暖通空调基础知识课件

暖通空调基础知识课件第1页，共70页，2023年，2月20日，星期一第一部分工程热力学第二部分传热学第十章暖通空调基础知识第2页，共70页，2023年，2月20日，星期一第一部分工程热力学

第一节基本概念热力系一、定义热力系：人为规定的热力学研究对象。外界：热力系以外，与热力系发生物质、能量交换的的物质系统。边界：热力系和外界的分界面。热力系通过边界和外界进行功量、热量和物质的交换。边界可以是实际的容器壁面，也可以是假想的封闭曲面。可以是固定的，也可以是可移动或胀缩的。第3页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、分类开口系：与外界有物质交换。闭口系：与外界无物质交换。绝热系：与外界无热量交换。孤立系：与外界既无能量交换，有无物质交换。简单可压缩系：由可压缩流体构成，通过体积变化而实现热能转换。热源：是一种特殊的热力系，具有无限大热容量，即在从热源吸收或向热源放出有限热量时，热源本身的温度不变，如大气和海洋等。按系统内部的状况不同，还可以将热力系分为：单元系、多元系、单相系（或称均匀系）、复相系（或称非均匀系）等。工质的状态及其状态参数一、热力学状态1.工质：用来实现能量相互转换的媒介物质。工程中常用的工质是可压缩的流体（水蒸汽、燃气，空气等）。2.热力学状态：热力系在某一瞬间呈现的宏观物理状态。3.状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。描述热力系平衡状态时，可以用少量几个表征系统性质的称为状态参数的物理量来描述。例如一定质量的气体组成的系统，为了描述它，不必知道单个气体分子的信息（如速度或动量等），而只要用如压力、容积、质量、温度等几个宏观变量即状态参数描述。所以系统的状态是用系统的状态参数来表示，若这些状态参数有确定的值，那么系统状态就确定了。第4页，共70页，2023年，2月20日，星期一

常用的有：温度T、容积V、压力p、焓H、熵、内能U。特点：数值大小仅取决于给定的状态；参数变化量仅取决于初、终状态。二、基本状态参数状态参数中比容、压力、温度是可以由仪表直接测量得到的参数，称作基本状态参数。1.比容（v，单位m3/kg）：单位质量工质所占有的体积。`显然，比容和密度之间互为倒数。2.压力（p，单位Pa）：单位面积上所承受的垂直作用力。根据分子运动论，气体的压力是分子运动撞击在单位面积上呈现的平均作用力。工程上常用的单位：兆帕（1Mpa=106Pa）；巴（1bar=105Pa）；标准大气压（1atm=101325Pa）。3.温度：描述系统冷、热状况的状态参数，标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。温度的高低通常用温标来表示，常用的温标有：（1）热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）：

开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。它的符号为T，单位为K(称“开尔文”)。（2）摄氏温标：符号为t、单位℃。1960年国际计量会议把水的三相点定为273.16K，0.01℃。和热力学温标的关系为：t（℃）=T（K）－273.15另外常用的温标还有华氏温标和朗肯温标。

热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平第5页，共70页，2023年，2月20日，星期一衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。处于热平衡状态的系统温度必然具有相同的温度。三、平衡状态实验表明，一个不受外界影响的系统，无论它的初始状态如何，经过充分长时间后，它必将达到这样一种状态，系统的宏观

性质不随时间变化，即达到平衡状态。1.定义：没有外界作用的条件下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态。2.实现条件：一切不平衡势差全部消失。对于一个状态可以自由变化的热力系，如果系统内以及系统与外界的一切不平衡势差均不存在，则热力系一切可见的宏观变化将停止，这时热力系处于平衡状态。3.特点：具有确定的状态参数。热力过程、准平衡过程与可逆过程热力过程：热力系由一状态向另一状态变化时所经历全部状态的总和。一、准平衡过程1.定义：在热力过程中，不平衡势差无限小，热力学所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。2.实现条件：推动过程进行的势差无限小。3.特点：由于热力系经历的过程中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲第6页，共70页，2023年，2月20日，星期一线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。二、可逆过程1.定义：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。可逆过程与准平衡过程从定义上的一个重要区别就在于过程逆行,“没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。2.实现条件：推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。所谓耗散指固体或液体的磨擦、电阻、非弹性形变、磁滞等现象起的效应，使能量耗散了，变为热。可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正。功与热量一、可逆过程的功

用符号W表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用w表示，单位J/kg或kJ/kg。1.定义第7页，共70页，2023年，2月20日，星期一功：在力学中，功被定义为物体所受的力与该力方向上产生的位移的乘积；在热力学中，功是系统与外界相互作用而传递的能量。当系统作功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替。体积变化功：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。规定：系统对外界做功，功量为正；外界对系统做功，功量为负。功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。2.功的计算

单位工质：可逆过程的比容变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示。第8页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、可逆过程的热1.定义：系统与外界之间依靠温差传递的能量，用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。规定：系统吸收热量，热量为正；系统放出热量，热量为负。第9页，共70页，2023年，2月20日，星期一

2.热的计算

单位工质：熵（S）：状态参数，是可逆过程热量传递的标志性参数。熵增大,系统吸热；熵减小，系统放热。第10页，共70页，2023年，2月20日，星期一三、功和热的异同同:1.二者都是系统与外界传递能量的一种形式，是传递中的能量，不是包含在系统内部的能量。2.是过程量，不是状态量，大小与过程有关。3.是迁移能，一旦越过边界，便转化为系统或外界的能量。异：1.能量的形式不同，效果不同，功属于机械能的传递量，热属于热能的传递量。2.引起能量传递的原因不同，一种是压力差，一种是温差。热力循环热力循环：指工质从某一状态出发，经历一系列热力状态变化之后，又回到初始状态的封闭热力过程。按作用效果分：正向循环与逆向循环；按是否可逆分：可逆循环与不可逆循环；第11页，共70页，2023年，2月20日，星期一一、正循环（热机循环或动力循环）1.作用效果：把热能转变为机械能，给外界提供动力。从高温热源吸热，将其中一部分热量转变为功，剩余的热量排给低温热源。实施正循环的目的就是要实现热能向机械能的能量转换。2.经济性指标：循环热效率＝净功量/从热源吸收的热量，即ηt＝w0/q1二、逆循环1.作用效果：消耗外功，把热量从低温物体中取出排向高温，按作用目的可分为制冷循环与热泵循环。制冷循环：从低温热源吸收热量，以维持低温热源的低温状态。热泵循环：向高温热源放出热量，以维持高温热源的高温状态。2.经济性指标：制冷系数＝从低温热源吸收的热量/耗功量，即ε1=q2/w0；供热系数＝向高温热源放出的热量/耗功量，即ε2=q1/w0。第12页，共70页，2023年，2月20日，星期一第二节热力学第一定律热力学第一定律的实质一、实质

实质：能量转换与守恒定律在热力学中的应用。19世纪30-40年代，许多科学家前赴后继，迈尔·焦耳（德国医生）最后发现

和确定了能量转换与守恒定律。这个定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。二、表述可以表叙为：在热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持守恒。热力学第一定律的建立是在资本主义发展初期，那时，有人曾提出各式各样不消耗能量而获得动力的装置，称为第一类“永动机”，但均失败了。因为它违反了热力学第一定律，故针对热力学第一定律另一形象的说法是：第一类永动机是不可能制造成功的。三、表达式热力学第一定律能量平衡方程式：进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化储存能与热力学能一、热力学能（内部储存能）热力学能是指储存于热力系内部的能量。用U表示，单位是J或第13页，共70页，2023年，2月20日，星期一kJ，单位质量工质的热力学能称为比热力学能，用u表示，单位是J/kg或kJ/Kg。内能是状态参数。从微观的角度看，热力学能包括：分子热运动所具有的内动能、由于分子间相互作用力而形成的内位能、由于分子结构所具有的化学能以及原子核内部的核能等。因此很难确定内能的绝对值，但能够确定内能U的变化值，这也是我们在工程计算中所关心的。二、储存能外部储存能指需要用参照系坐标决定的参数来表示的能量。它包括热力系由于宏观运动速度所具有的宏观动能和由于其所处位置的高度而具有的重力位能。总储存能（简称总能）指热力系的热力学能、宏观动能与宏观位能之和，用E表示，单位为J或kJ。即

式中，m为系统的物质质量，c为系统的运动速度，g为重力加速度，z为系统在外部参照坐标系中的高度。比储存能：单位质量物质的储存能，用e表示，单位为J/kg或kJ/kg。热力学第一定律解析式一、闭口系统的能量方程闭口系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W；系统储存能变化为△U。第14页，共70页，2023年，2月20日，星期一适用于任何工质，可逆或不可逆的各种热力过程。该式表明：在闭口系统所经历的热力过程，吸收的热一部分用来增加系统的热力学能，储存于系统内部，其余部分则以做功的方式传递给外界。单位工质：可逆过程：第15页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、循环的热一定律解析式对于循环过程，由于系统的初终状态为同一状态，不论是否可逆，热力学能的变化为零，表明:闭口系统经历任何一个循环后，与外界交换的净热量等于与外界交换的净功量。推动功与焓一、推动功与流动功在工程实施的能量转换过程常常是复杂的，在伴随着系统与外界功和热交换的同时，常常有物质穿过系统的边界而进出热力系统，而且进出的高度和速度不同。推动功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推动功等于pv。如图中的流体要进入系统，外界要克服系统内具有一定压力的气体的阻力，向前移动（例如：给车打气），我们可以想象为后面有一个活塞向前推这一小段流体，活塞作用在这一小段流体上的力为F。当把它推入系统，F向前走了dx距离，外界对系统作了功，就称为推动功。第16页，共70页，2023年，2月20日，星期一流动功：出口处付出的推动功与入口处得到的推动功的差。流动功可以理解为开口系统维持流动所要付出的代价。用Wf表示。

单位工质：特点：1.只有在系统与外界有物质交换（即有流动）时才有意义，它不是工质本身具有的能量，而是随工质的流动而传递的能量。

2.大小只取决于出入口截面上工质的状态，只与出入口状态有关。二、焓伴随工质流动而交换的能量包括：工质本身的热力学能、宏观动能和重力位能，以及推动功，即：m（u＋c2/2＋gz＋pv）定义U+pV为焓，用用符号H表示，单位是H或kJ；单位工质的焓称为比焓，用符号h表示，单位是J/kg或kJ/kg。第17页，共70页，2023年，2月20日，星期一

焓是状态参数，是在研究流动能量方程中，为工程应用方便而引出的。同内能一样，无法测定焓的绝对值，热工计算中关心的是两个状态间焓的变化量。

稳定流动能量方程一、稳定流动

工程上常用的热工设备，除启动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的，可以认为处于稳态稳定流动状态。1.定义：开口系统内任意点工质的状态都不随时间而变化的流动过程。2.实现稳定流动的必要条件：

（1）进、出口截面处工质的状态不随时间而变；（2）单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随时间而变；（3）各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而改变。第18页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、开口系统的稳定流动能量方程工程上许多动力机械，如汽轮机、风机、内燃机等，都是依靠机械轴传递机械功。我们把这种系统通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用Ws表示。根据热力学第一定律：

进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化进入系统的能量：第19页，共70页，2023年，2月20日，星期一离开系统的能量：由于是稳定流动，系统储存能的变化量为0。代入能量平衡方程式，可得开口系统稳定流动能量方程：

单位质量工质：在上式中，后三项实际上都属于机械能，故把此三项合并在一起称技术功（Wt）。单位质量工质：故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：可逆过程技术功的大小可以在p-v图上用过程线以左和纵坐标围成的面积表示。第20页，共70页，2023年，2月20日，星期一稳定流动能量方程的应用一、换热器常见设备：锅炉、加热器、冷却器、散热器、蒸发器和凝汽器等。特点：仅交换热量，无功量交换。能量方程：工质交换的热量等于其焓的变化二、动力机械常见设备：热力发电机，如燃气轮机、汽轮机；压缩机械，如压气机、风机、泵等。特点：由于采用了良好的保温隔热措施，通过设备外壳的散热量极少，可认为其中的热力过程为绝热过程。能量方程：第21页，共70页，2023年，2月20日，星期一能量方程：流体动能的增量总是等于其焓降四、绝热节流节流：流体在管内流经阀门或其他流通截面积突然缩小的流道后，造成工质压力下降的现象称为节流。第22页，共70页，2023年，2月20日，星期一特点：节流是典型的不可逆过程。缩口附近存在漩涡，工质处于不稳定的非平衡状态，故严格说，节流是不稳定流动。但观察发现，离缩口较远的1-1和2-2截面上，流动情况基本稳定，可近似用稳定流动能量方程式计算分析。节流过程中工质不对外做轴功，由于流过两个截面之间的时间很短，与外界交换的热量极少，可近似认为绝热。能量方程：节流前后工质的焓值相等第23页，共70页，2023年，2月20日，星期一第三节理想气体及其混合物理想气体及其状态方程一、定义为了便于研究自然界中客观存在的比较复杂的真实气体，人们提出了理想气体的概念。理想气体：是一种假象的气体模型，气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。实际气体：不符合上述理想气体两个微观假设条件的，则称为实际气体。如：水蒸气、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它们距离液体较近，不能忽略分子本身的体积和分子间的作用力。二、理想气体状态方程大量实验证明，理想气体的三个基本状态参数间存在着一定的函数关系：1kg：mkg：1mol：nmol：第24页，共70页，2023年，2月20日，星期一R0为通用气体常数，与气体种类及状态无关：R0＝8314J/(kmol·K)。R为气体常数，与气体种类有关：(M为分子量)比热容一、定义热量的计算可通过工质的状态参数变化进行，也可以利用比热进行。比热容：单位物量的物体，温度升高1K所吸收的热量，用c表示。按物量单位可分为：1.质量比热：单位质量物质的热容量，用c表示，单位为J/(kg·K)；2.摩尔比热：单位mol物质的热容量，用Mc表示，单位为J/(mol·K)；3.容积比热：标准状态下单位质量物质的热容量，用c’表示，单位为J/(m3·K)；二、定压比热和定容比热一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度变化的大小取决于工质的性质、数量和所经历的过程。经验表明，同一种气体在不同条件下，如在保存容积不变或压力不变的条件下加热，同样温度升高1K所需的热量是不同的。定容比热容（cv）：在定容情况下，单位物量的气体，温度升高1K

第25页，共70页，2023年，2月20日，星期一所吸收的热量。定压比热容（cp）：在定压情况下，单位物量的气体，温度升高1K所吸收的热量。气体在定压下受热时，由于温度升高的同时，还要克服外力膨胀做功，而在定容过程中，并不膨胀对外做功，故同样升高1K，定压时比定容下受热需要更多的热量，也就意味着定压比热比定容比热大。对于理想气体：

（迈耶公式）比热容比к：

三、比热的计算方法1.定值比热：凡分子中原子数目相同的气体，其摩尔比热都相等，称为定值比热。用于近似计算。2.真实比热：理想气体的比热实际上并非定值，而是温度的函数。相应于每一温度下的比热值称为气体的真实比热。理想气体的比热可表示成温度的函数：Mcp＝a0＋a1T＋a2T2＋a3T3a等值由实验确定，可在表中查取。真实比热作为温度的函数，常用于精确计算。3.平均比热：在一定温度变化范围内真实比热的积分平均值。如：实际气体的比热在c-t图上为一条曲线，此时的热量计算可表示为阴影部分的面积GDEF。用同样面积GMNF的矩形来代替它，于是有，矩形的高度MG就是在t1与t2温度范围内真实比热的平均值，称为平均比热。用于较精确的计算。第26页，共70页，2023年，2月20日，星期一热力学能、焓和墒一、热力学能和焓的变化量理想气体的内能和焓是温度的单值函数，这就意味着某种理想气体，不论其在过程中比容或压力如何变化，只要变化前后温度相同，其内能和焓的变化量也必然相同。故对于理想气体的任何热力过程，都可用下式计算：

而对于实际气体，上式则分别适用于等容过程和等压过程。二、熵的变化量

（定值比热容）（定值比热容）（定值比热容）第27页，共70页，2023年，2月20日，星期一内能、焓和熵为状态参数，只与初终状态有关，与中间过程无关，故理想气体无论经历什么过程，包括不可逆过程，只要过程的初态、终态参数确定，比热容可以取定值，则都可以用以上各式计算变化量。混合气体的性质一、混合气体理想混合气体：如果混合气体中各组成气体都具有理想气体的性质，则整个混合气体也具有理想气体的性质，其状态参数间的关系也符合理想气体状态方程式，这样的混合气体称为理想混合气体。1.分压力：混合气体中每一种组元的分子都会撞击容器壁，从而产生各自的压力。在与混合气体相同的温度下，各组成气体单独占有混合气体的容积时，给予容器壁的压力。分压力定律：理想混合气体的总压力等于各组成气体分压力之总和。第28页，共70页，2023年，2月20日，星期一2.分容积:使各组成气体保持与混合气体相同的压力和温度的条件下，把各组成气体单独分离出来时，各组成气体所占有的容积。分压力定律：理想混合气体的分容积之和等于混合气体的总容积。二、混合气体的成分成分：各组成气体在混合气体中所占的数量份额。可分为：1.质量成分：混合气体中组成气体的质量mi与混合气体总质量m的比值，即2.容积成分：混合气体中组成气体的分容积与混合气体总体积的比值，即3.摩尔成分：混合气体中组成气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值，即第29页，共70页，2023年，2月20日，星期一研究目的和方法一、实施热力过程的目的1.实现预期的能量转换，如各种热力发动机要求输出一定的功率；2.获得预期的热力状态，如压气机中将气体压缩达到一定的压力。二、研究目的1.确定工质的状态变化规律；2.确定过程中能量传递和转换的情况。三、研究步骤1.根据过程特点，列出过程方程式；2.建立基本状态参数间的关系式；3.在p－v图、T－s图上绘出过程曲线；4.计算△u，△h，△s；5.计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。气体的典型热力过程一、等容过程等容过程是工质在装变化过程中容积保持不变的热力过程。1.过程方程式：v=定值2.初、始状态参数关系式：及3.过程在p－v图及T－s图上的表示第30页，共70页，2023年，2月20日，星期一4.过程中传递的能量膨胀功热量（等容过程中系统与外界没有膨胀功的传递，过程加入的热量全部用于增加气体的热力学能。二、等压过程等压过程是工质在装变化过程中压力保持不变的热力过程。1.过程方程式：p＝定值2.初、始状态参数关系式：及3.过程在p－v图及T－s图上的表示为定值）第31页，共70页，2023年，2月20日，星期一4.过程中传递的能量膨胀功热量在等压过程中加入或放出的热量，等于气体初、始状态的焓差。三、等温过程等温过程是工质在装变化过程中温度保持不变的热力过程。1.过程方程式：T＝定值，即pv＝定值2.初始状态参数关系式：或3.过程在p－v图及T－s图上的表示第32页，共70页，2023年，2月20日，星期一4.过程中传递的能量膨胀功热量等温膨胀过程中吸收的热量，全部转变诶膨胀功；等温压缩时消耗的压缩功全部转变为热量放出。四、绝热过程绝热过程是系统与外界没有热交换的情况下发生的热力过程。可逆的绝热过程称为等熵过程。1.过程方程式：定值为比热容比或绝热指数，2.初始状态参数关系式：3.过程在p－v图及T－s图上的表示第33页，共70页，2023年，2月20日，星期一4.过程中传递的能量膨胀功或热量q＝0多变过程一、多变过程凡工质按定值而变化的过程称为多变过程。其中为多变指数，在0～±∞之间变化，每个n值代表一个多变过程。n＝0：p＝定值，为等压过程；n＝1：T＝定值，为等温过程；

n＝κ：二、多变过程的分析可与绝热过程类比分析：1.初、终状态参数间的关系式：定值，为可逆绝热过程，即等熵过程；n＝∞：v＝定值，为等容过程。第34页，共70页，2023年，2月20日，星期一2.过程中传递的能量膨胀功或热量其中，称为多方比热容，当时，为负值。1.多变过程曲线的分布规律p-v图上：从定容线出发，n由－∞→0→＋∞，按按顺时针方向递增。T-s图上：多变过程线的分布规律也是多变指数n按顺时针方向递增。2.过程中各变化量正负值的判别q的正负值以等熵线为界；w的正负值以等容线为界；△u的正负值以等温线为界。三、p－v图和T－s图第35页，共70页，2023年，2月20日，星期一第四节热力学第二定律热力学第二定律的表述与实质一、自然过程的方向性和不可逆性

经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。例如：1.热可以自发地从高温物体传到低温物体，但却不能自发地从低温物体传到高温；2.气体自发向真空膨胀，但却不能自发压缩，空出一个空间；3.两种气体可自发地混合，却不可自发地分离；自发过程：不需任何外界作用而可以自动进行的过程。非自发过程：没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。自然界的一切自发过程都是具有方向性和不可逆性的，热力过程总是朝着一个方向自发进行而不能自发地反向进行。非自发过程可以进行，但其进行必须以一定的补偿条件作为代价。二、热力学第二定律的实质能量是有品质高低之分的。如：机械能的品质高于热能；高温热能的品质高于低温热能。定律的实质：能量贬值原理，也就是说在能量的传递与转化的过程中，能量的品质只能降低不能提高。三、表述

“热二”有各种各样的说法，最常见的两种是：

克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。

开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。

无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有方向性。第36页，共70页，2023年，2月20日，星期一卡诺循环与卡诺定理一、卡诺循环卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环。1.卡诺循环的组成：它是工作于两个热源间的，由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环。2.卡诺循环的热效率：第37页，共70页，2023年，2月20日，星期一3.结论：（1）热效率ηt,c与工质的性质无关，只取决于高温热源的温度T1与低温热源的温度T2。（2）提高T1，降低T2，可以使卡诺循环的热效率提高。（3）热效率ηt,c总是小于1，也就是说不可能通过热机循环将热能全部转换为机械能。（4）T1＝T2时，ηt,c＝0，说明没有温差是不可能连续不断地将热能转换为机械能的。二、逆卡诺循环是逆向进行的卡诺循环。作用效果：消耗机械能，从低温热源吸收热量，向高温热源放出热量。制冷系数：供热系数：结论：1.制冷系数和供热系数只取决于高温热源和低温热源的温度，与工质无关。2.提高T2，降低T1，可以使制冷系数和供热系数提高。3.供热系数总是大于1，制冷系数可以大于、等于、小于1。4.逆卡诺循环可分别用来制冷或供热，也可以联合交替进行。第38页，共70页，2023年，2月20日，星期一三、卡诺定理

定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。

定理二：在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。四、卡诺循环及定理的意义1.给出了循环热效率的极限值，即2.指出了热机实现热功能转换的条件：必须具有两个或两个以上温度不同的热源。3.指出了提高热机热效率的根本途径，即提高热源的温度，降低冷源的温度，尽可能减少或降低不可逆因素的影响。第39页，共70页，2023年，2月20日，星期一第五节湿空气湿空气的性质一、湿空气的成分

干空气：空气中水蒸汽以外的所有气体。湿空气可以看作干空气和水蒸气的混合物。但由于湿空气中的水蒸气在一定条件下有相变，所以湿空气是一种特殊的理想混合气体。湿空气的总压力等于干空气和水蒸气的分压力之和，即：大气压力B＝pa＋pv二、饱和空气和未饱和空气饱和空气：由干空气和过热蒸汽组成的湿空气。

未饱和空气：由干空气和饱和水蒸汽组成的湿空气。露点：对应于水蒸气分压力的饱和温度，也是在含湿量不变的情况下使湿空气达到饱和时的温度，用td表示。三、绝对湿度和相对湿度绝对湿度：1m3湿空气中所含有的水蒸气质量，用ρv表示。

相对湿度：湿空气的绝对湿度ρv与同温度下饱和湿空气的饱和绝对湿度ρv的比值，用φ表示。φ愈小，表明湿空气愈干燥、吸取水蒸气的能力愈强。φ愈大，湿空气愈潮湿，吸取水蒸气的能力愈小。当φ＝0时，即为干空气；当φ＝1时，为饱和湿空气。第40页，共70页，2023年，2月20日，星期一四、含湿量

含湿量：在含有1kg干空气的湿空气中，所含有的水蒸气质量，用d表示。或总压力不变的情况下，一定的水蒸汽分压力对应着一定的含湿量。五、湿空气的焓

湿空气的比焓：含有1kg干空气的湿空气的焓值。

kJ/kg六、湿球温度

湿球温度：湿球纱布上的水与周围空气之间的温差达到某一稳定值时，水分蒸发的耗热量等于纱布上水从周围空气所获得的热量时，湿球表面形成很薄的饱和湿空气层，此时湿球温度计的读数称为湿球温度，用tw表示。干球温度、露点温度、湿球温度的相对大小：未饱和湿空气：td＜tw＜t饱和湿空气：td＝tw＝t第41页，共70页，2023年，2月20日，星期一湿空气的基本热力过程一、湿空气的焓湿图（h-d图）湿空气的焓湿图由五种线群构成：等含湿量（d）线群、等焓（h）线群、等温（干球温度t）线群、等相对湿度（φ）线群、水蒸气分压力（pv）线群、热湿比（ε）。作用：1.确定湿空气的状态参数；2.表示湿空气的状态变化过程。二、湿空气的基本热力过程1.加热过程：给湿空气加热，在此过程中，空气吸入热量，温度升高，相对湿度减小，含湿量不变，为等d过程，在h-d图上是一条垂直向上的直线。

2.冷却过程

（1）单纯冷却过程：湿空气降低温度，冷却后的温度高于湿空气的露点温度，湿空气的含湿量不变，为等d冷却过程。（2）析湿冷却过程：如果冷却后的温度低于湿空气的露点温度，则冷却过程中湿空气中水蒸气将会凝结析出，产生凝结水，湿空气的含湿量减小。

3.绝热加湿过程：在绝热条件下，向湿空气中加入水分，增加其含湿量的过程，可以通过在喷淋室中喷入循环水滴来实现。绝热加湿过程可以视为等焓过程。

4.绝热混合过程：通过几股不同状态的湿空气绝热混合，以得到温度和湿度符合要求的湿空气。第42页，共70页，2023年，2月20日，星期一第六节制冷循环空气压缩制冷循环一、装置和流程空气绝热膨胀时，压力下降，温度降低，空气压缩制冷利用空气的这一性质获得低温。装置由压缩机、冷库、膨胀机、冷却器组成。工作循环包括两个等压过程和两个等熵过程：1－2：空气在压缩机中耗功定熵压缩，升温升压；

2－3：空气在冷却器中定压放热，温度降低；

3－4：空气在膨胀机中定熵膨胀作功，降温降压；

4－1：空气在冷藏室中定压吸热，温度升高。二、制冷系数

排向冷却水或大气的热量q1＝h2－h3＝cp（T2－T3）制冷量（从冷库吸收的热量）：q2＝h1－h4＝cp（T1－T4）循环所耗净功量：w0＝q1－q2

制冷系数进一步得出:第43页，共70页，2023年，2月20日，星期一三、特点1.不能等温吸热、放热，制冷系数低；2.空气比热小，单位质量的工质制冷量小；3.应用有限，飞机空调中常用。蒸汽压缩制冷循环一、装置和流程1.主要装置：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等。

2.工作流程：由蒸发器出来的制冷剂的干饱和蒸汽被吸入压缩机，绝热压缩后成为过热蒸汽（过程1-2）。而后进入冷凝器，在等压下冷却（过程2-3）和等压等温下凝结成饱和液体（过程3-4）。饱和液体继而通过节流阀经绝热节流降压降温后变为低干度的湿蒸汽。绝热节流是不可逆过程，节流前后焓值相等，湿蒸汽被吸入冷库蒸发器中，在等压等温下吸热气化为干饱和蒸汽，从而完成一个循环。二、制冷系数制冷量：q2＝h1－h5＝h1－h4只有压缩机耗功，功量为：w0＝h2－h1

制冷系数

三、提高制冷系数的途径1.降低冷凝温度降低冷凝温度，可以使得压缩机耗功减少，制冷量增加，从而提高制冷系数。冷凝温度的高低完全取决于冷却介质的温度，在制冷装置中，冷却介质的温度不能随意降低，而是受到环境温度的限制。第44页，共70页，2023年，2月20日，星期一

2.提高蒸发温度提高蒸发温度，可以使得压缩机耗功减少，制冷量增加，从而提高制冷系数。蒸发温度主要由制冷要求确定，故在能满足需要的条件下，应尽可能采取较高的蒸发温度。3.将制冷剂过冷为提高蒸气压缩制冷循环的制冷系数，可将冷凝器中的制冷剂饱和液进一步冷却（液体的过冷），，再引入到节流阀中降压膨胀。这时循环的耗功量未变，而制冷量增加，从而提高了循坏的制冷系数。吸收式制冷循环一、工作原理以高沸点物质作溶剂（吸收剂），低沸点物质作溶质（制冷剂），溶质在溶剂中的溶解度会随温度变化。在制冷装置中利用溶液的这种特性，来取代对蒸汽的压缩过程，这样的制冷装置叫作吸收式制冷装置。此循环采用溶液为工质，如氨水溶液或溴化锂溶液。二、装置和流程吸收式制冷装置由蒸发器、节流阀、冷凝器、发生器、溶液泵、吸收器、减压阀组成。以氨-水吸收式制冷系统为例说明其工作流程。自冷凝器引出的氨饱和液体，在减压调节阀中节流减压降温，形成低干度的湿蒸气，并被送到蒸发器中定压吸热，成为干饱和蒸气，然后进人吸收器。同时有稀氨水溶液自氨蒸气发生器经节流阀减压后进入吸收器。稀氨水溶液将氨蒸气吸收而为浓氨水溶液。浓氨水溶液经溶液泵升压，进入氨蒸气发生器。利用外热源对浓溶液加热，蒸发出氨蒸气而成为稀溶液。氨蒸气进入到冷凝器中定压放热凝结成饱和液体而完成循环。第45页，共70页，2023年，2月20日，星期一第二部分传热学

第一节热量传递的三种基本方式基本要求(1)、掌握热量传递三种基本方式的物理概念、基本公式和基本特点。(2)、了解导热系数，对流换热表面传热系数的物理意义、单位，并初步掌握对流换热表面传热系数在不同情况下的数量级状况。(3)、理解复合换热的概念。基本知识点热传导（导热）、热对流和热辐射是热量传递的三种基本方式。热传导当物体各部分之间不发生相对位移的情况下，依靠分子、原子或自由电子等微观离子的热运动而产生的热量传递现象称为热传导，简称导热。实验证明，对于图1-1所示大平壁，单位时间内从表面1（温度为）传热到表面2（温度为，且）的热流量为

第46页，共70页，2023年，2月20日，星期一为导热系数，是表征材料导热能力的物性参数。单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度（或单位面积热流量），记为

热对流与对流换热流体中温度不同的各部分之间相对宏观位移引起的热量传递现象称为热对流。工程上经常遇到的是流体流过固体壁面的热量传递过程，称之为对流换热。当温度为的流体流过表面温度为第47页，共70页，2023年，2月20日，星期一典型条件下的表面传热系数范围见表1-1表1-1表面传热系数的数值范围过程a.自然对流空气1～10水200～1000b．强制对流气体20～100高压水蒸气500～3500水1000～15000c．水的相变换热沸腾2500～35000蒸汽凝结5000～25000热辐射与辐射换热物体因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。同一温度下黑体（一种理想物体）的辐射强度最高，黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩—玻儿慈曼定律（又称四次方定律）揭示

第48页，共70页，2023年，2月20日，星期一式中：为辐射表面积；为黑体表面的热力学温度；为斯忒藩—玻儿慈曼常量，即黑体辐射常量，其值为。实际物体表面的辐射热流量可表示为

为物体表面的发射率（又称黑度），物体不断的向周围空间发出热辐射能，同时不断吸收周围物体辐射到它上面的的热辐射能。这样，物体辐射和吸收的综合结果产生了物体间的辐射热量传递，称为辐射换热。温度分别为和的两无限接近的平行黑体平壁间的辐射换热量为：

（1-5）式中：为辐射换热面积。第49页，共70页，2023年，2月20日，星期一第二节导热基本定律及稳态导热基本要求（1）掌握导热基本定律——傅立叶定律的物理意义、数学表达式及其应用；（2）理解温度场、等温面及温度梯度的意义和特点；（3）掌握平壁、圆筒壁和等截面直肋等一维稳态导热问题的温度场和导热量求解计算；（4）了解导热系数的物理意义及影响导热系数的影响因素；（5）掌握热阻的概念及不同情况下导热热阻的分析和计算。基本知识点1、热基本定律一、温度场在某一瞬时（时刻），物体内各点的温度分布称为温度场。在直角坐标系中，其数学表达式为

（1-8a）物体空间各点温度不随时间变动的温度场称为稳态温度场，否则称为非稳态温度场。稳态温度场中温度仅在一个坐标方向（如方向）变化的称为一维稳态温度场，有

（1-8b）第50页，共70页，2023年，2月20日，星期一在同一瞬时，物体内温度相同的各点连成的面（或线）称为等温面（或等温线）。二、傅立叶定律——导热基本定律傅立叶定律是经验定律，它指出单位时间内通过单位面积的热量，即热流密度，正比于该处的温度梯度。数学表达式为导热系数导热系数定义式（1-10）导热系数是表征物质导热能力的物性参数，它与物质的种类、温度、密度等多种因素有关。各种物质的导热系数值相差很大，通常金属的导热系数最大。我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于材料称为保温材料，或绝热材料。第51页，共70页，2023年，2月20日，星期一2、一维稳态导热计算一、通过无限大平壁的稳态导热（a）单层平壁的稳态导热：对于厚度为、导热系数为常数的如图2-1的平壁，若平壁两侧面温度分别维持和，则根据傅立叶定律可导得其温度分布（温度场）为直线关系（1-11）导热热流密度和热流量为

（1-12a）

第52页，共70页，2023年，2月20日，星期一

（1-12b）式中：和分别为热阻和单位面积上的热阻。（b）多层平壁的稳态导热：工程实践中遇到的通常是多层平壁，应用热阻串联概念可得通过层平壁的热流密度为（1-13）第53页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、通过无限长圆筒壁的导热（a）单层圆筒壁：对于长度为、无内热源的内、外径分别为和的单层圆筒壁，如图2-2所示，若其内、外壁温度为和，导热系数为，则其温度分布为对数曲线导热热量为

第54页，共70页，2023年，2月20日，星期一单位管长的热流量，又称线热流量为

（1-16）（b）多层圆筒壁：对于多层圆筒壁和多层平壁一样，可以利用热阻串联原则得到导热热量为第55页，共70页，2023年，2月20日，星期一第三节对流换热对流换热对流换热是流体流过固体壁面时，由于两者温度不同所发生的热量传递过程，也是常见的热传递过程。基本要求（1）掌握牛顿冷却公式，了解影响对流换热的因素。（2）能理解流动边界层和热边界层的概念，以及它们之间的相互关系，并能分析对流换热微分方程中各物理量的意义。（3）理解特征数的物理内涵和特征数方程的意义。（4）掌握各种对流换热的换热特征，并能正确选用对流换热的特征数实验关联式进行对流换热的定量计算。基本知识点1、对流换热概述一、牛顿冷却定律对流换热以牛顿冷却公式为基本计算式，即表面传热系数，是反映对流换热强烈程度的物理量。显然，求取表面传热系数是对流换热研究的主要任务。二、表面传热系数的因素第56页，共70页，2023年，2月20日，星期一影响表面传热系数的因素较多，主要有：（a）流动的起因。按照引起流动的起因，可将对流换热分为强制对流换热和自然对流换热。一般而言，同样的流体前者比后者的表面传热系数大。（b）流动的速度与流态。流体流速增加，对流换热热阻减小，表面传热系数增加。紊流时由于流体微团的相互掺混而较层流时的对流换热表面传热系数大。（c）流体有无相变。有相变时的对流换热比无相变时的强烈，故前者表面传热系数大。（d）换热面的几何形状、大小和位置。流体沿壁面流动时，壁面的几何形状、大小和位置等对流体有很大影响，从而也影响了对流换热。（e）流体的热物理性质。流体的热物理性质对于对流换热有很大影响。综上，影响对流换热表面传热系数的主要因素，可定性的用函数形式表示为

三、流动边界层和热边界层流动边界层：当粘性流体流经固体壁面时，粘性使靠近固体表面附近的流体形成一流速逐渐降低的薄层，直至紧贴表面时流体速度为0.这一薄层称为流动边界层或速度边界层，如图2-24所示。通常规定达到主流速度的处的距离为边界层厚度。它正比于流动的距离和流体粘性，反比于流体的流速。流动边界层按流态分为层流边界层和紊流边界层，在紊流边界层内紧贴壁面有一极薄的层流底层。第57页，共70页，2023年，2月20日，星期一（b）热边界层：在温度是的流体流过表面温度是的固体表面时如图2-25所示，在紧贴壁面的一层流体中温度由的壁面温度变化到流体主流温度这一温度剧烈变化的薄层称为热边界层或温度边界层。一般将流体过余温度等于主流过余温度第58页，共70页，2023年，2月20日，星期一作为热边界层的厚度，用表示。（4）换热微分方程式：对热边界层的分析说明，流体与固体表面之间的对流换热量都必须穿过紧贴壁面的速度为的流体层，穿过此层的热量传递几乎完全依靠导热。将傅立叶定律应用于此贴壁层，并联立牛顿冷却公式后，可得局部换热表面传热系数为

称为对流换热微分方程。它是进行对流换热理论求解的基本方程之一。（5）特征数及特征数方程第59页，共70页，2023年，2月20日，星期一工程上实用的表面传热系数的各种计算公式，主要是通过实验得到的。实验是将式（2-36）中表面传热系数与众多影响因子的关系综合成数量不多的无量纲特征数之间的函数关系式，称之为特征数方程。各个特征数有其特定的物理意义和内涵。对流换热所涉及的特征数主要有：努塞尔数标志对流换热的相对强弱程度；雷诺数表征流体在强制对流时，惯性力和粘性力的相对大小；

普朗特数反映流体动量扩散能力与热扩散能力相对大小；格拉晓夫数反映自然对流换热过程中浮力与粘性力的大小。特征数习惯上称为准则数或准则，故特征数方程也称准则方程式或特征数关联式。特征数中用以确定其物性参数的温度称为定性温度，包含在特征数中具有代表性的尺度称为特征长度。第60页，共70页，2023年，2月20日，星期一第四节辐射换热辐射换热是通过热辐射进行热量交换的一种方式，在工程中占有重要的地位。基本要求（1）正确理解热辐射的本质，掌握有关辐射的概念：黑体，灰体，吸收比，发射率，有效辐射等。（2）掌握热辐射的主要基本定律：斯忒藩——玻耳兹曼定律和基尔霍夫定律。（3）理解角系数的物理意义和特征，能用代数和图线法计算工程上常见的角系数；（4）掌握网络法计算两个以长灰体构成的封闭系统的热辐射。基本知识一、热辐射的基本概念（1）热辐射由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。工程上热辐射的大部分能量集中在的红外线区，因此工程上的热辐射可以看作是红外辐射。辐射换热：物体之间相互辐射和吸收辐射能的总效果。（2）物体表面的吸收、反射和穿透物体对投放到表面的辐射能吸收的百分数称为吸收比a，反射的百分数称为反射比，穿透的百分数称为穿透比。显然有固体和液体对辐射不能穿透，，因此固体和液体的辐射是表面辐射。

的物体称为绝对黑体或黑体，它是一种理想物体。第61页，共70页，2023年，2月20日，星期一由基耳霍夫定律可得以下结论：a、因为所有物体的吸收比总小于1，故同温度下黑体的辐射力最大；b、在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对黑体辐射的吸收比等于同温下的发射率，即：（3）灰体a、光谱吸收比：物体对特定波长辐射能的吸收比称为光谱吸收比用表示。b、灰体：把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体，即对于灰体

常数

常数c、体的性质：第62页，共70页，2023年，2月20日，星期一重点与难点一、热辐射与辐射换热辐射换热是物体与周围物体相互进行热辐射和吸收的总效果。辐射换热与导热和对流换热的一个重要区别是，当热量传递以辐射方式进行时，两物体间可以没有物质，处于真空，且处于真空效果更好，但导热和对流换热的发生均离不开物质。另一区别是，热辐射和辐射换热过程发生了能量形式的转换：热辐射时物体内部的热量转化成辐射能，辐射能被物体吸收被转化为热能。热辐射能是一种电磁波，它与可见光等产生的电磁波无本质区别，也有吸收、穿透和反射性能。对于大多数固体和液体材料，辐射能的发射与吸收仅在表面进行，因而这类辐射能的传递称为表面辐射。我们仅讨论表面辐射。辐射能投射到物体表面上时，由于表面情况不同而会出现和可见光一样的镜面辐射和漫反射，它取决于投入辐射的波长与表面粗糙度之间的相对大小。当物体表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，会形成镜面反射。当表面的表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射，工程中的物体表面大多数可作为漫反射表面。2.黑体与黑体辐射黑体与热力学中的理想气体一样是从实际物体抽象出来的理想气体。正像理想气体在热力学中的研究中所起的重要作用一样，黑体在热辐射和辐射换热中占有重要地位。在建立了黑体的模型后，我们处理实际物体辐射换热的思路是：先讨论研究黑体的热辐射和辐射换热，然后找出实际物体与黑体辐射的偏差，在提出灰体概念的基础上，利用有效辐射解决实际物体（灰体）间的辐射换热。工程上没有绝对黑体，在实验室中可以造出十分接近黑体的模型。要注意的是：模型空腔温度是均匀的，具有黑体辐射特性的是模型上的小孔，而不是腔壁。黑体辐射的基本定律是斯忒藩——玻尔兹曼定律。它的数学表达式比较简单，为第63页，共70页，2023年，2月20日，星期一3.夫定律与灰体黑体与黑体辐射是实际物体辐射换热研究的基础。对于实际物体的热辐射和辐射换热，主要解决两个问题：一是辐射力的大小如何确定；一个是外界投入它表面上的辐射能如何吸收，吸收比为多大。（1）实际物体的辐射力E实际物体的辐射力E小于同温下黑体的辐射力，这一点不但由实验得到了证明，而且可以丛基尔霍夫定律得出。根据基尔霍夫定律有

从而说明实际物体的辐射力E小于同温下黑体的辐射力。为此，定义一表征实际物体辐射力大小的物理量——发射率又称黑度显然，且只要有了值（由实验测定），便可依据下式求出实际物体的辐射力应当说明的是，实际物体的辐射力并不严格正比于温度的四次方，例如金属的方次一般大于4。但实际计算中仍取次方为4，而把其它所有复杂因素都归入到发射率中去。（2）基尔霍夫定律实际物体的发射率可以通过实验来确定，那么实际物体的吸收比如何定呢？对于黑体而言，黑体的发射率和吸收比均为1，即吸收比等于发射率。实际物体对辐射能的吸收很复杂，吸收比取决于两方面因素：一是物体本身的特性，即物体的种类、表面温度和状态情况等，二是投入辐射的性质。第64页，共70页，2023年，2月20日，星期一实际物体对投入辐射能不同波长的吸收是有选择性的。为此，吸入了光谱吸收比的概念，它是物体对某一特定波长的辐射能吸收的百分数。图2-44显示了某钟物体在室温条件下的光谱吸收比随波长变化的情况。世上万物之所以呈现出五彩缤纷的颜色，主要原因在于物体表面对可见光的吸收和反射的选择性。然而，光谱吸收随波长变化的特性，还与投射到表