基本概念及基本定律总复习.ppt

,第一节 基本概念,1、热力系统 被研究的对象。 在热力学中，为了分析问题的方便，人为地把研究对象从周围物体中分割出来，这种人为划定的一定范围内的研究对象称为“热力学系统”，简称为“热力系”或“系统”。 热力系统是由人为因素决定的。,第二章 基本概念及基本定律,闭口系统：与外界无物质交换的系统。 与外界只有能量交换而无物质交换。 (控制质量的系统) 开口系统：与外界有物质交换的系统。 与外界不仅有能量交换而又有物质交换。 (控制容积的系统) 绝热系统：系统与外界无热量交换的系统。 孤立系统：系统和外界无任何能量和物质交换的系统。 孤立系统一定是闭口系统，也一定是绝热系统 热力系统的研究范围是某控制体积 或某工作物质,2、状态参数,即：绝对温度、绝对压力、比体积、 热力学能、 焓、 熵,状态参数的数学特征：,例如：一个可逆循环后状态参数的变化值为,常用的六个状态参数：,3、温度、压力 温度：摄氏温度t（），绝对温度T（K） Tt273.15,大气压；,表压；,真空度,例：真空表读数30kpa，大气压力100kpa，容器内工质的压力：（）,压力：表压、绝对压力、大气压力,4、可逆过程 可逆过程：如果系统完成一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下如何变化。也可答：是没有耗散效应的准平衡过程。 可逆绝热过程：根据熵的定义，熵保持不变的过程。则可逆绝热过程即为等熵过程。,5、体积变化功： 气体体积增大时，克服外力作功，称为膨胀功； 气体体积经外力压缩而减小时，外力对气体作压缩功；膨胀功和压缩功通称为体积变化功。 热力学中规定：系统对外做功（膨胀功）为正值，外界对系统作功（压缩功）为负值。 绝热自由膨胀的特点（例题2-1及2-7）：体积增大、温度不变，系统对外不做功。,6、热能、热量区别 热能是系统储存能，取决于状态； 热量是系统与外界由于温差而交换的能量，是过程量 热力学中规定：系统吸热时热量去正值，系统对外放 热时取负值。,第二节 热力学第一定律,1、开口系统能量方程,或,基本能量方程式，适用于闭口系统的任何热力过程。,，,，,、,（可逆过程）,适用于理想气体可逆过程,或,适用理想气体任意过程（可逆、不可逆、准静态、多变）,（理想气体： ）,适用于理想气体可逆过程,2、稳定流动能量方程,流动过程中流体实现能量转换有三种方式： 1）热量交换2）轴功交换3）流体内部储存能（焓、宏观动能、宏观势能）的变化,适用条件：任何工质的流动过程,（理想气体、实际气体、可逆过程、不可逆过程、流动过程）,适用条件：理想气体任何过程、,适用条件：绝热过程（可逆、不可逆）,3、技术功、膨胀功、流动功的关系,流动过程中的技术功包括:(A ) A、膨胀功和流动功 B、轴功和流动功 C、膨胀功、流动功和轴功,4、计算题 214（新版p56） 218（新版p56）,第三节 热力学第二定律,1、热力学第二定律的表述 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传向了高温物体而不引起其他变化。 开尔文普朗克表述：不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。,2、什么是第二类永动机？为什么说它不能制造成功？ 第二类永动机： 以环境为单一热源，使机器从中吸热对外做功。 第二类永动机不可能制造成功，因为违背了热力学第二定律的开尔文说法。不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。,3、卡诺循环和卡诺定理,卡诺循环由两个可逆等温过程 和两个可逆绝热过程组成。,：可逆定温吸热过程，,；,：可逆绝热膨胀过程,：可逆定温放热过程；,：可逆绝热压缩过程,卡诺循环热效率：,综合卡诺循环和卡诺定理可以得到以下结论： （1）卡诺循环热效率取决于高温热源与低温热源的温度，提高高温热源温度和降低低温热源温度可以提高其热效率； （2）因高温热源温度趋向无穷大及低温热源温度等于零均不可能，所以循环热效率必小于1，即在循环发动机中不可能将热全部转变成功； （3）当高温热源温度等于低温热源温度时，循环的热效率等于零，即只有一个热源，从中吸热，并将之全部转变成功的热力发动机是不可能制成的。,若以,表示卡诺热机循环的热效率，则：,注意：,判断过程是否可发生、是否可逆,4、熵 1）定义式：,2）熵变化量的判断：,可逆过程系统与外界交换的热量与热源温度的比值,5、克劳修斯不等式,不可逆循环：,可逆循环：,不可能发生：,可判断过程是否可发生、是否可逆,6、熵流和熵产,熵流：,是过程中系统与外界换热而对系统熵变的“贡献”，即由于热量流进、流出系统引起的系统熵变部分。,过程不可逆性对熵变的“贡献”,可逆：,不可逆：,可判断过程是否可发生、是否可逆,可正、可负、为0,熵产：,练习：231（新版p57）,第三章 工质热力性质,1、理想气体状态方程（表达式及符号的单位）,1mol气体：,m kg气体：,n mol气体：,例如：1千摩尔理想气体状态方程：,2、通用气体常数（数值、单位）、与气体常数关系 通用气体常数：R=8.3143,R=8314.5,R与气体的性质和状态无关。,气体常数,3、比热容(质量、体积、摩尔比热容）,质量比热容：1千克质量的工质温度升高（降低）1K所吸收(放 出）的热量。常用符号位 c，单位是J/(kgK)。 摩尔比热容：1摩尔质量的工质温度升高（降低）1K所吸收(放 出)的热量。 常用符号 cm 单位是 J/(kgK)。 体积比热容：1标准m3质量的工质温度升高（降低）1K所吸收 （放出）的热量。常用符号 c 单位是 J/(kgK）。,三种比热容间的换算关系：,定压摩尔比热容（定义、符号、单位）：1摩尔的工质在定压的条件下，温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量。其单位是J/(molK)，常用符号,表示。,定压质量比热容（定义、符号、单位）：1千克质量的工质在压力不变的条件下，温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量。其单位是J/(kgK)，常用符号,表示。,4、何为组成气体的分体积？如何用它计算组成气体的T和分压力？ 所谓分体积，使各组成气体在保持着与混合气体相同的压力,和相同的温度,各组成气体所应占有的体积。,，所以,，所以,的条件下，把各组成气体单独分离出来时，,5、何为组成气体的分压力？如何用它计算组成气体的T和分体积？ 所谓分压力，是指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体积V时，给予容器壁的压力。,，所以,，所以,6、四种基本的热力过程,9、多变过程,n为常数，称为多变指数。,根据过程特征判断多变指数范围,7、ttc，定压下对水加热形成蒸汽的过程，可分成三个阶段：,（1）水的预热阶段：吸收热量为液体热：,（2）汽化阶段：吸收热量为汽化潜热：,（3）过热阶段：吸收热量为过热热量：,1kg未饱和水在定压下加热为过热蒸汽，所需的总热量为：,五态：未饱和液、饱和液、湿蒸汽、 饱和 蒸汽、过热蒸汽,8、湿蒸汽的干度概念、定义式 干度：湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量百分数。,14、湿空气的含湿量 指单位质量干空气中所含水蒸气的质量， 单位：g/kg(a) 或kg/kg(a),第一节 热量传递的三种基本方式,1、热量传递的三种基本方式：热传导、热对流、热辐射,2、复合换热过程 指在换热面上同时存在对流和辐射换热过程。 （换热面上同时存在两种以上的热量传递方式）,3、传热过程 热量由热流体通过固体壁面传递给冷流体的过程。,第四章 热量传递基本理论,第二节 导热基本定律,1、温度场的一般表达式：,稳态温度场：,一维：,2、温度梯度 沿等温面法线方向的温度增量与法向距离比值的极限， 单位是K/m。,3、傅里叶定律 傅里叶定律指出：单位时间内通过厚度为 的平壁所传导的热量，即热流量 与此平壁内的温度变化率 以及垂直于热量传递方向的截面积A成正比，即：,矢量形式：,标量形式：,导热系数（或导热率），单位是W/(mK)；,温度梯度，单位是K/m。,当物体一定时，决定热流密度大小的物理量是：温度梯度,4、导热系数,物质的物性参数，表示物质导热能力的大小。,物理意义：即导热系数的数值等于温度梯度1K/m时，单位时间内通过单位面积的导热量。 不同物质的导热系数彼此不同，即使是同一种物质，导热系数的值也随压力、温度以及该物质内部结构、湿度等因素而变化。,5、通过平壁的稳态导热,温压或温差（）；,平壁的导热热阻（m2K/W）,单位时间内，通过截面积A的热流量：,三层平壁的导热计算：,【例81】 锅炉炉墙由三层材料组成：内层为耐火砖，厚度为230mm，导热系数为1.1W/(mK)；中间层为石棉隔热层，厚度为60mm，导热系数为0.1 W/(mK)；外层为红砖，厚度为240mm，导热系数为0.58 W/(mK)。已知炉墙内、外表面的温度分别为500和50，试求通过炉墙的热流密度与各层接触面处的温度。,练习： 锅炉炉墙由三层材料组成：内层为厚度为230mm，导热系数为1.0W/(mK)；中间石棉隔热层，导热系数为0.1 W/(mK)；外层砖厚度240mm，导热系数为0.6 W/(mK)。已知炉墙内、外表面的温度分别为500和50，试求当热损失不超过300W时，石棉隔热层的厚度与各层接触面处的温度。,第三节 非稳态导热,1、非稳态导热的一般规律 1) 物体内各点温度随时间变化； 2) 与热流法向相垂直的截面上热流量处处不相等。 即热流量随时间和空间变化。,2、集总参数法 在解决非稳态导热中，忽略内部导热热阻的简 化分析方法,由集总参数法得出的非稳态导热物体温度的变化表达式：,比渥数：,物理意义：固体内部单位导热面积上的导热热阻与单位表面积上的换热热阻之比。,:是从边界上开始发生热扰动的时刻到所计算时刻为止的时间间隔；,：是热扩散率；,可视为使热扰动扩散到 面积上所需要的时间。,物理意义：是无量纲时间，表征热扰动深入到导 热物体内部的相对时间。,傅里叶数：,第五节 对流换热,1、对流换热概念,对流换热是指流动的流体和固体壁面直接接触时，由于两者温度不同，相互之间发生的热量传递过程。 传热机理：热对流和热传导的联合作用。,对流换热量计算：,2、影响对流换热的主要因素,流动的起因 流动速度与形态 流体有无相变 换热面的几何形状和大小及位置 流体的热物理性质,流动的起因,流体流动按其产生的原因分为,针对管内流动， 当 Re2300时为稳定层流； Re1104时为旺盛紊流； 2300Re1104时则为不稳定的过渡段。,流体的速度与形态,层流和紊流。由雷诺数Re大小来判别 。,雷诺数Re,流体的速度（m/s）；,管道直径（m）；,流体的密度（kg/m3）,流体的动力粘性系数（或动力年度）kg/(ms),流体的运动粘度（m2/s）,流体的热物理性质,流体的动力粘性系数 kg/(ms)；,流体的定压比热容J/(kgK)；,流体导热系数W/(m)；,热扩散率（m2/s）；,运动粘度（m2/s）。,换热面的形状和大小及位置 影响流体的流动情况，边界层的形成、发展产生显著影响，从而影响对流换热。,流体有无相变 发生流体集态改变（或相变），如液体受热沸腾或蒸汽遇冷凝结的对流换热过程，称为相变换热。相变换热较强烈。,在换热温差和换热流体一定时,影响对流换热强度的最主要因素是,3、对流换热微分方程,4、对流换热的准则方程,反映流动状况的雷诺准则：,反映流体物理性质的普朗特准则：,格拉晓夫准则：,表示对流换热强弱的准则努谢尔特准则：,物理意义：流体在固体表面上的无量纲温度梯度。,雷诺数准则：,物理意义：反应流体强制对流时，惯性力和粘滞力的相对大小。,普朗特准则,物理意义：反应流体动量扩散能力与热扩散能力的相对大小。,格拉晓夫准则：,物理意义：反应自然对流对换热过程中，浮升力与粘滞里的相对大小。,努谢尔特准则,表示强制对流：,表示自然对流：,反应对流换热过程中壁面法向温度梯度大小的影响,在流体物性 和表面尺寸一定时，努谢尔特数表征对流换热在换热强度方面的特性。,影响强制对流换热强度大小的准则数包括：Re、Pr.,影响自然对流换热强度大小的准则数包括：Gr、Pr.,5、定性温度和定型尺寸 定性温度：在运用对流换热准则方程时，各准则数中都含有一些物性参数，它们与温度有关，选作为确定物性参数的温度为定性温度。 定型尺寸：同样准则方程式中还有一些准则数要涉及到其空间尺寸，这些尺寸对固体壁面的放热情况有决定性的影响，称这些尺寸为定型尺寸。,7、 相变换热,膜状凝结：蒸汽同低于其相应压力下的饱和温度的冷壁面接触时，放出汽化潜热而凝结成液体附着在冷壁面上。如果润湿性液体能很好地润湿壁面，在冷壁面上铺展成一层完整的液膜，称为膜状凝结。,珠状凝结：非润湿性液体的蒸汽凝结时，凝结液体在冷壁面上凝聚成一颗颗小液珠，而不形成连续的液膜，这种凝结称为珠状凝结。,工程中常遇到的相变对流换热过程有：液体受热沸腾和蒸汽放热凝结,自然对流区 核态沸腾区 过渡沸腾 稳定膜态沸腾,大容器沸腾,自然对流区 1） ，沸腾未开始，单向自然对流规律； 2）起始沸腾点：从起始沸腾点开始，在加热面的某些特定点（称汽化核心）产生汽泡。,核态沸腾 孤立汽泡区：开始阶段，汽化核心产生的汽泡 彼此互不干扰，称孤立汽泡区。 随着 ，汽化核心增加，汽泡相互影响，并合成汽块及汽柱。,在核态沸腾区中，汽泡扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增加。由于汽化核心对换热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（泡状沸腾）。,核态沸腾区特点：温压小，换热强。,过渡沸腾 进一步提高 ， 降低，直至到达 ，不稳定 原因：汽泡汇集成汽膜覆盖在加热面时那个，阻碍了液体与壁面的接触。,稳定膜态沸腾 加热面上形成稳定的蒸汽膜层，,流动的流体和固体壁面直接接触时，相互之间的换热过程称为对流换热过程。 热量由热流体通过壁面传递给冷流体的过程叫做传热过程。,辐射力 ：物体单位表面积在单位时间内向半球空间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量，单位是W/m2。,第六节 辐射换热,1、 热辐射的基本概念,黑体辐射力 ：黑体单位表面积在单位时间内向半球空间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量，单位是W/m2。,2、斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律）,斯忒藩玻耳兹曼常数（又称黑体辐射常数），其值为5.67108W/(m2K4),黑体辐射常数，其值为5.67W/(m2K4),黑体的辐射力与黑体的绝对温度的四次方成正比,发射率：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。,实际物体的辐射力：,3、实际物体的发射率,实际物体的辐射特性与绝对黑体不同点： 实际物体的光谱辐射力往往随波长不规则的变化； 实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比； 实际物体的定向辐射强度在不同方向上的变化。,发射率与材料的种类、温度、表面状况有关。,4、基尔霍夫定律,基尔霍夫定律：在热平衡的条件下，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率，即：,对于灰体，无论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡，其吸收比恒等于同温度下该物体的发射率。,5、角系数,。,相对性：,完整性：,可加性：,角系数性质：,定义：表面1发出的辐射能中直接落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为,注意：角系数是一个纯几何因子，只取决于换热物体的几何特性（形状、尺寸、物体的相对位置）与两个表面的温度及发射率无关。,若有一非凹型表面A1被另一表面A2所包围，则,由于,所以,两块很接近的大平行平板，每一个表面的辐射能可认为全部 落到另一面，则,6、 灰体间的辐射换热,有效辐射 ：单位时间内离开表面单位面积的总辐射能。,E：表面自身的辐射； 被表面反射的部分,指物体本身表面向外发出的辐射能。,自身辐射,投射辐射,单位时间内由外界向该物体单位表 面积投射来的总辐射能。,灰体表面构成的封闭空间中辐射换热：,系统黑度、系统发射率 ：,7、 折热板,假设条件：折热板和辐射板均为灰体,无折热板时：,结论：加入折热板后，1，2物体的辐射换热量减小为未加折热板时的一半。,课后习题（p188） ：4-39,第五章 热工基础的应用 第一节 喷管和扩压管,反应了流速变化率、比体积变化率、截面积变化率之间的关系。,1、一维稳定流动的基本方程 （一）稳定流动质量守恒方程（连续性方程）,2、稳定流动能量方程,微分形式,说明工质的速度升高来源于流动过程中的焓降。,（适用于可逆及不可逆过程 ）,3、马赫数,马赫数：气体在某截面处的流速与当地音速之比。,4、气体在喷管和扩压管中的定熵流动,上式称为管内流动特征方程，给出了马赫数、截面面积变化率与流速变化率之间的关系,喷管内截面为渐缩型；,时，渐扩型的,缩放型的；,5、 临界压力和临界压力比 定熵流动过程中，临界截面上气体的流速等于当地声速，临界截面上气体的压力称为临界压力 。 临界压力与滞止压力之比称为临界压力比。,6、绝热节流,绝热节流前后的焓值不变，但不能认为绝热节流是一个等焓过程。,绝热节流重新达到平衡后，焓值不变，压力下降，熵增大。,对理想气体：绝热节流重新达到平衡后，温度不变。 对实际气体：温度不一定，可升高、降低、不变。,(,),2,2,1,2,1,2,0,2,c,c,h,h,=,-,+,-,例如：理想气体经过绝热节流过程后，其温度的变化（ ） A 正 B负 C 0,第二节 换热器及其热计算,什么是复合传热？ 两种或两种以上的基本换热方式同时起作用换热过程。,1、什么是传热过程？ 热量从较高温度的流体，经过固体壁面传递给另一侧温度较低的流体，这个过程称为传热过程。,2、传热方程式,传热系数W/(m2k)； 是表征传热过程强烈程度的物理量。,3、平壁的表面传热热阻：,(m2) / W,4、 传热的增强和减弱,所谓强化传热：应用传热学的基本原理去增强传热效果，除了增大传热面积和传热温差，最本质的是设法减小传热总热阻、增大传热系数。因为传热过程的总热阻等于各局部热阻之和，所以为了减小总热阻首先就应减小局部热阻中最大的。,1）加大传热温差 2） 减小换热面热阻：在热阻大的一侧强化 减小导热热阻方法：定期吹灰和清洗换热面 清除污垢、水垢、油垢 减小对流换热热阻：加肋、增加流速、 增加流体扰动 减小辐射热阻：增加系统黑度，增加角系数、 提高辐射源温度,强化传热的措施：,例如判断： 加肋应该在表面传热系数小的一侧加，传热效果好 （） 加肋应该在表面传热系数大的一侧加，传热效果好（） 两侧都加，传热效果好 （） 任何一侧加，传热效果都一样（）,消弱传热的措施： 1）减小传热温差 2） 增大换热面热阻： 敷设保温层 采用表面高反射率的材料，降低表面黑度， 减少辐射散热,只有管道外径,起到减少单位管长热损失的作用，把此直径称为临界热绝缘直径，用,表示。,超过某一值后包上热绝缘层才能,5、临界热绝热缘直径,顺流和逆流时：,换热面两端温差中较大者,换热面两端温差中较小者,传热方程式：,6、换热器传热计算,对数平均温差,为何换热器传热计算中要采用对数平均温差？在利用传热方程进行换热器的传热计算时，如何确定它？ 无论在顺流、逆流还是复杂流换热器中，热流体温度和冷流体温度沿换热面的变化通常是非线性的，因此，冷、热流体间的平均温差必须用换热面两端温差的对数平均值来计算。,【例题】空气冷却器中用水冷却空气，每小时空气量为5000kg，空气加入温度100，流出温度40，空气定压比热1.004 KJ/(kg.k)。冷却水在管内逆向流动，每小时水流量60000kg，加入温度10，水的定压比热4.187 KJ/(kg.k)。如果冷却器总传热系数为150W/(m2)，试求冷却水流出温度和冷却器所需的传热面积。,压气机：使气体压力升高的设备。 压气机按其结构，工作原理的不同分为： 活塞式压气机和叶轮式压气机。,一、单级活塞式压气机的工作过程及耗功计算 活塞式压气机理论循环由进气、压缩、排气三个 过程组成，其中进气和排气过程不是热力过程。 从右图中可看出， a1及2b为引入和输出气缸，12为气体在压气机中进行压缩的热力过程。在此过程中，压气机中气体数量不变，而气体状态方程变，压缩过程的耗功可由右图中过程线12及v轴所围的面积所示。 在压气中可分为两种极限情况和一种实际情况：,第三节压气机,V,1,2,a,b,p,V,V2,p2,0,同14,a1：气体引入气缸,12：气体在气缸内进行压缩,2b：气体流出气缸，输向 储气筒,不是热力过程，只是气体的移动过程，气体状态不发生变化，缸内气体的数量发生变化。,a-1和2-b过程,一、工作原理,从上图中可以看出,a-1 及2-b为引入和输出汽缸 1-2为气体在汽缸中进行 的压缩过程。压气机的 耗功，可由 p-V图中的 面积12ab1表示。 压气机的理论耗功： 用 表示压气机的耗功： 由热力学第一定律： 耗功大小可从p-v图中看 出：,余隙容积的影响,在实际过程中，由于制造公差及材料 的受热膨胀等因素的影响，当活塞运 动到死点位置上时，在活塞顶面与气 缸盖间有一定的空隙，该空隙的容积 称为余隙容积，用 Vc 表示，并用表示 排气量，它是活塞从上死点运动到下死 点时活塞扫过的容积。,具有余隙容积的耗功为：,V=VV,V h=VV3,V4 V3,V e,1,2,n,n,4,3,5,0,p,有余隙的活塞式压气机的工作过程,V h,V,有余隙的压气机工作过程,多级压缩和级间冷却,增压比 当增压比增大时，容积效率降低；且由于增大，导致压缩过程中增大，这是对压气机的安全运行不利的，为了达到使增大，而不影响压气机工作效率的目的，目前常采用的办法是多级压缩、级间冷却。,多级压缩、级间冷却压气机装置系统图,低压缸,中间冷却器,高压缸,冷却水,两级压缩、中间冷却压气机,两级压缩、中间冷却分析,耗功量,设两级压缩的多变指数相同，且,在P-V图中：面积12fe1为低压缸耗功 量，而面积23gf2为高压缸