清华大学热工基础课件工程热力学加传热学(8)第七章PPT演示文稿
热工基础
第一章
1.工程热力学研究对象:工程热力学主要研究热能和机械能及其他形式的能量之间相互转换的规律
2.传热学研究对象:传热学主要研究热量传递的规律
3.热机：凡是能将热能转换为机械能的机器统称为热力发电机
4.工质：热能和机械能之间的转换时通过媒介物质在热机中的一系列状态变化过程来实现的，这种媒介物称为工质
5.热源：工程热力学中，把热容量很大，并且在吸收或放出有限量热量时自身温度及其他热力学参数没有明显改变的物体称为热源
6.系统：工程热力学通常选取一定的工质或空间作为研究对象，称之为热力系统
7.外界：系统以外的物体称为边界或环境
8.边界：系统与外界之间的分界面称为边界
9.闭口系统：与外界无物质交换的系统
10.开口系统：与外界有物质交换的系统
11.绝热系统：与外界无热量交换的系统
12.孤立系统：与外界既无能量交换又无物质交换的系统
13.状态：工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力状态
14.平衡状态：在不受外界影响的条件下，工质的状态参数不随时间而变化的状态称为平衡状态
15.基本状态参数：压力，温度，比体积
16.绝对压力：工质的真实压力
17.表压：压力表只是的数值
18.热力学第零定律：如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡
19.热力过程：系统由一个状态到达另一个状态的变化过程称为热力过程
20.准静态过程：如果在热力过程中系统所经历的每一个状态都无限地接近平衡态，这种过程称为准平衡过程，又称为准静态过程
21.可逆过程：如果系统完成了某一过程之后，再沿着原路经逆行而回到原来的状态，外界也随之回复到原来的状态而不留下任何变化
22.不可逆因素：摩擦，温差传热，混合，扩散，渗透，溶解，燃烧，电加热等都是不可逆因素
23.功量：在力学中，功定义为力和沿力作用方向位移的乘积
工程热力学经典例题-第七章_secret
７．５ 典型题精解
例题７－１ 在如图７－６所示的绝热混合器中，氮气与氧气均匀混合。已知氮气进口的压力10.5MPap，温度127Ct，质量13kgm；氧气进口压力20.1MPap，温度2127Ct，质量22kgm。
（１）求混合后的温度；
（２）问混合气流出口压力3p能否达到0.4MPa。
解 （１）确定混合后气流的温度
根据热力学第一定律
223121,N312,CO32()0()()0ppQHHHmcTTmcTT
于是，两股气合流后的温度为
22221,N12,CO231,N2,COppppmcTmcTTmcmc
其中
22222222g,N3Ng,O3O,Ng,N,Og,O8.314J/(molK)297J/(kgK)2810kg/mol8.314J/(molK)260J/(kgK)3210kg/mol71.040kJ/(kgK)270.909kJ/(kgK)2ppRRMRRMcRcR
将这些数值代入式（a）得
3336.8KT
（２）这实际上是一个判断过程能否实现的问题。先假定，求控制体积的熵产，如熵产大于零，则出口压力可以达到该值，否则就不能达到。
混合后2N的摩尔分数为
2N3/280.63163/282/32x
混合后2N分压力:
22NN30.63160.4MPa0.253MPapxp
则 22O3N0.147MPappp
于是 iso312gSSSSS
2222221231122NO331,Ng,N2,Og,O1122()(lnln)(lnln)336.8K0.253MPa3kg[1040J/(kgK)ln297J/(kgK)ln]300K0.5MPappmmsmsmsppTTmcRmcRTpTp
热工基础 2
绪 论
§0—1 自然界中的能源及热能的利用
自然界中可以供人们生活、生产上使用的能源有风能、水能、太阳能、地热能、燃料的化学能及原子核能等，在这些能源中除风能和水能是以机械能的形式（指空气的动能和水的位能）直接被人们利用以外，其它各种能源，或是直接以热能的形式存在（太阳能、地热能），或是经过燃烧反应、原子核反应，使能量转化为热能的形式，然后再予以利用。所以人们从自然界获得的能源，其主要形式是热能。
热能的利用，通常有下述的两种基本方式：一种是直接利用，将热能直接用于冶炼、化工等生产过程中的加热，如熔化、烘干、采暖等；另一种是间接利用，通常是指将热能通过动力装置转换为机械能或电能的形式而加以利用，例如飞机、船舶、火车、汽车以及大型热力发电厂等都是以燃料燃烧所产生的热能作为动力源，其中所采用的热能动力装置或热力发动机目前在动力工业中仍然占据着主要地位。
在热能的间接利用中，能量的转换往往是能量利用的前提，各种热动力装置将热能转化为机械能，通过动力机带动发电机，最后转换成电能的形式利用，电能具有输送和使用方便等优点。
目前，世界各国使用的能源，主要是煤、石油和天燃气等燃料，根据有限的地下燃料资源，很难满足工业飞速发展的需要，所以从技术上改造原有设备，节约能源消耗，提高热能利用率，是人们长期的战斗任务。此外，就是开发新能源，便如地热能、太阳能和原于核能等，也应使之更加有效地进行能量转换。因为太阳能是一个取之不尽的能源，而进行热核反应的物质在地球上储存量也是极大的。最近我国还确定了“实行开发和节约并重，近期要把节流放在优先地位”的总方针，正是为了解决我国能源供应紧张的局面。这就要求从事能量转换学科及力能工作者必须掌握有关能量及其相互转换规律的知识——即工程热力学的知识。
§0—2 热力学及热力工程的发展简史
热现象是人类生活中最早接触到的自然现象之一。远古时代的钻木取火，就是机械能转换为热能的例子。随着人类在生产、生活上的需要，对热的利用和认识，经历了漫长的岁月，从取暖、热食到制作金属工具，有过不少发明创造，我国在12至13世纪就有用火力来产生旋转运动的走马灯和使用火药向后喷气加速箭的飞行记载，这与现代燃气轮机和火箭等喷气推进原理是一致的。可是，由于历代王朝的封建统治，劳动人民的创造发明得不到重视，更谈不到总结经验，形成一整套的理论，来促进生产力的发展和人民生活的改善。
传热学课件课件(多应用版)
传热学课件
引言
传热学是研究热量传递规律的学科，是工程热力学和流体力学的重要分支。在实际工程应用中，传热问题无处不在，如能源转换、化工生产、建筑环境等领域。因此，掌握传热学的基本原理和方法，对于工程技术人员来说具有重要意义。本文将简要介绍传热学的基本概念、原理和方法，并探讨其在工程实际中的应用。
一、传热学基本概念
1.热量传递方式
热量传递方式主要包括三种：导热、对流和辐射。
（1）导热：热量通过固体、液体或气体的分子碰撞传递，其传递速率与物体的导热系数、温度差和物体厚度有关。
（2）对流：热量通过流体的宏观运动传递，其传递速率与流体的流速、密度、比热容和温度差有关。
（3）辐射：热量以电磁波的形式传递，其传递速率与物体表面的温度、发射率和距离有关。
2.传热方程 传热方程是描述热量传递规律的数学表达式，主要包括傅里叶定律、牛顿冷却公式和斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
（1）傅里叶定律：描述导热过程中热量传递的规律，公式为Q=-kA(dT/dx)，其中Q表示热量传递速率，k表示导热系数，A表示传热面积，dT/dx表示温度梯度。
（2）牛顿冷却公式：描述对流过程中热量传递的规律，公式为Q=hA(TwTf)，其中Q表示热量传递速率，h表示对流换热系数，Tw表示固体表面温度，Tf表示流体温度。
（3）斯蒂芬-玻尔兹曼定律：描述辐射过程中热量传递的规律，公式为Q=εσA(T^4T^4)，其中Q表示热量传递速率，ε表示发射率，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T表示物体表面温度。
二、传热学原理和方法
1.传热问题的分类
传热问题可分为稳态传热和非稳态传热两大类。
（1）稳态传热：系统内各部分温度不随时间变化，热量传递速率恒定。
（2）非稳态传热：系统内各部分温度随时间变化，热量传递速率随时间变化。 2.传热分析方法
（1）解析法：通过对传热方程的求解，得到温度分布和热量传递速率。适用于简单几何形状和边界条件的问题。
第一章 绪论 热工基础
本章提要及安排
本章提要:
本章阐明热力学系统（热力系）的定义及其描述，着重介绍热力系的平衡状态的概念，描述平衡状态的基本状态参数比体积、压力和温度，及体现三者相互关系的状态方程式。定义了热力系的准平衡过程并对热力循环作了初步的介绍．
本章要求:
1．了解热力系的定义，平衡状态的概念和应满足的平衡条件。
2．掌握基本状参数 p、v、T 的定义、计量及不同单位间的换算。
3．了解准平衡过程的定义及提出准平衡过程的意义和作用。
4．对不同的热力循环及其作用建立起初步的概念。
学习建议：
本章学习时间建议共4学时：
1．热力系及其描述 1学时
2．基本状态参数 1学时
3．状态方程式，状态参数坐标图 1学时
4．热力过程及热力循环 1学时
1.1 热力系及其描述
本节知识点：
热力系
平衡状态
状态参数的特性
本节疑问解答：思考题1.1.1 思考题1.1.2 思考题1.1.3 思考题1.1.4 思考题1.1.5
本节基本概念： 热力系 外界 界面 开口系 控制容积 简单热力系 绝热系
孤立系 可压缩系统 简单可压缩系统 热源 尺度量 强度量 热力状态参数 力学状态参数
1.1.1 热力系
在对一个现象或—个过程进行分析时为了确定研究的对象，规划出研究的范围，常从若干物体中取出需要研究的部分．这种被取出的部分叫做热力学系统，简称热力系。热力系以外的物质世界统称为外界（或环境）。热力系与外界的分界面叫做界面（或边界）。所谓热力系，即是由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。热力系与外界之间的界面可以是真实的，也可以是假拟的，可以是固定的，也可以是运动的。
在一般情况下，热力系与外界处于相互作用中，彼此可交换能量(如热量及各种形式的功)及物质。
清华大学工程热力学习题课
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工程热力学课程习题
第一章
1-1 试将1物理大气压表示为下列液体的液柱高(mm)，(1) 水，(2) 酒精，(3) 液态钠。它们的密度分别为1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。
1-4 人们假定大气环境的空气压力和密度之间的关系是p=cρ1.4，c为常数。在海平面上空气的压力和密度分别为1.013×105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5×104Pa。试求山的高度为多少。重力加速度为常量，即g=9.81m/s2。
1-7 如图1-15 所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa，表B读数为170kPa，表示室Ⅰ压力高于室Ⅱ的压力。大气压力为760mmHg。试求(1) 真空室以及Ⅰ室和Ⅱ室的绝对压力；(2) 表C的读数；(3) 圆筒顶面所受的作用力。
图 1-15
1-8 若某温标的冰点为20°，沸点为75°，试导出这种温标与摄氏度温标的关系(一般为线性关系)。
1-10 若用摄氏温度计和华氏温度计测量同一个物体的温度。有人认为这两种温度计的读数不可能出现数值相同的情况，对吗？若可能，读数相同的温度应是多少？
1-14 一系统发生状态变化，压力随容积的变化关系为pV1.3=常数。若系统初态压力为600kPa，容积为0.3m3，试问系统容积膨胀至0.5m3时，对外作了多少膨胀功。
1-15 气球直径为0.3m，球内充满压力为150kPa的空气。由于加热，气球直径可逆地增大到0.4m，并且空气压力正比于气球直径而变化。试求该过程空气对外作功量。
1-16 1kg气体经历如图1-16所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。试求循环的净功量。如果循环为A-C-B-A则净功量有何变化？
工程热力学与传热学(第八讲)4-2、3
《工程热力学与传热学》教案 （8） 第四章 第二、三节
共8页 第1页 第二节 热力学第二定律
一、自发过程和非自发过程
自然界中的过程都具有一定的方向性。
如：热量从高温物体传递给低温物体；水从高处流向低处；摩擦所作的功会转变成热等。这些过程有一个共同特点，就是不需要借助外力的作用就能进行。
自发过程：不需要借助外力的作用就能进行的过程称为自发过程。
非自发过程：需要借助外力的作用才能进行的过程称为非自发过程。（也就是自发过程的逆过程）。如用水泵将水由低处流到高处就属于非自发过程。
强调：非自发过程可以进行，只是不能自发进行，而是需要外界条件给予补偿。
如：热量从低温物体传向高温物体需要有机械能转变成热能的过程来补偿；反之，热能转变成机械能则需要有热量从高温物体传向低温物体的过程做补偿。
非自发过程的补偿条件都是自发过程。即一个非自发过程的进行需要一个自发过程做补偿。
自然界中的一切过程，在没有补偿条件的情况下，都只能朝着自发过程的方向进行。即任何过程都具有方向性。
二、热力学第二定律的实质和表述
热力学第二定律说明了有关热现象的各种过程的方向、条件和限度等问题的规律。
热力学第二定律的代表性描述有两种：
1．克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。
理解：热量不可能自动（自发）地不付代价地从低温物体传到高温物体，它需要机械能转变成热能的自发过程来补偿。
意义：指出了热量传递的方向，从热量传递的角度表述了热力学第二定律。
2．开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变为有用功，而不引起其他变化。
《工程热力学与传热学》教案 （8） 第四章 第二、三节
共8页 第2页 意义：指出了热功转换过程的方向性以及热变功的条件，从热、功转换的角度表述了热力学第二定律。
理解：（1）热转变成功是非自发过程，实现这种过程需要一定的补偿条件。
工程热力学基础理论-水蒸汽-传热学
第二章 工程热力学基础理论
目前已为人们发现的自然界中可被利用的能源中，除风能和水能是以机械能的形式提供给人们外，其余各种能源往往直接以热能的形式，或通过相应的设备进行能量转换将它们转变为热能提供给人们。热能利用方式，一为直接利用，即将热能直接用来加热物体，如烘干、蒸煮、采暖、熔化等。另一为间接利用，即将热能转换为机械能或电能加以利用，如热力发电厂。工程热力学主要研究热能与机械能转换的客观规律，即热力学的基本定律，分析工程上借以实现热能和机械能相互转换过程的媒介物质(如水和蒸汽)的基本热力性质，以及应用热力学基本定律分析计算工作物质在热力设备中所经历的变化过程。
第一节 工质及状态参数
一、工质和热机
能实现热能转变为机械能的设备，称为热机，如内燃机、蒸汽机和汽轮机等均为热机。在热机里要使热能不断地转换为机械能，必须借助于一种工作物质，工作物质经过吸热、膨胀而完成作功，如汽轮机和蒸汽机的工作需要蒸汽；内燃机的工作需要燃气。
这种实现热能和机械能相互转化的工作物质叫做工质。由于工质在热力设备中要连续不断地流动并膨胀作功，因此，工质应有良好的流动性与膨胀性。同时，工质还要价廉、易得、热力性能稳定、不腐蚀设备、无毒等。在物质的三态中，气态物质受热膨胀的能力最大，流动性也最好，显然，气态物质最适宜作工质。而水蒸汽具有价廉易得，无毒，不腐蚀设备等优点，所以火力发电厂主要以水蒸汽为工质。
热能动力装置的工作过程，概括起来就是工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能，并把余下的一部分传给低温热源的过程，如图2-1所示。在工程热力学中，高温热源就是指能不断地供给热能的物体，简称热源。低温热源指接受工质排出剩余热能的物体，简称冷源。
二、状态参数
用来描述和说明工质状态的一些物理量(如压力、温度等)则称为工质的状态参数。状态参数值只取决于工质的状态，因而，任何物理量，只要它的变化量等于初始、终止两态下该物理量的差值，而与工质的状态变化途径无关，都可以作为状态参数。热力学中采用的状态参数有：温度，压力，比容、内能、焓、熵等。
工程热力学与传热学详解
工程热力学与传热学
实验指导书
热工实验
2013年3月第2页
实验一 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能
实验
一、实验目的
1•快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热。掌握其测试原理和方法。
2. 掌握使用热电偶测量温差的方法。
、实验原理
X」 ° qc
innin
i 1
8 1 O J
i 1
] 1
8
timm
qc
图i第二类边界条件无限大平板导热的物理模型
本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为 2 3,初
始温度为to,平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向 的温度分布t （x,）。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：
t(x,0) to
t( , ) qc t(0,)
方程的解为: t(x,) 2t(x,) 第3页
由此可见，当Fo> o.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常
数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。
在准稳态时，平板中心面
平板加热面x =3处为:
此两面的温差为:
t(o,)泸
qc
2 t
实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认为，试件的 横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面 中心处的温度差就等于无限大平板时两端面的温度差。
根据热平衡原理，在准稳态时，有下列关系： 2 2 qc a 3x t(x, ) to -
6 (1)
n 1 $cos n- exp( ；Fo)
n (1-1)
式中: —时间； 一平板的导热系数;
a —平板的导温系数; n =1， 2， 3,
Fo — a「2傅里叶准则；to —初始温度;
qc —沿x方向从端面向平面加热的恒定热流密度。
随着时间
小，可以忽略, 的延长，Fo数变大，式(1-1)中级数和项愈小，当Fo> 0.5时，级数和项变得很
工程热力学教学课件
1
工程热力学教学课件
工程热力学教学课件
第一章、基本概念
1、边界
边界有一个特点（可变性）：可以是固定的、假想的、移动的、变形的。
2、六种系统（重要！）
六种系统分别是：开（闭）口系统、绝热（非绝热）系统、孤立（非孤立）系统。
a.系统与外界通过边界：功交换、热交换和物质交换.
b.闭口系统不一定绝热，但开口系统可以绝热。
c.系统的取法不同只影响解决问题的难易，不影响结果。
3、三参数方程
a.P=B+Pg
b.P=B-H
这两个方程的使用，首先要判断表盘的压力读数是正压还是负压，即你所测物体内部的绝对压力与大气压的差是正是负。正用1，负用2。
ps.《工程热力学（第六版）》书8页的系统，边界，外界有详细定义。
第二章、气体热力性质 2
1、各种热力学物理量
P：压强[单位Pa]
v：比容（单位m^3/kg）
R：气体常数（单位J/(kg*K)）书25页
T：温度（单位K）
m：质量（单位kg）
V：体积（单位m^3）
M：物质的摩尔质量（单位mol）
R：8.314kJ/(kmol*K)，气体普实常数
2、理想气体方程：
Pv=RT
PV=m*R。*T/M
Qv=Cv*dT
Qp=Cp*dT
Cp-Cv=R
另外求比热可以用直线差值法！
第三章、热力学第一定律
1、闭口系统：
Q=W+△U
微元：δq=δw+du（注：这个δ是过程量的微元符号）
2、闭口绝热
δw+du=0 3
3、闭口可逆
δq=Pdv+du
4、闭口等温
δq=δw
5、闭口可逆定容
δq=du
6、理想气体的热力学能公式
dU=Cv*dT
一切过程都适用。为什么呢？因为U是个状态量，只与始末状态有关、与过程无关。U是与T相关的单值函数，实际气体只有定容才可以用