清华大学热工基础课件工程热力学加传热学期末复习

清华大学热工基础课件清华大学热工基础课件涵盖热力学、传热学、流体力学等基础知识，并结合工程应用，为学生提供扎实的热工基础知识和实践能力。工程热力学及传热学期末复习本课程涵盖工程热力学和传热学两部分内容，旨在帮助学生掌握热力学和传热学的基础理论和基本方法，并能应用于实际工程问题中。第一章热力学基础热力学是研究能量转换和传递规律的学科，是工程热力学的基础。本章将介绍热力学的基本概念、定律和应用，为后续学习工程热力学打下基础。热力学的基本概念能量守恒热力学第一定律描述了能量守恒原理，能量不会凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种形式。熵增加热力学第二定律描述了熵增加原理，孤立系统中的熵总是倾向于增加，表明系统的混乱程度会不断增加。热力学温度热力学温度是热力学系统中描述热量传递方向和程度的物理量，以开尔文(K)为单位。热力学系统和状态量孤立系统与外界没有能量和物质交换，例如一个完全封闭的容器。封闭系统仅与外界进行能量交换，例如一个带有活塞的封闭容器。开放系统与外界既进行能量交换，也进行物质交换，例如一个锅炉。系统状态量是指描述系统状态的物理量，如温度、压强、体积等。热力学第零定律1热平衡两个物体相互接触，达到热平衡状态，它们的温度相同。2温度计原理温度计测量温度，依靠热平衡原理，与被测物体达到热平衡，测得温度。3热力学系统的基本概念热力学第零定律是热力学的基础，定义了温度，并为热力学其他定律奠定了基础。第一定律能量守恒热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现形式。在热力学系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式。热力学定律热力学第一定律是热力学三大定律之一，也是物理学的基本定律之一。它揭示了热量与功之间的关系，为我们理解能量转换提供了理论基础。第二定律热力学第二定律热力学第二定律指出，热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，或者说，热量只能从高温物体传递到低温物体，而不可能反过来。热力学第二定律的表述第二定律可以用不同的形式表述，例如克劳修斯表述、开尔文表述、普朗克表述等，这些表述都是等价的。第二定律的意义热力学第二定律是热力学中最基本、最重要的定律之一，它深刻揭示了能量转换和利用的方向和规律，对自然界和人类社会有着重要的意义。熵的概念不可逆性熵是描述热力学系统混乱程度的物理量，它表明系统在能量传递过程中不可避免地会存在能量损耗，导致系统混乱程度增加。能量散失熵增加表示能量在传递过程中不可避免地会转化为低级形式的能量，例如热量，导致能量可用性降低，无法完全回收利用。随机性熵也反映了系统微观粒子的运动状态的随机性，熵增加意味着系统的随机性增加，粒子运动更加混乱无序。熵变计算1定义熵变是系统熵的改变量，表示系统混乱度的变化。2可逆过程可逆过程的熵变等于热量变化除以温度。3不可逆过程不可逆过程的熵变大于热量变化除以温度。4应用熵变计算可用于分析热力学过程的效率和可行性。理想气体状态方程定义和公式理想气体状态方程描述了理想气体的压力、体积、温度和摩尔数之间的关系。公式为：PV=nRT，其中P是压力，V是体积，n是摩尔数，R是理想气体常数，T是温度。应用范围该方程广泛应用于热力学和化学领域，用于计算理想气体的性质和行为。在工程应用中，例如发动机设计、燃料燃烧和制冷系统，该方程至关重要。理想气体的热力学过程等温过程温度保持不变，气体体积与压力成反比关系。等压过程压力保持不变，气体体积与温度成正比关系。等容过程体积保持不变，气体温度与压力成正比关系。绝热过程没有热量交换，气体温度变化与体积变化相关。第二章流体力学基础流体力学是研究流体（液体和气体）的力学行为的学科。流体是一种特殊的物质状态，其在外力作用下可以流动，并呈现出不同的运动形式。流体的基本概念流体定义流体是指在剪切应力下会发生连续变形的物质。流体可以分为液体和气体，它们没有固定的形状。压强流体内部任意一点上的压强是指单位面积上所受的垂直力。密度流体的密度是指单位体积的质量。粘度粘度是流体抵抗剪切变形的能力。高粘度流体流动缓慢，低粘度流体流动迅速。静止流体的压强静止流体中的压强是指流体内部各点受到的压力。静止流体的压强具有以下特点：1方向各个方向的压强都相等2深度深度越深，压强越大3密度密度越大，压强越大流体流动的基本方程1质量守恒控制体积内质量守恒2动量守恒控制体积内动量守恒3能量守恒控制体积内能量守恒流体流动基本方程是建立在流体质量、动量和能量守恒定律的基础上的。这些方程描述了流体在各种条件下的运动规律，并为我们理解和预测流体流动现象提供理论依据。伯努利方程能量守恒伯努利方程是流体动力学中描述流体能量守恒的基本方程。应用场景广泛应用于水利工程、航空航天、机械制造等领域，用于分析流体运动、计算流体压力、速度等参数。核心原理将流体动能、势能和压力能总和表示成常数，体现了流体能量在不同形式之间转换的规律。层流与湍流1层流流体质点沿平滑路径流动，无横向混合。2湍流流体质点沿不规则路径流动，有横向混合。3雷诺数区分层流和湍流的无量纲数，表示惯性力与粘性力之比。4湍流的应用在许多工业过程中，例如管道流、风力涡轮机等，湍流起着至关重要的作用。流阻及其计算1流阻的概念流阻是指流体在流动过程中遇到的阻力，会导致能量损失。2流阻的分类流阻可分为摩擦阻力和局部阻力，前者指流体与管壁之间的摩擦，后者指流体流动方向突变引起的阻力。3流阻计算常用的流阻计算方法包括达西-魏斯巴赫公式和谢齐公式，用于计算摩擦阻力，而局部阻力则需要根据具体的流道形状和流动情况进行计算。第三章对流换热对流换热是热量通过流体运动而传递的一种方式，主要分为自然对流和强制对流。对流热传递基本定律傅里叶定律描述热量在固体中的传导速率，与材料热导率、温度梯度和传热面积成正比。牛顿冷却定律描述对流热传递速率，与流体热传递系数、温差和传热面积成正比。对流换热系数衡量对流换热效率的关键参数，取决于流体的性质、流速和传热表面形状。自然对流热气球热气球利用热空气比冷空气密度小的原理，通过热气球内的热空气上升。热气球的上升速度由热空气与周围冷空气的温差决定。暖气片暖气片通过散热，使周围空气温度升高，热空气向上流动，冷空气向下流动，形成对流循环。强制对流定义流体受外力驱动，例如风机或泵，从而导致流体流动并与固体表面进行热交换，这被称为强制对流。这是工程应用中常见的传热模式，例如，风冷机和散热器利用强制对流来提高效率。影响因素强制对流的传热速率受多种因素的影响，包括流体速度、流体性质、表面几何形状和流体与表面的温差。流体速度越高，传热速率越高。流体的粘度和热导率也会影响传热速率。边界层理论流体流动流体在固体表面附近流动时，速度变化显著。边界层形成边界层是流体速度梯度最大的区域，分为层流边界层和湍流边界层。换热影响边界层厚度直接影响对流换热系数，对传热过程至关重要。无量纲数和相似理论11.无量纲数无量纲数是物理量之间的比值，可以消除量纲的影响，使不同尺度或条件下的实验结果可以相互比较。22.相似性原理相似性原理是指当两个系统满足某些无量纲数相等时，这两个系统就具有相似性，可以相互比较。33.应用在热工领域，相似性原理被广泛应用于模型实验，例如风洞实验、水力模型实验等。44.重要性相似性原理可以帮助我们用小型模型来模拟实际工程问题，从而节约成本、缩短研究周期。传热设备换热计算1确定换热面积计算传热量所需面积2确定传热系数基于传热方式和流体性质3换热量计算利用换热公式计算传热量传热设备换热计算是工程热力学的重要组成部分，用于确定传热设备的性能和尺寸。计算步骤包括：确定换热面积、确定传热系数、换热量计算。每个步骤都需要根据具体情况进行分析计算，并结合实际情况进行优化设计。第四章热辐射热辐射是物体由于其温度而发射的电磁辐射，是热传递的三种基本方式之一。热辐射与物体温度、表面特性以及周围环境温度有关。黑体辐射定律热力学概念黑体指完全吸收所有入射辐射的理想物体，没有反射或透射。普朗克定律普朗克定律描述了黑体辐射能谱随温度和波长的变化关系，奠定了量子物理学的基础。斯特藩-玻耳兹曼定律斯特藩-玻耳兹曼定律描述了黑体辐射的总能量与温度的四次方成正比。维恩位移定律维恩位移定律指出黑体辐射能谱峰值波长与温度成反比，解释了物体的颜色随温度的变化。实际辐射体11.黑度黑度是指实际辐射体在特定温度下辐射能量的能力与黑体在相同温度下辐射能量的能力之比。它的数值介于0到1之间，1代表黑体，0代表完全不辐射能量的物体。22.灰体灰体是指黑度不随波长变化的辐射体，即在所有波长范围内都具有相同的黑度。实际生活中，许多物体可以近似看作灰体，如金属表面、涂料等。33.选择性辐射体选择性辐射体是指黑度随波长变化的辐射体，它们对不同波长的辐射能量吸收和发射能力不同。44.辐射系数辐射系数描述了实际辐射体在特定温度下向某一特定方向发射辐射能的能力，其值介于0到1之间。热辐射换热辐射热量物体之间的辐射换热是指由于温度差而产生的热量传递。热辐射换热物体之间的热量传递是通过电磁波形式进行的，而非直接接触。热辐射系数物体对热辐射能量的吸收、发射和反射能力。复习要点总结重点章节工程热力学和传热是课程的核心内