<<θD）