教学大纲-西南交通大学课程与资源中心

《热工基础》课程教学大纲

一、课程简介

1.课程名称：工程热力学及传热学

2.英文名称：FUNDAMENTS OF THERMODYNAMICS AND HEAT TRANSFER

3.开课院系：机械工程学院

4.课程代码： 2030600

5.学分：3

6.先修课程：高等数学、大学物理、流体力学

7.课程性质：专业基础课

8.考核形式：期末考试+平时成绩（含平时作业、出勤率、期中考试等）+实验

9.适用范围：机械设计及其自动化、车辆工程

10.撰写人：秦萍

二、教学目的和任务

本课程包含工程热力学和传热学两门课程的基础知识，工程热力学主要从热能有效利用的角度出发，介绍热功转换与能量的有效利用；传热学主要研究热量传递过程及其规律。通过本课程的学习，应该使学生掌握包括热力学和传热学两方面的热工理论知识，获得有关热科学的基本计算训练和解决有关热工工程问题的基本能力。不仅有利于学生更好地学习后续有关专业课程，而且对将来解决热工领域的工程技术问题也奠定了坚实的基础,如：热能和机械能的相互转换，热量传递，温度场和材料热应力分析等，是非常必要的。此外，对许多从事其他领域工作的工程技术人员和有关的领导干部，学习一些工程热力学和传热学的基本知识，以便了解热物理现象的一些基本规律，有助于他们在将来的工作中面对与能源、特别是热能有关的问题时能采取技术上先进、经济上合理的措施，为我国的节能环保事业作出贡献。

三、教学内容的结构

课程主要内容分为工程热力学和传热学两部分：

工程热力学部分：系统介绍热能和机械能相互转换的基本理论和规律，在此基础上，结合一些典型热工设备，对其工作原理、结构特点、模型简化方法、热力过程（循环）计算分析及提高设备热能利用率等方面进行系统的热科学的基本计算和分析训练；

传热学部分：系统介绍热量传递的基本理论和规律，以及工程常见热量传递过程的规律及其计算方法。

四、模块或单元教学目标与任务

第一章基本概念和定义

1.学习内容

热力系统、工质的热力状态及其基本状态参数、平衡状态、状态公理及状态方程、准平衡过程和可逆过程。

2.学习重点与难点

重点：热力系统的概念，状态参数及其性质，平衡状态、状态公理及状态方程，准平衡过程和可逆过程的定义、实现的条件。

难点：状态参数性质的灵活应用，准平衡过程和可逆过程之间的关系。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，了解工程热力学的基本术语和概念，正确理解状态参数的性质，准静态过程和可逆过程的定义、实现的条件及两者之间的关系，并能灵活应用这些性质和关系；掌握不同过程在p-v图和T-s图上的表示，为工程热力学的深入学习奠定基础。

第二章热力学第一定律

1.学习内容

热力学第一定律的实质、储存能、热力学能的概念、可逆过程功量和热量的计算；闭口系和稳流系能量方程；容积功、推动功、流动功、轴功、技术功等概念及计算；各种功量之间的关系；焓的定义及其物理意义。

2.学习重点与难点

重点：热力学第一定律的实质、储存能、热力学能的概念、可逆过程功量和热量的计算；闭口系和稳流系能量方程；各种功量的定义、计算及相互之间的关系；焓的定义及其物理意义。

难点：深刻理解热力学第一定律的实质，能运用闭口系和稳流系的能量方程，分析计算工程实际中的有关问题。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，深刻理解热力学第一定律的实质，重点掌握闭口系和稳流系的能量方程，并能分析计算工程实际中的有关问题。具体目标为：①根据需要解决的问题，恰当地选取热力系统；②正确选用能量方程；③正确分析系统与外界之间的能量传递关系，并能根据具体情况对方程进行适当简化；④正确求解方程。

第三章理想气体的热力性质及过程

1.学习内容

理想气体的热力性质：包括理想气体状态方程式、各种比热容的概念、理想气体热力学能、焓、熵的增量的计算；理想气体混合物的热力性质，比热（容）、热力学能、焓和熵的增量的计算；

理想气体的热力过程：包括4种基本热力过程及多变过程的特点和过程方程，过程中任意两状态间p、v、T参数之间的关系，过程中系统与外界交换的功量和热量的计算， 4种基本热力过程及多变过程在p-v图、T-s图上的表示及特点。

2.学习重点与难点

重点：理想气体状态方程式、理想气体热力学能、焓、熵的增量的计算；4种基本热力过程及多变过程的特点和过程方程，过程中任意两状态间p、v、T参数之间的关系，系统与外界交换的功量和热量的计算， 4种基本热力过程及多变过程在p-v图、T-s图上的表示及特点。

难点：注意理想气体熵变的计算公式是利用可逆过程推出的，然后再利用状态参数与过程无关的性质，说明理想气体熵变的计算公式适用于任意过程，因为对不可逆过程无法推出熵变的计算公式，这种迂回解决问题的方法值得学习借鉴。另外注意不同过程系统与外界交换功量和热量的计算方法（某些计算公式对某些过程不适用）。

3.学习目的与要求

熟练掌握并灵活应用理想气体状态方程式计算状态参数；正确理解理想气体各种比热容的概念，并会利用定值比热容和平均比热容计算过程的热量；掌握理想气体热力学能、焓、熵的增量的计算；能正确对理想气体4种基本热力过程以及多变过程进行分析计算。一般了解理想气体混合物的热力性质，比热（容）、热力学能、焓和熵的增量的计算。

第四章热力学第二定律

1.学习内容

热力学第二定律的实质、能量品质的概念、热力过程进行的方向、条件与限度；不同循环经济性指标，卡诺循环、提高循环经济性的方法、卡诺定理及其意义；克劳修斯积分不等式、熵流、熵产和熵的定义、计算和应用，闭口系和稳流系的熵方程；孤立系统熵增原理及其应用；做功能力和做功能力损失。

2.学习重点与难点

重点：热力学第二定律的实质；不同循环经济性指标、提高循环经济性的方法、卡诺定理及其意义；熵流、熵产和熵的定义、计算和应用、闭口系和稳流系的熵方程；孤立系统熵增原理及其应用；做功能力和做功能力损失。

难点：热力学第二定律的实质；熵流、熵产和熵的计算和应用、孤立系统熵增原理及其应用；做功能力和做功能力损失。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，深刻理解热力学第二定律的实质，认识能量不仅有“数量”的多少，而且还有“品质”的高低；掌握不同循环经济性指标的定义及特点；理解卡诺循环、卡诺定理的意义，了解提高循环经济性的方法；掌握熵流、熵产和熵的定义、计算及应用；掌握孤立系统的熵增原理及其应用；理解做功能力和做功能力损失的概念，并掌握其计算方法。

第五章水蒸气

1.学习内容

水蒸气定压发生过程的各阶段和各状态；各参数的定义，如：饱和压力、饱和温度、液

体热、汽化潜热、过热热等；水蒸气的p-v图和T-s图，不同压力下水蒸气定压发生过程的特点及变化规律；水蒸气热力性质图表的结构和应用。

2.学习重点与难点

重点：水蒸气的p-v图和T-s图，熟悉该图上所谓的“一点、两线、三区、五态”，以及不同压力下水蒸气定压发生过程的特点及变化规律；掌握水蒸气热力性质图表的结构和应用。

难点：灵活应用水蒸气热力性质图表确定水蒸气的状态参数，并进行热力过程分析。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，了解水蒸气的定压发生过程，熟悉水蒸气的p-v图和T-s图，掌握水蒸气热力性质图表的结构，会灵活应用水蒸气热力性质图表确定水蒸气的状态参数，并进行热力过程分析；通过水蒸气热力性质和过程的计算分析，学会其他蒸气的计算分析方法。

第六章湿空气

1.学习内容

湿空气的概念、湿空气状态参数的定义及计算、湿空气的湿度图（ω -t图）及其应用、典型的湿空气热力过程分析。

2.学习重点与难点

重点：饱和湿空气和未饱和湿空气的状态参数（对饱和湿空气只有2个独立的状态参数，如p、t；而对未饱和湿空气，除p、t外，还需要一个能确定湿空气中水蒸气含量多少的参数，即需要3个独立的状态参数）、湿空气的湿度图（ω -t图）及其应用。

难点：理解p、t、p s、p v、t D、ρv、?、ω、t w、h等各参数的定义及相互之间的关系；会利用水蒸气图表和湿空气的湿度图（ω -t图）查取或利用公式计算各参数。

3.学习目的与要求

对机械类专业的学生，要求了解湿空气的概念、湿空气状态参数的定义及计算；能正确利用湿空气的湿度图（ω-t图）确定湿空气的状态，求取各状态参数。

一般了解利用ω-t图分析工程中典型湿空气热力过程的方法。

第七章气体与蒸气的流动

1.学习内容

一维、定熵、稳定流动基本方程；气体流速与管道截面面积之间的变化关系；气体喷管的选型及计算；喷管的设计计算和校核计算步骤；绝热节流现象及参数变化规律。

2.学习重点与难点

重点：气体流经喷管及扩压管时流体参数的变化规律及能量转换关系；喷管的设计原则及选型、喷管出口流速、流量、以及喷管几何尺寸的计算；绝热节流现象及参数变化规律。

难点：气体喷管的选型及计算。

3.学习目的与要求

掌握气体流经喷管及扩压管时流体参数的变化规律及能量转换关系；了解一维、定熵、稳定流动的基本方程；能根据具体情况正确进行喷管的设计和校核计算，重点内容包括：喷管选型，出口流速、流量的计算，以及喷管几何尺寸的计算。了解绝热节流现象及参数变化规律。

第八章热力循环

1.学习内容

（1）活塞式压气机的工作原理、不同压缩过程（定温、多变、定熵）的特点；余隙容积、压力比对活塞式压气机容积效率的影响；多级压缩、级间冷却的工作情况；压气机的耗功计算及压气机的省功方法和途径。

（2）活塞式内燃机的工作原理；实际循环抽象为理想循环的简化条件；定容加热、定压加热、混合加热理想循环的p-v图和T-s图，各种循环吸热量、放热量、循环功、热效率的分析计算；循环特性参数及其对热效率的影响。

（3）燃气轮机的工作原理；实际循环抽象为理想循环的简化条件；燃气轮机理想循环的p-v图和T-s图；循环吸热量、放热量、循环功、热效率的分析计算；循环特性参数及其对热效率的影响。

（4）蒸汽压缩制冷循环的工作原理及理论循环的T-s图和lg p-h图；利用制冷剂的lg p-h 、耗功量w0、制冷系数ε的方法，以及提高制冷系数ε的方法。

图计算制冷量q

2

2.学习重点与难点

重点：

（1）活塞式压气机的工作原理；3种不同压缩过程的耗功量比较；余隙容积、压力比对容积效率的影响；多级压缩、级间冷却的最佳压力比、采用多级压缩、级间冷却的好处；压气机的耗功计算及压气机的省功方法和途径。

（2）活塞式内燃机的工作原理；定容加热、定压加热、混合加热理想循环的p-v图和T-s 图，各种循环吸热量、放热量、循环功、热效率的分析计算；循环特性参数及其对热效率的影响。

（3）燃气轮机的工作原理；燃气轮机理想循环的p-v图和T-s图；循环吸热量、放热量、循环功、热效率的分析计算；循环特性参数及其对热效率的影响。

（4）蒸汽压缩制冷循环的工作原理及理论循环的T-s图和lg p-h图；利用制冷剂的lg p-h 、耗功量w0、制冷系数ε的方法，以及提高制冷系数ε的方法。

图计算制冷量q

2

难点：本章介绍了工程上几种典型热工设备（或装置）的基本构成和工作原理，不同设备的工作循环不同，分析计算的内容也不同，学习时应避免相互混淆。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，熟悉几种典型热工设备（或装置）的基本构成和工作原理；掌握将实际循环抽象简化为理想循环的一般方法；能够熟练分析计算各种循环；掌握提高各种循环能

量利用经济性的方法和途径。

第九章导热

1.学习内容

导热的基本概念和基本定律；利用导热微分方程及定解条件求解无限大平壁、无限长圆筒壁（或圆柱体）的一维稳态导热计算，或用热路图方法计算单层、多层无限大平壁和无限长圆筒壁（或圆柱体）在无内热源、第一类边界条件下的一维稳态导热问题；等截面肋片稳态导热的分析计算方法；集总参数法的使用条件、物理意义及其非稳态导热计算；诺谟图方法的使用条件。

2.学习重点与难点

重点：导热基本概念和基本定律的理解，如：温度场、温度梯度、傅里叶定律、导热系数、热流密度、热阻、稳态及非稳态导热等；导热微分方程及定解条件；用热路图方法计算单层、多层无限大平壁或无限长圆筒壁（或圆柱体）在无内热源、第一类边界条件下的一维稳态导热；集总参数法的使用条件及其物理意义，用集总参数法求解非稳态导热问题。

难点：注意利用微分方程和边界条件可用于任意导热问题的求解，这是求解导热问题的一般方法，而热路图方法只能求解无内热源、第一类边界条件下的一维稳态导热；另外，集总参数法使用条件的判别式有2种表达形式，即Bi≤0.1或Bi V≤0.1 M，二者本质相同，注意二者使用时的区别。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，掌握导热的基本概念和基本定律；了解导热微分方程的一般推导过程及定解条件；重点掌握无内热源、第一类边界条件下，无限大平壁、无限长圆筒壁（或圆柱体）的一维稳态导热计算；了解通过等截面肋片稳态导热的分析计算方法；对非稳态导热要求熟练掌握集总参数法；了解对不满足集总参数法使用条件的非稳态导热应采用诺谟图方法计算。

第十章对流换热

1.学习内容

对流换热的基本概念：包括影响对流换热的因素、速度边界层和热边界层的形成及特点、对流换热热量传递机理；边界层对流换热微分方程组；相似理论、各相似准则数的概念及物理意义、由实验确定准则方程式具体形式的方法；单相流体强迫对流换热计算；自然对流换热的基本概念。

2.学习重点与难点

重点：对流换热的基本概念、各相似准则数的概念及物理意义、相似理论三定理及对模型实验的指导意义、单相流体强迫对流换热计算、自然对流换热的基本概念。

难点：应用对流换热准则关系式进行单相流体强迫对流换热计算时，不但要根据对流换热类型和流动状态选择相应的准则实验关联式，还要注意公式的使用条件（不能外延），以

及定性温度、特征尺寸、特征速度等的规定，因为同一现象对流换热的准则方程不是唯一的。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，掌握对流换热的基本概念（影响因素，速度边界层和热边界层的形成、发展过程）；一般了解对流换热微分方程组各方程的物理意义及相似三定理的原理及应用；理解各相似准则数的概念及物理意义；掌握应用对流换热准则关系式进行单相流体强迫对流换热计算的方法；了解自然对流换热的概念。

第十一章辐射换热

1.学习内容

热辐射的基本概念和基本定律；角系数的定义、特性及确定方法；两个黑表面或灰表面间的辐射换热计算、空间热阻和表面热阻、辐射换热的热阻网络图；应用热阻网络图计算多个表面组成封闭系统的辐射换热；遮热板原理及应用。

2.学习重点与难点

重点：热辐射的基本概念和基本定律；角系数的定义、特性及确定方法；两个黑表面或灰表面间的辐射换热计算、空间热阻和表面热阻、辐射换热的热阻网络图；遮热板的原理及应用。

难点：热辐射的基本定律包括斯蒂芬-波耳兹曼定律、普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定律。前面三个定律都是针对黑体的定律，而基尔霍夫定律则揭示了实际物体（漫灰表面模型）在工程温度下其吸收率恒等于它的发射率（黑度）。注意基尔霍夫定律对太阳辐射不适用。因为太阳辐射中可见光能量比例较高，而可见光的吸收和反射与物体表面的颜色密切相关，因此对于太阳辐射，实际物体的吸收率和发射率（黑度）不相等。

3.学习目的与要求

通过本章的学习，掌握热辐射的基本概念和基本定律、角系数的计算方法、两个及以上表面组成封闭系统的辐射换热计算、遮热板原理及应用。

第十二章传热过程和换热器热计算基础

1.学习内容

复合传热与传热过程的概念、通过无限大平壁和无限长圆筒壁的传热系数k的计算；增强传热和削弱传热的一般措施及临界热绝缘直径的概念；换热器的分类、对数平均温差、应用对数平均温差法进行换热器热计算。

2.学习重点与难点

重点：理解复合传热与传热过程的概念、掌握无限大平壁传热系数k的计算。了解增强传热和削弱传热的一般措施及临界热绝缘直径的概念。掌握用对数平均温差法进行换热器热计算的方法。

难点：虽然顺流与逆流对数平均温差的计算公式相同，但式中t'

?的含义不同。

?与t''

3.学习目的与要求

通过本章的学习，掌握复合传热与传热过程的概念和计算方法，了解传热的增强和减弱措施及临界热绝缘直径的概念；了解换热器的基本概念和分类，掌握用对数平均温差法进行换热器热计算的方法。

五、对学生能力的培养与要求

（一）作为一门专业基础课，希望通过本门课程的学习，不仅掌握工程热力学和传热学的基本理论，而且能够理论联系实际地对工程实际问题进行分析计算，为学习后续有关专业课程奠定必要的工程热力学和传热学知识基础。

（二）通过课程学习，学习本门课程中许多对实际问题的逻辑分析思路和简化、迂回处理方法，举一反三，培养科学的逻辑思维能力和分析问题、解决问题的能力，为今后从事工程设计、管理或科学研究提供必要的热力学理论基础及良好的工程素养。

六、学时分配

七、教材及主要参考书目

现用教材：《热工基础》，秦萍、袁艳平、毕海权主编，西南交通大学出版社，2009年2月第1版。

主要参考书目：

1、《热工基础》，傅秦生、何雅玲编著，西安交通大学出版社，1995年7月第1版。

2、《热工基础》，童钧耕、王平阳、苏永康编，上海交通大学出版社，2008年3月第2版。

八、其他说明

1.教材编写说明

（1）《热工基础》包含工程热力学和传热学两门课程的基础知识，这两部分内容相对独立，因此教材中将这两部分内容分为两篇。工程热力学主要研究能量转换与能量的有效利用，

传热学主要研究热量传递过程及其规律。

（2）教材在第一篇“工程热力学”部分，以理想气体为重点，首先介绍理想气体的热力性质和热力过程，这样，在学完1-4章之后，就可以完整地对理想气体的热力过程进行分析计算（如热力过程是否可以进行、是否可逆、过程中状态参数的变化量、系统与外界交换的功量与热量等）；然后再以水蒸气为例，单独用一章介绍实际气体（蒸气）的性质，这样有利于同学将蒸气与理想气体区别开来；在了解水蒸气特性的基础上，再单独用一章进一步介绍理想气体混合物——湿空气的性质。这样安排就将理想气体、水蒸气和湿空气在讲授时间和空间（分章）上拉开了距离，可更好地避免概念混淆。

（3）教材第7-8章是利用热力学的基本理论，对工程上部分典型热工设备进行热力分析和计算的实例，旨在培养学生利用所学知识，理论联系实际地对工程实际问题进行分析计算的能力。

（4）在第二篇“（工程）传热学”部分，首先在对三种基本传热方式介绍的基础上，对对流换热、辐射换热的概念预先进行了简单介绍，这样在讲授“通过等截面肋片的稳态导热”和非稳态导热“集总参数法”中涉及对流换热概念时，学生更容易理解。