热工第3章1
工程热力学-第3章 工质的热力性质
理想气体的状态方程式
根据分子运动论：
2 mc 2 p n 3 2
1m3体积分子数 玻尔兹曼常数
pv nvkT
每个分子的动能 与气体的种类有关, 与气体的状态无关
1 kg 理想气体状态方程式气体：
Pa
k) m3/kg J/(kg·
K
通用气体常数
●阿伏加德罗定律：
相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积V0相同。
v v测 0.84992 0.84925 0.02% 相对误差= v测 0.84925
10
例 题
1. 某人从煤气表上读得煤气消耗量是V1=68.37m3， 使用期间煤气表的平均表压力pe=44mmH2O，平均 温度T1=290K，此时大气平均压力pb=751.4mmHg， 求消耗了多少标准立方米(Nm3)的煤气。 解：由于压力较低，故煤气可作理想气体。
（3.43）
式（3.43）也是定压比热容的定义式。对于理想气 体，热力学能u是温度T的单值函数，式（3.43）可 表示为cp=dh/dT，即可得： dh=cpdT （3.44） （3.45）
理想气体不论经过何种过程，其热力学能及焓的变 化量都可按式（3.41）和（3.45）确定。
通常，热工计算中只要求确定热力过程中热力学能或焓值
1) t 的系数已除过2 2) t 需用t1+t2代入
4.比热容与气体性质的关系
定值比热容：工程上，当理想气体温度在室温附近， 温度变化范围不大或者计算精确度要求不太高时，可 将比热容近似作为定值处理。 1 mol理想气体的热力学能： UM=iR0T/2
CvM=δQv/dT=iR0/2 CpM=(i+2)R0/2 k=(i+2)/i
03热工水力基础知识
式中P——热功率，W；
Gm——载热剂质量流量，kg/s；
Cp——载热剂定压比热，J/℃；
t——热源或冷源进、出口温差，℃。
热传递过程则比较复杂，涉及许多因素，下面我们具体分析其传热过程。
3.1.2热传递
热传递是热量转移的一种物理现象，这种转移可以是热量从同一物体的某一点转移到另一点或热量从一个物体转移到另一个物体。热传递有导热、对流和辐射三种基本方式。
在蒸汽发生器内，热量的传递按下面次序从冷却剂传到二回路水（参见图3.3）：
（1）冷却剂向传热管内表面A的传热，这种传热是对流换热方式。单位时间的传热量为：
P1＝1S（t1-tA）
（2）传热管传热，这种传热是金属内的热传导方式。其单位时间的传热量为：
（3）传热管外表面B向给水传热，这种传热也是对流换热方式。其单位时间的传热量：
1．导热
热量从物体中温度较高部分传递到较低部分，或从温度较高物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热，也称热传导。
设有一厚度为的平板，两边温度分别为t1和t2，且t1＞t2，则单位时间内通过平板传递热量的大小，与平板换热面积S、t1与t2的差值和平板材料的导热能力成正比，而与平板的厚度成反比。
每单位质量的压力势能为：
此式虽通过液压公式导出，但对于P是加在液面的外压力的情况也是适用的。
（3）加压静止流体的能量
当一个离基准面高为H的静液面上加上压力P时，流体中任一点所具有的能量仍由位置势能与压力势能二部分组成，但此时的压力势能应包括外加压力P和液体本身的静压力。
以图3.6中的b点为例，其位置势能为gH1，压力势能包括外压势能P/和液压势能gH2=gH2=g(H-H1)，总势能为：
Q＝V1S1＝V2S2＝常数
第3章热泵的热工基础知识
第3章热泵的热工基础知识工程热力学、传热学和流体力学，是热能动力机械的三大基础学科，是发动机和制冷（热泵）专业的最重要的基础知识，热泵行业的设计、制造和安装，都必须依循这些基础学科的指导。
所以，要深刻和准确的理解空气源热泵热水器原理，还要对这三大基础课程有正确的认识。
3-1 热力学的发展历程自然界中，可以被人类利用的能源主要有水力、风力、太阳能、地热、化石燃料的化学能和原子能等，当前最主要的能源是燃料的化学能，如煤炭和石油，它们通过燃烧过程转化为热能，然后通过各类动力设备如汽轮机、内燃机及燃气轮机等设备，将燃料的热能转换为机械能及电能，供人们的生活生产使用。
大部分能量的转换都会通过“热”这一过程，例如原子能的利用，就是将原子能首先转换为热能，再去推动汽轮机工作，进而驱动发电机发电；而风能和水利能，也是太阳能辐射加热地面的结果；而且广义的讲，一切形式的能量，最终也都会转换成热能，例如机械能，会通过摩擦的作用转换成热能，声音和光，也同样会发生这样的转换，最终成为与环境温度接近的低品位热能，也称为“废热”。
人类对“热”的研究，揭开了认识能量本质的序幕，也始终伴随着人类不断深入的认识自然科学的历程，“热能”是与我们关系最为密切的能量形式。
16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业和煤矿，已发展到相当的规模，随着挖掘的深入，地下水成为采矿必须面对的问题，单靠人力已难以满足排除矿井地下水的要求，而在现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。
怎样用煤来抽水？现实的需要促使许多人，如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。
纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。
这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广，它的改型产品直到19世纪初还在制造。
纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。
热工水力分析第三章
第三章核燃料元件的导热3.1 核燃料、包壳材料的选择和物性3.1.1 核燃料核燃料是可在核反应堆中通过核裂变使用核能的材料。
核燃料可以分为可裂变材料和可转换材料两大类。
可裂变材料可以在各种不同能量中子的作用下发生裂变反应，自然界存在的可裂变材料只有铀-235一种。
可转换材料在能量低于裂变阈能的中子作用下不能发生裂变反应，但在俘获高能中子后能转变成可裂变材料。
钍-232和铀-238是可转换材料。
可用作核燃料的元素不多，铀-233、铀-235、钚-239和钚-241的热中子裂变截面较大，其中铀-233、铀-235、钚-239已被用作核燃料。
在核燃料中只有铀-235是存在于天然铀矿中的核燃料，在天然铀中，大量存在的是铀-238，占约99.28%，铀-235质量分数大约占0.714%，其余的约为0.006%的是铀-234。
正是由于钍-232可转换成铀-233，铀-238可以转换成钚-239，而钚-239可以作为核燃料，才是的1/3的核燃料可最终燃烧。
绝大部分热中子反应堆的核燃料物质都有其包壳材料，用包壳材料包装和密封的核燃料通常称为燃料元件。
根据不同形状可分为棒状燃料和板状燃料等。
包壳材料可以防止冷却剂腐蚀燃料并能阻止高放射性物质的泄露，还起着保持核燃料几何形状及位置的作用。
根据反应堆中不同的使用形式，可以把核燃料分为两类：一类是固体和燃料，另一类是液体核燃料。
固体核燃料按其物理化学形态的不同又可分为金属型（包括合金）、陶瓷型和弥散体型。
液体核燃料是核燃料与某种液体载体的均匀混合物，可以采用的液体载体有水溶液、低熔点的熔盐，以及液态金属，它们与核燃料混合后就组成不同成分的液体核燃料。
与固体核燃料相比，使用液体核燃料有系统简单，能够连续操作，以及具有较大的负温度系数而带来的固有安全性等许多独特的优点。
但是，液体核燃料还有许多技术问题，诸如对结构材料的腐蚀、液体载体的辐照稳定性以及材料的后处理工艺等问题，需要进一步解决，因此它还没有达到工业应用的程度。
热工与流体力学基础最新版教学课件第3章 气体和蒸汽的性质及其热力过程
u
t2 t1
cV
dt
cV
t2 t1
(t 2
t1 )
h
t2 t1
c
p
dt
cp
t2 t1
(t 2
t1 )
3.1理想气体的热容、热力学能和熵
2、状态参数熵
状态参数熵是从研究热力学二律与卡诺循环而得出的，它在 热工计算及理论中占据重要的作用。
✓熵的定义：dS Qrev 或 ds qrev du pdv cV dT pdv
同理：
ds qrev
T
dh vdp T
c p dT
RgT p
dp
T
dT dp cp T Rg p
pv RgT dp dv dT pv T
ds
cp
dp p
dv v
Rg
dp p
cp Rg
dp p
cp
dv v
cV
dp p
cp
dv v
3.1理想气体的热容、热力学能和熵 理想气体熵方程：
第3章 气体、蒸气的性质及其 热力过程
Properties and thermodynamic process of gas and vapor
第3章 气体和蒸气的性质
3.1 理想气体的热容、热力学能和熵 3.2 理想气体的热力过程 3.3 理想混合气体 3.4 水蒸气 3.5 水蒸气的基本热力过程 3.6 湿空气 3.7 湿空气的基本热力过程
cV
du dT
du
cV dT
cV cV (T ) 温度的函数
3.1理想气体的热容、热力学能和熵 3.定压比热容cp：可逆定压过程的比热容
工程热力学基础第三章讲解
1531.5kg
RmT
8.3143 293.15
3） m
pVM
(1000 760
1) 1.013105 1.0 28
2658kg
RmT
8.3143 293.15
4） m
pVM
(1000 1) 1.013105 1.0 28 760
2.658kg
RmT
8.31431000 293.15
1) 抽象分类 p v T s n
基本过程 2) 可逆过程 (不可逆再修正)
研究热力学过程的依据
1) 热一律 q du w dh wt
稳流
q
h
1 2
c2
gz
ws
2) 理想气体 pv RT cp cv R
k cp cv
u f (T ) h f (T )
§3-5 理想气体的等熵过程
可逆 ds qR
T
ds 0 s
绝热
adiabatic isentropic
说明: (1) 不能说绝热过程就是等熵过程, 必须是可逆绝热过程才是等熵过程。
Reversible adiabatic
(2) 不仅 s 0 , ds 0 s 处处相等
理想气体 s 的过程方程
3)可逆过程
w pdv wt vdp
q Tds
研究热力学过程的步骤
1) 确定过程方程------该过程中参数变化关系
p f (v) , T f ( p) , T f (v)
2) 根据已知参数及过程方程求未知参数 3) 用T - s 与 p - v 图表示 4) 求 u , h , s 5) 计算w , wt , q
[工学]反应堆热工第三章_OK
燃料元件又如何表示？
•2021/8/20
•6
Harbin Engineering University
一、堆内导热过程（4）
• 均匀内热源平板形燃料元件
2t 0
k
积分两次，边界条件
t
t0
qv 2ku
x2
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t0
tu
qv 2ku
2 u
对平板形元件
qdA qvudA
q qvu
qD Nu
k f (tsat t f ) ,FDB
q St
GCpf (tsat t f ) ,FDB
Pe GDCpf Nu
kf
St
•2021/8/20
•33
Harbin Engineering University
二、堆内的对流换热过程（24）
沸腾临界是指由于沸腾机理发生变化引起放 热系数的陡降，导致受热面的温度急剧升高 的现象
刚刚达到沸腾临界时的热流密度称为临界热 流密度或临界热负荷
DNB或DRYOUT型
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影响临界热负荷的因素
• 1）冷却剂质量流密度的影响 • 2）含气率x的影响 • 3）冷却剂压力的影响 • 4）入口欠热度的影响 • 5）通道入口段长度
(
Prf Prw
)0.25
61010 Grx, f Prf
Nux, f
0.15(Grx
Pr)1/3
(
Prf Prw
)0.25
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a03热工理论基础学习指导(第3章)
第三章 理想气体的热力性质及基本热力过程3-1 学习目标与要求1．掌握理想气体的概念及理想气体状态方程的各种表达形式，并能熟练、正确地运用理想气体状态方程式分析计算工程中常见的理想气体问题；2．理解理想气体比热容的概念及影响因素，掌握理想气体比热容的分类及有关关系式，理解理想气体平均比热容的概念；能够熟练地针对具体问题选择相应的比热容，并利用平均比热容表或定值比热容进行热量的计算；3．掌握理想气体的热力学能及焓的特点，能够利用比热容进行热力过程中理想气体的热力学能变化量、焓变化量及熵变的计算；4．理解理想混合气体的性质，掌握混合气体分压力、分容积的概念以及混合气体的成分表示法，了解混合气体折合分子量及折合气体常数的计算方法；5．掌握理想气体的四个基本热力过程（即定容、定压、定温及绝热过程）的分析计算，以及上述过程在p-v 图和T-s 图上的表示。
了解由基本过程组合而成的复杂过程的分析计算。
3-2 基本知识点一、理想气体及其状态方程式1．理想气体与实际气体（1）理想气体的定义：理想气体是一种实际上并不存在的假想气体，其分子是一些弹性的、不占体积的质点，且分子间的相互作用力可忽略不计。
（注：当实际气体处于p →0、v →∞的极限状态时，即为理想气体。
）（2）热力工程中常见的理想气体：考虑到工程计算精度的要求，通常将距离液态较远的气态工质作为理想气体处理。
如： ①常温常压下的O 2、N 2、CO 、CO 2、H 2、……，这些气体均远离液态；②空气、烟气及燃气是由各种成分不同的气体组成的混合气体，工程上仍然视其为理想气体；③空气、烟气及燃气中包含的水蒸气，由于含量少，压力低，比体积大，通常认为具有理想气体的特性，也视作理想气体。
2．理想气体的状态方程式（1）状态方程的各种形式及适用条件：● T R pv g = （适用于1kg 理想气体） （3-1） 式中：p —绝对压力，Pa ； v —比体积，m 3/kg ；R g —气体常数，J/（kg ﹒K ）； T —热力学温度，K● T mR pV g = （适用于mkg 理想气体） （3-2） 式中：V —质量为m kg 气体所占的体积，m 3● RT pV M = （适用于1kmol 理想气体） （3-3） 式中： V M —气体的千摩尔容积，m 3/kmol ；R=MR g —通用气体常数，J/（kmol ﹒K ）；M —气体的千摩尔质量（数值上等于气体的分子量），kg/kmol● 222111T V P T V P = （适用于定量理想气体的两不同状态间） （3-4） （2）状态方程的应用：①确定理想气体未知的基本状态参数；（采用T R pv g =）②确定理想气体的质量；（采用T mR pV g =）③定量理想气体在不同状态下的体积换算。
工程热力学基础第三章讲解
T>常温，p<7MPa
的双原子分子
理想气体
O2, N2, Air, CO, H 2
如汽车发动机和航空发动机以空气为主的 燃气等
三原子分子（H2O, CO 2)一般不能当作理想气体 特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO 2
§3-2 (比)热容Specific Heats
计算内能, 焓, 热量都要用到热容
定义: 比热容 C ? ? q
dt 单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量
The energy required to raise the temperature of a unit mass of a substance by one degree
§3-2 (比)热容Specific Heats
任意准静态过程 ? q ? du ? pdv ? dh ? vdp
u是状态量，设 u ? f (T , v)
du
?
( ?u ?T
)v
dT
?
(?u ?v
)T
dv
?u
?u
? ? q ? (?T )v dT ? [ p ? ( ?v )T ]dv
定容
?
?q ?
(
?u ?T
)
v
dT
cv
?
?q
( dT )v
?
§3-1 理想气体状态方程
Ideal-gas equation of state 理想气体定义：
凡遵循克拉贝龙(Clapeyron) 方程的气体
四种形式的克拉贝龙方程：
状 1 kmol: pVm ? RmT 态 n kmol : pV ? nRmT 方 1 kg : pv ? RT 程 m kg : pV ? mRT
热工基础第03章流体动力学
驻点
奇点
• 流线不能突然折转，只能平缓过渡。
元流与总流
•有效截面：流束中与各流线相垂直的横截面。
• 元流(微元流束) ：有效截面无穷小的流束。
性质特点：其有效截面上各点的流动参数可认 为相同。
•总流：无限多元流组成的流束。 工程中的研究对象。
流量与平均流速
• 流量：单位时间内通过某一有效截面 的流体的量。
3）射流：总流各过流断面的全部周界都是 另一种流体介质。
流体射入与本身性质相同的介质中称淹没 射流，射入与本身性质不同的介质中称非 淹没射流。
压力流、重力流和射流
压力流
重力流 射流
第三节 流体稳定流动 总流的连续性方程
• 流体是连续介质，它的流动是连续的充 满整个流场的。
实质：质量守恒定律在流体力学中的应用 根据质量守恒：流体一维稳定流动时，流
即同一过流断面上各点的测压管水头为常数。 流体在等径直管道内的流动为均匀流。
非均匀流
• 缓（渐）变流：流速沿流动方向变化极缓慢的非 均匀流。流线几乎是彼此平行的直线。
• 急变流：流速沿流动方向变化显著的非均匀流。 流线是彼此不平行的直线。
缓变流 均匀流 缓变流 均匀流 急变流
稳定流动和非稳定流动
出封闭曲面的流体质量必然等于流入封闭 曲面的
内流和外流
• 内流：流体在固体边界面内部流动
如：流体在管道或明渠中流动
• 外流：流体在固体边界面外部流动
如：飞机在大气中飞行，船舶在水面上 航行。
内流按边界性质不同，分为三类：
1）压力流（有压流动）：总流各过流断面 的整个边界都是固体壁面。
如：流体充满整个管道断面的管流
2）重力流（无压流动）：总流的过流断面 一部分是固体壁面，另一部分是自由表面。 如：河道或渠道中的水流
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将式（3—6）、（3—7）和（3—8）代入式（3—5）得
（3—9）
当控制体积 取得非常小时，可去掉积分号，由此得到
（3—10）
将式（3—1）的 的表达式代入方程（3—10）可得到静止的均匀固
体内含有热源的各向同性物体的导热微分方程：
（3—11）
式中 为位置向量。
3.2.1 直角坐标系中的热传导方程
3.2.2 圆柱坐标系中的热传导方程
在圆柱坐标系中的坐标变量为 如图3—2。方程（3—11）变成
经验关系式：
对于高膜温差（ ℃）情况，流体粘度沿通道横截面发生较大变化
（对受热水而言，近壁处粘度变小）。流体粘度变化对单相对流传热具有重要
影响，必须加以考虑。下列关系式都考虑了流体粘度变化对传热系数的影响。
2 水纵向流过平行棒束中的传热系数
4 影响单相强迫对流传热系数的主要因素
（1）流体流动的状态对 的影响
流体处于不同的流动状态（层流或湍流）有不同的传热机理。
3.4.1 池式沸腾传热
3.4.1.1 池沸腾曲线
3.4.1.2 各区传热机理和传热关系式
1．单相液体自然对流区（A点前）
（2）泡核沸腾传热关系式
1）Rohsenow 关系式
3）对于水的泡核沸腾经验关系式
Jens—Lottes 关系式：
（3—46）
Thom 关系式：
（3—47）
式中， 是热流密度， ； 为压力， ； 为温度， 或 ℃。
从以上关系式可以看出，池式沸腾的传热强度（即 ）与液体欠热度
无关。这一事实可由微对流和汽—液置换传热机理来解释。因为
液体欠热度的增加或减小可以加强或消弱微对流效应，但同时因汽泡尺寸的减
小或增大，而消弱或加强了汽—液置换效应，从而使对传热强度的影响几乎抵
消。
4．稳定膜态沸腾工况（DEF）
（1）稳定膜态沸腾传热机理
一层连续稳定的蒸汽膜覆盖在加热表面上，热量的传递主要通过这层蒸汽膜（汽膜把液体与
壁面隔开）的导热、对流和热辐射，蒸汽以汽泡形式从汽膜中逸出。主要热阻局限在这层汽膜内。
壁面与液体之间的温差非常大，液体不能接触壁面，以维持汽膜的稳定。
（2）稳定膜态沸腾传热关系式
Bromley 关系式
式中
3.4.2 流动沸腾
传热
A—单相液体对流传热
在很高热流密度下，其流型和传热工况如图3—8所示。
3.4.2.2 流动沸腾图
3.4.2.3 强制对流沸腾的临界热流密度工况（CHF）
3.4.2.5 泡核沸腾起始点（ONB）的确定，汽泡开始脱离壁面点（FDB）的确定，
热平衡态饱和沸腾起始点的确定
1．泡核沸腾起始点（ONB）的确定
根据热平衡关系可以求出泡核沸腾开始点的位置 （见图3—10）：
（2）Bowring 模型
例题3—6
（2）Thom
2．汽泡开始脱离壁面点（FDB）
（3）Saha—Zuber
3.4.2.6 两相强制对流蒸发传热（E+F）关系式
Chen 关系式
2）W—2 公式
一个轴向热流密度不均匀分布的修正因子 、冷壁修正因子 和定位格架修正因子
来修正，即
5）通用电气公司的Janssen—Levy关系式
Janssen—Levy关系式只适用于流动饱和泡核沸腾，常用于沸水堆的设计。Janssen—Levy关系
式为
2．影响临界热流密度的主要参量和因素
3.4.2.8 蒸干后的传热（Post Dryout）