热工基础(正式)

热力学+传热学=热科学

系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。

关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。水，M220oC铁块,M1300oC热工基础热力学传热学：工程热力学工程热力学是研究热能与其他形式的能量（尤其是机械能）之间相互转换规律的一门学科。自然界中的许多现象都与热能的传递与转化有关，而且几乎任何一种形式的能量最终都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中因此研究热能的传递、转换与控制的工程热力学是大多数工科专业的一门重要的技术基础课程。主要内容：热力学基本概念、热力学三大定律。热力学第零定律，确定了状态函数——温度；

热力学第一定律，确定了状态函数——内能（焓）

热力学第二定律，确定了状态函数——热温比（熵）热力学第三定律，理论证明存在——绝对零度（0k）热力学三大定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称做《热力学第零定律》。热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。它为建立温度概念提供了实验基础。

热力学第零定律表明，一切互为热平衡的系统具有一个数值上相等的共同的宏观性质──温度。温度计测定物体温度正是依据这个原理。热力学第零定律热力学第一定律在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q，与环境交换的功为W，可得热力学能（亦称内能或焓）的变化为ΔU=Q+W

一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。热力学第一定律是对能量守恒定律的一种表述方式。

卡诺（法国物理学家）看到从英国进口的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。他独辟蹊径，从理论上对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律；卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机——卡诺可逆热机，提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。卡诺指出了热机工作过程中最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；法国物理学家卡诺焦耳

英国杰出的物理学家这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。焦耳用了近40年的时间，先后用不同的方法做了400多次实验，不懈地钻研和测定了热功当量。他得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。公认值是427千克重·米每千卡。自然界的能量是守恒的，哪里消耗了能，总在另外地方得到相当的热。人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。有人曾设想，地球表面有10亿立方千米的海水，以它作单一热源，若把海水温度降低0.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。它并不违反热力学第一定律，但却违反第二定律。热力学第二定律热力学第二定律第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向。人们就用态函数熵来描述这个差异。熵：常指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。鲁道夫·克劳修斯

1850年，克劳修斯首次提出熵的概念。它用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。可逆绝热过程Sf=Si

不可逆绝热过程Sf>SiSf和Si分别为系统的最终熵和最初熵。熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是熵增原理。热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，热力学第三定律发现者德国物理化学家能斯特当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。第三定律只能应用于稳定平衡状态，因此也不能将物质看做是理想气体，绝对零度不可达到。理想气体实际并不存在，在现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。热力学第三定律三、理想气体的状态方程Pam3

kg气体常数：J/(kg.K)K

按理想气体状态方程求空气在表列温度、压力条件下的密度v，并与实测值比较。已知空气气体常数Rg=287.06J/(kg·K)解：R=mRg=8.3145J/(mol.K)3.状态坐标图坐标图上每一点代表一个平衡状态；坐标图上每一条线代表一个准平衡过程；1、平衡状态

一个热力系统，在不受外界影响的条件下（与外界隔绝一切联系）或处在不变的外界条件下（外界的压力、温度保持不变）经过一定时间后，系统的宏观状态保持均匀一致，不随时间而改变，这样热力系统处于热力平衡状态。三、系统热力状态

16

1、系统本身未达到平衡状态，系统就会由不平衡状态趋向平衡状态

；2、准平衡过程（可用连续实线表示）2、当系统本身已处于平衡状态，这时系统状态的变化必须在外界功和热的作用下才能发生，促使向新的状态变化。17

3、

可逆过程

当完成某一过程之后，如果有可能使工质沿相同的途径返回复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界也恢复到原来状态而在外界不留下任何变化的过程，称为可逆过程。

若摩擦等耗散效应，不满足上述条件的过程为不可逆过程：如果系统经历了一个过程后，系统可沿原过程的路线反向进行，回复到原状态，不在外界留下任何影响，则该过程称为可逆过程。正向运动（膨胀）时，吸收热源的热量，所作膨胀功除去用于排斥大气外，全部储存在飞轮的动能中。反向运动（压缩）时，利用飞轮的动能来推动活塞逆行，压缩工质所消耗的功恰与膨胀功相等。若无摩擦等耗散效应同时压缩过程中质向热源所排热量也恰与膨胀时所吸收的热量相等。3.1可逆过程中的功压容图上过程线的下面积表示膨胀功20

温熵图上过程线下面积表示热量3.2可逆过程中的热单位质量：工程热力学上约定：工质从外界吸热，热量为正；工质向外界放热，热量为负。热与功的异同：

1.都是通过边界传递的能量；

3.功传递由压力差推动，比容变化是作功标志；

热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；

4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的

能量；

热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。

2.都是过程量；正向循环的目的是输出功，如发电厂的蒸汽循环输出电力，故又称动力循环。可逆正向循环过程以顺时针方向进行，膨胀过程线在压缩过程线上方循环中工质膨胀对外作功大于外界压缩工质作功，工质吸热量大于放热量。据循环的热力学特征，可把循环分为正向循环和逆向循环。具体应用逆向循环是把热量由低温系统传向高温系统．以逆时针方向进行，压缩过程线在膨胀过程线上方循环中工质放热量大于吸热量，外界压缩工质作功大于工质膨胀对外作功排向高温热源的热量加热的热泵，热泵空调排出低温冷库热量，保持冷库制冷实例：锅炉—产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）汽轮机—将蒸汽的热能转换为机械能冷凝器—将乏汽冷凝成水水泵—使得工作介质循环（保证系统内部的高压）工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械能的任务25

说明1、热力系统三要素：高温热源＋工质＋低温热源2、系统与外界的人为性；

3、边界可以是：

a）刚性的或可变形的或有弹性的

b）固定的或可移动的

c）实际的或虚拟的

1.工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质对工质的要求:

物质三态中

气态最适宜。

1）膨胀性;

2）流动性

3）热容量

4）稳定性，安全性

5）对环境友善

6）价廉，易大量获取27

2.热源(heatsource;heatreservoir)

定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。高温热源（热源--

heat

source

）低温热源（冷源—heat

sink）恒温热源(constant

heat

reservoir)

变温热源28

3.热能动力装置(Thermalpowerplant)定义：从燃料燃烧中获得热能并利用热能得到动力的整套设备。内燃机

燃气轮机喷气发动机

传热学

（HeatTransfer）第一章概述

1.传热学（HeatTransfer）

(1)

研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法

(2)

热量传递过程的推动力：温差热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源

有温差就会有传热温差是热量传递的推动力

工程热力学和工程传热学的区别

（以换热器为例）换热量=质量流量X进出口温差X比热这个是《工程热力学》问题换热量=换热系数X平均温差X换热面积这个是《传热学》问题工程热力学主要着重于系统整体状态变化，研究一个过程发生的始末，而不关注中间过程。传热学则关注热量具体是如何传递的，研究导热，对流和辐射。3传热学应用实例

自然界与生产过程到处存在温差

传热很普遍

b夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？c北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？(1)日常生活中的例子：a人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？(2)特别是在下列技术领域存在传热问题a航空航天：高温叶片冷却；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；

b微电子：电子芯片冷却c生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存d军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e新能源：太阳能；燃料电池3、传热学发展简史传导换热（Convectionheattransfer）钻炮筒大量发热的实验（B.T.Rumford,1798年）两块冰摩擦生热化为水的实验（H.Davy,1799年）导热热量和温差及壁厚的关系（J.Biot,1804年）对流换热（Convectionheattransfer）不可压缩流动方程（M.Navier,1823年)流体流动Navier-Stokes基本方程(G.G.Stokes,1845年）雷诺数(O.Reynolds,1880年）自然对流的理论解（L.Lorentz,1881年）管内换热的理论解（L.Graetz,1885年）热边界层概念（E.Pohlhausen,1921年）热辐射及辐射换热(Thermalradiation)黑体辐射能量和温度的关系(J.Stefan）黑体辐射光谱能量分布的公式维恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff）物体间辐射换热的计算方法（波略克，1935年)3、传热学发展简史§1-1热量传递的三种基本方式1导热（热传导）(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：a必须有温差；b物体直接接触；c依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。(4)导热的基本定律：

上式称为导热基本定律，是一个一维稳态导热。

1822年，法国数学家傅立叶导出

：热流量，单位时间传递的热量[W]；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；

：导热系数（热导率）[W/(mK)]。一维稳态平板内导热t0

x

dxdtQq：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；(6)一维稳态导热及其导热热阻

(5)导热系数

表征材料导热能力的大小，是一种物质性质参数，与材料种类和温度关。t0

x

dxdtQ稳态

q=常数，于是积分傅立叶定律有：Q图1-3导热热阻的图示

t0

x

dxdtQ导热热阻单位导热热阻例题1-1一块厚度δ=50mm的平板，两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。材料为铜，λ=375w/(mK);材料为钢，λ=36.4

w/(mK);材料为铬砖，λ=2.32

w/(mK)；材料为铬藻土砖，λ=0.242

w/(mK)。

铬砖：硅藻土砖：铜：钢：由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比硅藻土砖的导热量大三个数量级。可见铜是热的良导体，而硅藻土砖则有较强隔热作用定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。2对流（热对流）(Convection)(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：

a导热与热对流同时存在的复杂热传递过程

b必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差

c壁面处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的分类无相变：强迫对流和自然对流有相变：沸腾换热和凝结换热(4)对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式h—

表面传热系数

—热流量[W]，单位时间传递的热量q—热流密度A—与流体接触的壁面面积—固体壁表面温度—流体温度当流体与壁面温度相差一度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等(5)对流换热系数(表面传热系数)对流换热热阻单位面积对流换热热阻(1)

定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3热辐射(Thermalradiation)(2)

特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。(3)生活中的例子：

a当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；

b冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；

c太阳能传递到地面

d冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能结冰。(5)辐射换热的特点a

不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量b

在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能c

无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温(6)辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律(7)黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强黑体辐射的控制方程：

Stefan-Boltzmann定律

，

，真实物体则为：

（9）

两黑体表面间的辐射换热

例题1-2一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42W/(m2K),

保温层外表面的发射率问：（1）此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为近似地取管道的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：讨论：计算结果表明，对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热二、传热过程1传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热2传热过程包含的传热方式：辐射换热对流换热热传导墙壁的散热3一维稳态传热过程中的热量传递图1－9一维稳态传热过程忽略热辐射换热固体的导热热阻右侧对流换热热阻左侧对流换热热阻上面传热过程中传递的热量为：传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。

传热系数单位热阻或面积热阻一、

k越大，传热越好。若要增大k，可增大三、

h1、h2的计算方法及增加k值的措施是《传热学》

的重要内容二、

非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法本章小结：(1)导热

Fourier定律：

(2)对流换热

Newton冷却公式：

(3)热辐射

Stenfan-Boltzmann定律：

(4)传热过程

第二章导热基本定律及稳态导热§2-1导热基本定律一、温度场（Temperaturefield）

某时刻空间所有各点温度分布的总称温度场是时间和空间的函数，即：稳态温度场Steady-stateconduction）非稳态温度场（Transientconduction）等温面与等温线(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交●等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面●等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇等温面与等温线的特点：(2)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上物体的温度场通常用等温面或等温线表示等温面上没有温差，不会有热量传递温度梯度

(Temperaturegradient）不同的等温面之间，有温差，有热量传递温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量与法向

距离比值的极限，gradt直角坐标系：（Cartesiancoordinates）注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向热流密度矢量热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量；直角坐标系中：热流密度矢量：等温面上某点，以通过该点处最大热流密度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度不同方向上的热流密度的大小不同（Heatflux）二、导热基本定律(Fourier’slaw）1822年，法国数学家傅里叶（Fourier）在实验研究基础上，发现导热基本规律——傅里叶定律导热基本定律：垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反热导率（导热系数）直角坐标系中：注：傅里叶定律只适用于各向同性材料

各向同性材料：热导率在各个方向是相同的（Thermalconductivity）有些天然和人造材料，如：石英、木材、叠层塑料板、叠层金属板，其导热系数随方向而变化——各向异性材料各向异性材料中：三、热导率（Thermalconductivity）热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量

—物质的重要热物性参数影响热导率的因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定不同物质热导率的差异：构造差别、导热机理不同1、气体的热导率气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递气体分子运动理论：常温常压下气体热导率可表示为：除非压力很低或很高，在2.67*10-3MPa~2.0*103MPa范围内，气体的热导率基本不随压力变化：气体分子运动的均方根速度气体的温度升高时：气体分子运动速度和定容比热随T升高而增大。气体的热导率随温度升高而增大：气体分子在两次碰撞间平均自由行程：气体的密度；：气体的定容比热气体的压力升高时：气体的密度增大、平均自由行程减小、而两者的乘积保持不变。混合气体热导率不能用部分求和的方法求；只能靠实验测定分子质量小的气体（H2、He）热导率较大—分子运动速度高2、液体的热导率液体的导热：主要依靠晶格的振动晶格：理想的晶体中分子在无限大空间里排列成周期性点阵，即所谓晶格大多数液体（分子量M不变）：水和甘油等强缔合液体，分子量变化，并随温度而变化。在不同温度下，热导率随温度的变化规律不一样液体的热导率随压力p的升高而增大3、固体的热导率纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动主要依靠前者金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：(1)金属的热导率：—晶格振动的加强干扰自由电子运动合金：金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性，干扰自由电子的运动金属的加工过程也会造成晶格的缺陷合金的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要依靠后者温度升高、晶格振动加强、导热增强如常温下：黄铜：70%Cu,30%Zn非金属的导热：依靠晶格的振动传递热量；比较小建筑隔热保温材料：(2)非金属的热导率：大多数建筑材料和绝热材料具有多孔或纤维结构多孔材料的热导率与密度和湿度有关保温材料：国家标准规定，温度低于350度时热导率小于

0.12W/(mK)的材料（绝热材料）§2-2导热微分方程式（HeatDiffusionEquation）确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务傅里叶定律：确定热流密度的大小，应知道物体内的温度场:理论基础：傅里叶定律+热力学第一定律假设：(1)所研究的物体是各向同性的连续介质

(2)热导率、比热容和密度均为已知

(3)物体内具有内热源；强度qv[W/m3];

内热源均匀分布；qv

表示单位体积的导热

体在单位时间内放出的热量化学反应发射药熔化过程一、导热微分方程式在导热体中取一微元体热力学第一定律：

d

时间内微元体中：[导入