《热工学绪论》课件

热工学绪论热工学是一门研究热能利用和热量传递的学科。它涉及热力学、传热学和流体力学等多个领域，应用于各种工程领域，例如电力、化工、冶金等。PK投稿人：PiepoKris热工学的定义和研究内容11.定义热工学是研究热能的产生、转换、传输和利用的科学，它涵盖了热力学、传热学和热工设备等领域。22.研究内容热工学主要研究热量的传递、热力学过程、热能的利用、以及与之相关的各种设备和技术。33.研究目标提高热能利用效率、减少热能损失、开发新型热能利用技术，以促进节能减排和可持续发展。44.应用领域热工学在能源、化工、机械、建筑、航空航天等各个领域都有着广泛的应用。热工学的发展历程1古代热工学的萌芽最早可以追溯到古代，例如蒸汽浴和水车等218世纪热力学基本定律的建立，为热工学的发展奠定了理论基础319世纪热工学开始应用于工业生产，推动了蒸汽机和内燃机的发明420世纪热工学不断发展，出现了各种新型的热机和热工设备现代热工学研究涵盖了热能利用、燃烧学、传热学、热力学等多个领域热量和温度的概念温度温度是物体冷热程度的表征，是物质分子热运动剧烈程度的反映。温度是一个状态量，它决定了热量传递的方向。热量热量是能量的一种形式，是物体内部分子热运动能量的总和。热量是一个过程量，它表示在热传递过程中能量的传递量。温标及其转换温标是用来度量温度的标尺，常用的温标有摄氏温标(°C)、华氏温标(°F)和开氏温标(K)。摄氏温标是目前世界上使用最广泛的温标之一，以水的冰点为0度，沸点为100度。华氏温标主要用于美国和一些英联邦国家，以水的冰点为32度，沸点为212度。开氏温标是热力学温标，以绝对零度为起点，绝对零度是指理论上的最低温度，约为-273.15℃。冰点沸点不同温标之间的转换可以通过公式进行计算，例如，摄氏温度转换为华氏温度的公式为：℉=℃×9/5+32开氏温度转换为摄氏温度的公式为：K=℃+273.15热量的传递方式热传导热量通过物体内部的分子热运动传递，温度高的物体将热量传递给温度低的物体。热对流热量通过流体（液体或气体）的宏观运动传递，温度高的流体将热量传递给温度低的流体。热辐射热量通过电磁波的形式传递，温度高的物体将热量辐射到周围空间，再被温度低的物体吸收。导热的基本定律傅里叶定律描述导热速率与材料的热导率、温度梯度和传热面积成正比。热导率材料的热导率表示其传热的能力，数值越高，传热能力越强。温度梯度导热发生在温度差存在的情况下，温度梯度越大，导热速率越快。传热面积传热面积越大，导热速率越高，这是因为热量可以通过更大的表面积进行传递。对流换热的基本特点流体运动对流换热发生在流体运动过程中，热量通过流体的流动进行传递。温度梯度对流换热需要流体之间存在温度差，才能促使热量从高温区域传递到低温区域。换热系数对流换热速率与换热系数成正比，换热系数取决于流体的性质、流速和换热面的形状。辐射热的基本规律黑体辐射黑体是指能够完全吸收所有入射辐射的物体，其辐射能量与其温度的四次方成正比，这称为斯特藩-玻耳兹曼定律。普朗克定律普朗克定律描述了黑体在不同波长下辐射能量的分布，它揭示了黑体辐射光谱与温度之间的关系。基尔霍夫定律基尔霍夫定律指出，在同一温度下，物体的辐射能力与其吸收能力成正比，这意味着吸收能力强的物体，其辐射能力也强。维恩位移定律维恩位移定律表明，黑体辐射光谱的峰值波长与温度成反比，即温度越高，峰值波长越短，光谱向短波方向移动。三种传热方式的相互关系1导热热量从温度较高的物体传递到温度较低的物体，或同一物体不同部位温度较高的部分传递到温度较低的部位的过程。2对流流体（液体或气体）的宏观运动所造成的热量传递过程。3辐射热量以电磁波的形式在真空中或透明介质中传递的过程。物质的三态变化固态固体具有固定形状和体积，分子紧密排列，不易压缩。液态液体具有固定体积，但形状可随容器变化，分子间距离大于固体。气态气体没有固定形状和体积，分子间距离最大，易压缩。相变物质在不同温度和压力下可以发生固态、液态和气态之间的相互转变。相变热的测定相变热是指物质在发生相变过程中吸收或放出的热量。相变热是物质的一种重要物理性质，在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。1熔化热固体熔化成液体时吸收的热量2汽化热液体汽化成气体时吸收的热量3凝固热液体凝固成固体时放出的热量4液化热气体液化成液体时放出的热量蒸汽的性质和状态参数11.温度温度是蒸汽的重要参数，决定其热能水平。22.压力压力反映了蒸汽的密度和热能，影响其流动和传热。33.比容比容是指单位质量蒸汽所占的体积，反映蒸汽的密度。44.焓焓是蒸汽的热力学性质，表示其内能和流动能的总和。气体的状态参数及其关系状态参数气体的状态参数包括压力、体积、温度和质量，它们描述了气体的物理状态。压力是指气体分子对容器壁的撞击力，体积是指气体所占据的空间。温度是指气体分子平均动能的量度，质量是指气体的总质量。参数关系气体的状态参数之间存在着密切的相互关系，这些关系可以用状态方程来描述。例如，在一定温度下，气体的压力与体积成反比，这就是著名的玻意耳定律。而查理定律则指出，在一定压力下，气体的体积与绝对温度成正比。理想气体状态方程理想气体理想气体是一种理论模型，它假设气体分子之间没有相互作用力，并且体积可以忽略不计。状态参数理想气体状态方程将气体的压力、体积和温度联系起来，描述了气体的状态变化。应用该方程在热力学、化学工程等领域有广泛应用，用于计算气体性质和进行热力学分析。热力学第一定律能量守恒定律热力学第一定律表明能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的应用。热力学体系热力学第一定律适用于任何热力学体系，包括封闭体系、开放体系和孤立体系。热力学第一定律是理解能量转化和利用的基础。热机的基本概念热机定义热机利用燃料燃烧产生的热能，转换为机械能的机器。热机类型常见热机类型包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机等。热机作用热机广泛应用于交通运输、工业生产、电力供应等领域。热机效率热机效率指热机将热能转换为机械能的比例。卡诺循环及其效率卡诺循环卡诺循环是理想化的热力学循环，由四个可逆过程组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。效率卡诺循环的效率仅取决于热源和冷源的温度差，与工作物质无关，其效率公式为：η=1-Tc/Th。应用卡诺循环是热力学理论的重要基础，可以帮助理解热机效率的理论极限，并为实际热机设计提供参考。热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律阐述了热能转化过程中的方向性，即热量总是自发地从高温物体流向低温物体，永动机不可能实现。熵增原理热力学第二定律还引入了熵的概念，熵是衡量系统混乱程度的物理量，熵增原理指出孤立系统的熵总是随着时间的推移而增加。热机效率热力学第二定律限制了热机效率，热机效率不可能达到100%，其效率取决于高温热源和低温热源的温度差。熵的定义及其物理意义混乱程度的量度熵是热力学系统混乱程度的量度，反映系统中分子无序排列的程度。热力学第二定律孤立系统的熵会随着时间的推移而增加，直到达到最大值，此时系统处于热力学平衡状态。不可逆过程熵增加原理解释了自然界中不可逆过程，如热量从高温物体流向低温物体。热机和制冷机的效率上限1卡诺循环效率卡诺循环效率是热机和制冷机效率的理论上限，它只取决于高温热源和低温热源的温度差。2实际效率实际热机和制冷机的效率总是低于卡诺循环效率，因为实际热力过程不可能完全可逆。3提高效率可以通过提高高温热源温度和降低低温热源温度来提高热机和制冷机的效率。4最大化效率实际应用中，要尽可能地接近卡诺循环效率，需要优化系统设计和工艺流程。热力学过程的各种特点可逆过程系统与外界没有能量损失，可以逆转。理想状态，实际不可实现。不可逆过程系统与外界存在能量损失，不可逆转，实际热力学过程皆为不可逆过程。绝热过程系统与外界没有热量交换，温度变化主要依靠做功。等温过程系统温度保持不变，热量变化主要依靠做功。可再生能源及其利用可再生能源的优势可再生能源是取之不尽用之不竭的，不会造成环境污染，是未来能源发展的主要方向。清洁环保可持续发展安全可靠可再生能源的利用目前，太阳能、风能、水能、地热能等可再生能源得到广泛应用。利用可再生能源可以减少化石燃料的消耗，降低温室气体排放。热机的分类及特点往复式热机往复式热机是最常见的热机类型，其工作原理是利用活塞的往复运动来实现能量转换。往复式热机主要包括汽油机、柴油机和蒸汽机等，其优点是结构简单，维护方便，缺点是效率相对较低，噪声较大。旋转式热机旋转式热机利用旋转部件来实现能量转换，主要包括燃气轮机和蒸汽轮机等。旋转式热机具有效率高、体积小、重量轻等优点，广泛应用于发电、航空等领域。其他类型热机除了往复式和旋转式热机之外，还有其他一些类型的热机，例如脉冲式热机、斯特林热机等。这些热机类型各有特点，在不同领域发挥着重要作用。锅炉和热机的基本结构锅炉是热机系统中的核心部件，它将燃料燃烧产生的热量传递给水，生成高温高压的蒸汽。锅炉的结构主要包括炉膛、燃烧室、锅筒、水冷壁等。热机是将热能转化为机械能的机器，其结构包括汽缸、活塞、曲柄连杆机构、冷却系统等。热机通过蒸汽推动活塞做功，从而带动其他机械设备工作。热量测量的基本方法温度计温度计是测量温度的仪器，温度计的种类很多，常见的有水银温度计、酒精温度计、热电偶温度计等。量热器量热器是测量热量的仪器，常用的是水量热器，通过测量水的温度变化来计算热量。热流传感器热流传感器是一种测量热流密度的仪器，它可以测量热量在单位时间内通过单位面积的热流量。热工仪表的基本原理11.感测原理热工仪表通常利用热电偶、热敏电阻等传感器，将温度、压力等物理量转换为电信号。22.信号转换将电信号放大、处理，并将其转换为易于观察和记录的信号形式，如指针指示、数字显示等。33.校准与精度为了保证测量结果的准确性，热工仪表需要经过校准，并具有相应的测量精度。热工实验的基本内容温度测量实验热电偶是常见的温度传感器，用于测量各种温度范围，需要了解热电偶的工作原理和选型。热量测量实验热流计用于测量热量传递的速率，需要掌握热流计的种类和使用方法。热工仪器校准实验热工仪器需要定期校准，以保证测量结果的准确性，实验包括压力表、流量计等仪器的校准。数据分析实验实验过程中需要收集大量数据，需要掌握数据处理方法，进行数据分析和处理。热工学在工程中的应用发电厂热力学原理在发电厂的各个环节发挥重要作用，如锅炉、汽轮机、冷凝器等。石油化工热工