工程热力学与传热学总结与复习

1、一、基本要求严格遵守考试纪律，绝不做任何有作弊嫌疑的动作。二、考试需要携带的物品相关身份证件、笔、计算器三、复习要点（一）基本概念（红色粗体部分是热力学与传热学最基本的概念， 要求掌握其定义、物理意义、表达式、单位）第一章 基本概念工质：热能与机械能之间转换的媒介物质。热源：热容量很大、 并且在吸收或放出有限热量时自身温度及其他的热力学参数无明显变化的物体。热力系统 : 人为选取的研究对象（空间或工质） 。外界（环境）：系统以外的所有物质。闭口系统：与外界无物质交换的系统。开口系统：与外界有物质交换的系统。绝热系统：与外界无热量交换的系统。孤立系统：与外界既无热量交换又无物质交换的系统。平衡状

2、态：在不受外界影响（重力场作用除外）的条件下，工质或系统的状态参数不随时间而变化的状态。热力状态：工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。状态参数：压力、温度、比体积、热力学能、焓、熵等。基本状态参数：压力、温度、比体积压力（ Pa，mmH 2O ，mmHg，atm, at 换算）：p pbpvppepb1 bar = 105Pa1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa1 mmHg =133.3 Pa1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa1 psi=0.006895MPa温度：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征

3、彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量。 （标志冷热程度的物理量）比体积：单位质量的工质所占有的体积。密度：单位体积工质的质量。= 1。vVm状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1状态方程式： ?(p ，T) = 0。独立参数数目N = 不平衡势差数 = 能量转换方式的数目各种功的方式 + 热量 = n + 1准平衡过程：系统所经历的每一个状态都无限接近平衡态的过程。可逆过程：系统经历某一过程后， 如果再沿着原路径逆行而回到初始状态，外界也随之恢复到原来的状态，而不留下任何变化。不可逆过程：无耗散效应的准平衡过程。功：膨胀功：w( pv)wt热量：热力系统与外界之间依靠温差传递

4、的能量。比熵：ds = Tq熵：熵体现了可逆过程，传热的大小与方向定熵过程：可逆绝热过程。第二章热力学第一定律储存能；储存于热力系统的能量JkJ热力学能 ；单位质量工质的热力学能，u，单位 ?kg或?kg。稳定流动：工质的流动状况不随时间而改变。（状态，质量流量）焓：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 、对流动工质，比焓代表能量 (比热力学能 +流动功 ) 对静止工质，比焓虽具有能量的单位但不代表能量。比焓：h = u + pv流动功：在数值上等于工质的压力与比体积的乘积。pv技术功：wt1c2g z ws2第三章理想气体的性质和热力过程理想气体：凡遵循克拉贝龙方程式

5、的气体。状态方程式：1mol: pVmRTmkg : pVmRgT1kg: pvRg Tnmol : pVnRT气体常数 ：RgRR8.314J mol KJ/ kg KMRg空气-3287 J/ kg KM 空气28.9 10kg mol摩尔气体常数 ：R =? ?00= 8.314?/(?)?0热容：物体温度升高 1K( 或所需要的热量QQCdTdt比热容 ()：单位物量的物质升高1K 或 1oC 所需的热量过程方程式：ducvdTdh cpdTtttu cv t2(T2T1 ) cv 02 t2cv 02 t11cvdTRgdvcpdTdpdsvTRgTpdvcvdpcppv多变指数：p

6、vnconst第四章热力学第二定律自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。 自然界自发过程都具有方向性。热力循环：工质经过一系列的状态变化， 重新回复到初始状态的全部过程称为热力循环。正向循环：顺时针方向、对外作功、吸热。逆向循环：逆时针方向、对内作功、放热。动力循环：正向循环循环热效率 ：W net= 1 -Q2t=Q1Q1Q2Q2制冷系数 ：= W net=( Q1-Q 2)Q1Q1= (Q1 -Q 2)供热系数 ：= W net全部由可逆循环组成的循环是可逆循环， 部分过程或全部过程是不可逆的，则是不可逆循环。克劳修斯积分等式： 工质经历任意可逆循环后， 沿整个循环积分等于零Q0T

7、r克劳修斯不等式： 工质经历任意不可逆循环后，沿整个循环积分小于零QQ1Q2TT1T20熵流：dSfQT熵产：熵产是过程不可逆性大小的度量。闭口系统熵方程SSfSgdSdSfdSg第五章水蒸气与湿空气饱和状态 :汽化与凝结的动态平衡饱和液体 :饱和蒸气饱和温度未饱和水饱和水湿（饱和）蒸汽干度干饱和蒸汽质量mvxmw mv湿饱和蒸汽质量干（饱和）蒸气?汽化潜热：整个气化过程中吸收的热量，r，单位 ?。?过热蒸气饱和水线（下界线）干饱和蒸汽线（上界线）临界点未饱和湿空气饱和湿空气露点（温度）：湿空气中水蒸气的分压为?所对应的饱和温度。 ?绝对湿度：每 1m3 湿空气中所含的水蒸气的质量。pv相对湿

8、度sps表明湿空气与同温下饱和湿空气的偏离程度、反映所含水蒸气的饱和程度。含湿量：在湿空气中，与单位质量干空气共存的水蒸气的质量。d = mv =vmaa第六章蒸汽动力装置：蒸汽动力循环：以水蒸气为工质的蒸气动力装置工作循环。动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功。郎肯循环（循环的过程构成及主要装置）：1，水在给水泵中的可逆绝热压缩过程3-42，水与水蒸气在锅炉中可逆定压加热过程4-5-6-1；3，水蒸气在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程1-2；4，乏汽在冷凝器中定压放热过程2-3。提高蒸汽动力循环效率的途径：再热循环（增加蒸汽的干度）、回热循环（提高锅炉前给水的温度

9、） 。第八章导热：在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由粒子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象称为热传导。特点：（1）不需要物体发生宏观运动（2）物质状态不同（ 3）微观粒子的运动特点不同（ 4）温差一维稳态导热： 平壁两表面维持均匀恒定的温度，温度不随时间的变化，热量只沿垂直于壁面的方向传递热流量：A tw1tw 2W热导率（导热系数）：是材料的热导率 (导热系数 ) 单位： W/(m?K)的大小反映材料的导热能力，越大，材料导热能力越强。导热热阻（平壁）：R = 表示物体对热量传递的阻力单位： K/WA热流密度 ：q:单位时间通过单位面积的热流量。单位： W/m2 q

10、tw1 tw2A热对流：由于流体的宏观运动使温度不同的流体相对位移而产生的热量传递现象。（只能发生在流体中、必然伴随导热）对流换热：流体与固体表面之间的热量传递是热对流与导热两种基本传递共同作用的结果。表面传热系数 ：h 的大小反映对流换热的强度，与物性（热导率、粘度、密度、比热容等）、流态（湍流、层流） 、流动成因（自然对流、强迫对流）、物体形状和尺寸、换热时流体有无相变（沸腾或凝结）有关。不是物性参数。Ah tw t f对流换热热阻 ： R h1Ah单位： K/W热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象称为热辐射。说明：热辐射总是伴随着物体的热能和辐射能这两种能量形

11、式的相互转化、热辐射不依靠中间媒介、物体间热辐射是双向的、辐射换热量与物体温度、辐射特性、物体大小、形状、相对位置等有关。辐射换热：当物体之间存在温差时， 以热辐射的方式进行能量交换的结果使高温物体失去热量， 低温物体得到能量，这种热量传递的现象。传热过程 ：这种热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。 =tf1 -tf2t f1 -tf211= RkAh 1+ A+ Ah 2传热热阻 ：Rk= 1+ +1=Rh1 + R+ Rh2 单位： K/WAh 1AAh2传热系数： 1=1+1单位：2kh 1h 2K第九章温度场 : 在某一时刻，物体内所有各点的温度分布，在直角坐标

12、系中，温度场可表示为：tf ( x, y, z,) 。非稳态温度场：随时间变化的温度场。稳态温度场：不随时间变化的温度场。稳态导热：稳态温度场中的导热。等温线：在同一时刻，温度场中温度场中的点所连接成的线。等温面：在同一时刻，温度场中温度场中的点所连接成的面。温度梯度 ：grad t = ?t ? 表示等温面法线方向的温度变化。?n热量密度矢量 ：q = -ddAq热导率：表示该物质导热能力的大小。=|grad t |保温材料：温度低于 350。 C时热导率低于 0.12 W/m K 的材料热扩散率（导温系数）：a = ，单位： m 2?sc说明：其大小反映物体被瞬态加热或冷却时，物体内温度变

13、化的快慢热扩散率 a 越大，温度随时间的变化率?t 越大，即温度变化越快。?单值性条件：为完整地描写某个具体的导热过程，还必须说明导热过程的具体特点，即给出导热微分方程的单值性条件，或定解条件，使导热微分方程具有唯一解。定解条件：几何条件，物理条件，时间条件，边界条件。边界条件：说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的相互作用，例如边界上的温度分布、 热流密度分布以及物体通过边界与周围环境之间的热量传递情况等。1d2导热热阻（圆筒壁）： Rln2 ld1傅里叶数 ：F0 =a?2 =2? ?a分子为从非稳态导热过程开始到时刻的时间，分母可理解为温度变化波及到2 面积所需要的时间。 所以，

14、为两个时间之比， 是非稳态?F0导热过程的无量纲时间。毕渥数：hBih分子为导热物体内部单位面积上的导热热阻? ，分母为边界处的单?位表面积上的对流换热热阻1/h。物理意义为物体内部的导热热阻与边界处的对流换热热阻之比，所以Bi 的大小，反映了边界条件对平壁内温度分布的影响。特征数：Bi 和 F0 称为特征数。也称为准则数，具有特定的物理意义。集总参数法：忽略物体内部导热热阻的简化分析方法。特征长度： V/A 具有长度的量纲，称之为物体的特征长度。时间常数 ：第十章平均表面传热系数： h，?= Ah（t w - t f ）， q = h（t w - t f ）其中?为固体表面的平均温度，?为流

15、体温度。?对于外部绕流， ?取远离壁面的平均温度 t，对于内部流动， ?取流?体的平均温度。局部表面传热系数： hx ，?= qx dA = hx （t w -t f ） dAAAxh =?dAA hAx对流换热影响因素：1，流动的起因； 2，流动的状态； 3，流动有无相变； 4，流体的物理性质； 5，换热表面的几何因素特征长度（定型尺寸）：l流动边界层：速度发生明显变化的流体薄层；规定速度达到 0.99u处的 y 值作为边界层的厚度，用 表示。流动边界层的厚度与流动方向的长度相比非常小，相差一个数量级以上。由于边界层的存在， 流场分成了两个区： 边界层区（0 y )和主流区（ y ）。边界层

16、区：是存在速度梯度与粘性力的作用区，也是发生动量传递的主要区域，流体的流动由动量微分方程来描写；主流区：主流区内速度梯度趋近于0，粘性力的作用可以忽略，流体可近似为理想流体。主流区的流动由理想流体的欧拉方程描写。层流边界层：湍流边界层：层流底层：缓冲层：临界距离：边界层从层流开始向湍流过渡的距离， xc 临界雷诺数 ：Rec = 5x10 5热边界层：当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时， 在壁面附近将形成一层温度变化较大的流体层。普朗特数特征数关联式：对流换热的解可以表示成特征数函数的形式。对物理方程进行无量纲化，相似分析特征数：具有一定的物理意义， 表征物理现象或物理过程的某些特

17、点的、由一些物理量组成的量纲为一的数努塞尔数： Nu =hl?hl平均努塞尔数：NuY 0Y其中 h 为整个平板的平均表面传热系数， 未知，是我们求解对流换热问题的主要目的； l 为平板全长； 为流体的热导率。物理意义：等于壁面处（Y0）在壁面法线上的流体平均无量纲温度梯度，其大小反映平均对流换热的强弱。相似原理：研究的是相似物理现象之间的关系。管内强迫对流换热的特点及影响因素（修正系数大于？小于？）外掠壁面强迫对流换热影响因素体膨胀系数：格拉晓夫数 ： Grgtl 32 表征浮升力与粘性力的相对大小，反映自然对流的强弱。Gr 越大，浮升力的相对作用越大，自然对流越强。第十一章投入辐射：单位时

18、间内投射到单位面积物体表面上全波长范围内的辐射能， G，单位 W?m?.吸收比： = G?G反射比： =透射比： =G?GG?G其中+ + = 1E发射率：Eb灰体：指光谱辐射特性不随波长而变化的理想物体。黑体：吸收比 = 1的物体，又称绝对黑体辐射力：单位时间，单位面积的物体表面向半球空间发射的全部波长的辐射能的总和，用E 表示，单位是 W?m?.光谱辐射力：单位时间，单位面积物体表面向某个方向发射的某一波长的辐射能，用 E?表示。黑体光谱辐射力随波长和温度变化的特点：斯忒藩 -玻尔兹曼定律： Eb = ?T4 ，其中 = 5.67 10 -8 W? （m2 K4），称为斯忒藩 -玻尔兹曼常

19、数，又称黑体辐射常数角系数： X1,2 为表面 A1 对表面 A2 的角系数；从表面A1 发出的总辐射能中直接投射到表面A2 上的辐射能占总辐射能的百分数。A1 表面发出的总辐射能中直接投射到A2 表面上的部分X 1,2A1表面发出的总辐射能在上述假设条件下， 角系数是几何量， 只取决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置，故角系数是几何参数。角系数的性质：相对性：A1 X 1,2A2 X 2,1有限性：0X1,21n完整性： j 1X i , jX i ,1X i ,2X i ,iX i , n1X1,2 3X1,2X 1,3可加性：有效辐射： 表面 A 上单位时间内离开单位表面积的总辐射能。JEGEb1G根据表面的辐射平衡， 单位面积的辐射换热量等于有效辐射与投入辐射之差