绪论(整体教案)

《工程热力学与传热学基础》教案周丽机电工程系制冷与空调教研室第一篇工程热力学绪论1.什么是工程热力学从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。锅炉一烟气一水一水蒸气一(直接利用)供热；锅炉一烟气一水一水蒸气一汽轮机一(间接利用)发电冰箱、空调一一(耗能)制冷2.本课程的研究对象及主要内容

研究对象：与热现象有关的能量利用与转换规律的科学。

研究内容：

（1）．研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律。

（2）．研究工质的基本热力性质。

（3）．研究各种热工设备中的工作过程。

（4）．研究与热工设备工作过程直接有关的一些化学和物理化学问题。

通过三个事例说明工程热力学在我们日常生活中重要性：1.全国建筑节能住宅示范小区—嵩山小区2.人工冰场研究3.制冷空调装置基本特点：1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(加压、放热、膨胀、吸热)工质及气态方程教学重点：基本概念和基本状态参数教学建议：在本章教学中，应注重基本概念讲解。作业要求：使用理想气体状态方程式进行相关的计算。第一节工质及热力系统(一)工质用以实现热能与机械能相互转换或热能转移的媒介物质。如：水蒸气，制冷剂(二)热力系统、外界和边界1.热力系统：具体制定的，用界面分离出来的研究对象。2.外界：系统以外与之相关的所有有关物体。3.边界(界面)：系统与外界的分界面。界面的性质：它可以是真实的，也可以假想；可以固定也可以移动。边界特性：真实、虚构固定、活动(三)

闭口系和开口系、绝热系统和孤立系统1.热力系统分类：按热力系统与外界进行物质交换的情况分：闭口系统：系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界。开口系统：系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界。绝热系统：系统与外界无热交换。孤立系统：系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边界，也不与外界发生任何形式的能量交换。热源热力系统分类以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热功、质非孤立系孤立系1开口系热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2闭口系1+2+3绝热闭口系1+2+3+4孤立系简单可压缩系统：最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功第二节工质的热力学状态及基本状态参数一、状态参数和热力过程（一）状态参数1.状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况2.状态参数：描述工质状态的宏观物理量3.状态参数的特征：(1)状态确定，则状态参数也确定，反之亦然(2)状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下：式中，x1，x2分别代表两种状态的状态参数状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。例：温度变化山高度变化强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数、比容、比内能、比焓、比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质二、基本状态参数１、温度温度：标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标摄氏温标：用t表示，单位为℃热力学(开尔文或绝对)温标：用T表示，单位为K可以看出两种温标的温差是相等的热力学第零定律：温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础温度计温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。２、压力压力：单位面积上所承受的垂直作用力。表压与真空：工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量。测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时当地大气压的差值。表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。表压力=绝对压力-大气压力真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空计显示的绝对压力低于大气压力的部分。真空度=大气压力-绝对压力要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的大气压力，然后通过上述公式进行计算。如果大气压力发生变化，即使工质的绝对压力不变，测压计的对数也会变，所以只有绝对压力才是状态参数。注：工程计算中，必须选取绝对压力压力的单位：国际单位制中压力的单位:Pa,1Pa=1N/m21MPa=106Pa常用单位：1atm(标准大气压)=760mmHg(毫米汞柱)=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at(工程大气压)=735.6mmHg=9.80665104Pa３.比体积和密度比体积：单位质量的物质所占有的体积，用v表示。式中V——体积；m——质量。比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。比体积大，物质内部分子间的距离大比体积的倒数为密度第三节平衡状态及其状态方程1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。温差—热不平衡势压差—力不平衡势化学反应—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。为什么引入平衡概念？如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换２.状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理：闭口系：不平衡势差状态变化能量传递独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1n容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N=n+1=2绝热简单可压缩系统N=?状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式取决于工质的性质坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图1）系统任何平衡态可表示在坐标图上2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图第四节理想气体状态方程一、理想气体的概念1.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。如：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。2.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。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：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：二、理想气体状态方程V：nKmol气体容积m3；P：绝对压力Pa；v：比容m3/kg；T：热力学温度K状态方程的应用1.求平衡态下的参数2.两平衡状态间参数的计算3.标准状态与任意状态或密度间的换算4.求气体体积膨胀系数计算时注意事项1、绝对压力2、温度单位K3、统一单位（最好均用国际单位）Rm与R的区别Rm——通用气体常数(与气体种类无关)R——气体常数(随气体种类变化)M-----摩尔质量例如：但是,当实际气体p很小,V很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。哪些气体可当作理想气体T>常温，p<7MPa，的双原子分子理想气体：O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊，如空调的湿空气，高温烟气的CO2。热力学第一定律教学重点：功量、热量、焓、比热；热力学第一定律及解析式；稳定流动能量方程及其应用教学建议：本章是工程热力学的重要内容之一，基本概念较多且较抽象，教学中应注意对基本概念的讲解作业要求：使用闭口系统热力学第一定律能量方程及稳定流动能量方程进行相关的计算。第一节准静态过程、可逆过程平衡状态：状态不变化能量不能转换非平衡状态：无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程一般过程：p，p，Tp0pv12..p1=p0+重物p，Tp0T1=T0突然去掉重物最终p2=p0T2=T0.准静态过程p1=p0+重物p，Tp0T1=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层.系统随时接近于平衡态准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件：破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）有足够时间恢复新平衡准静态过程mkg工质：W=pdV1kg工质：w=pdv可逆过程的定义系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）不平衡势差不可逆根源耗散效应耗散效应引入可逆过程的意义：准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。第二节系统总储存能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）一、热力学能热力学能是状态量U:广延参数[kJ]u:比参数[kJ/kg]热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定说对理想气体u=f(T)二、外储存能系统工质与外力场的相互作用所具有的能量如：重力位能以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量如：宏观动能组成系统总能外部储存能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能系统总能E=U+Ek+Epe=u+ek+ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du第三节系统与外界传递的能量系统与外界交换的能量的三种方式：1.功量2.热量3.工质通过边界时所携带的能量一、热量单位：kJ或kcal且lkcal=4.1868kJ定义：在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。特点:是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关系统吸热热量为正，系统放热热量为负热量的计算和T-s图：单位工质：熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用s表示。比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。二、功量除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1．膨胀功W：2轴功W:在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。规定:系统对外作功为正，外界对系统作功为负。通过轴系统与外界传递的机械功单位：lJ=lNm膨胀功是热变功的源泉刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换功的计算：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，如图所示。单位质量气体的膨胀功为：三、随物质传递的能量1．流动工质本身具有的能量2．流动功(或推动功)为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功注意:取决于控制体进出口界面工质的热力状态由泵风机等提供四、焓焓=内能+流动功焓的物理意义：１.对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量.思考：特别的对理想气体h=f(T)２.对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数第四节热力学第一定律一、热力学第一定律的实质热力学第一定律：能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系。热力学第一定律：热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备二、热力学第一定律的数学表达式1、闭口系能量方程式输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化能量平衡关系式：闭口系：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；对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能均无变化，有：对于微元过程，有：对于单位质量工质，有：各项正负号的规定：吸热和对外作功为正，放热和外界对系统作功为负2、开口系统的稳定流动能量方程１）、稳定流动的能量方程每截面状态不变稳定流动条件稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程轴功：通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用Ws表示。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。几种功的关系做功的根源准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示四、稳定流动能量的应用１.动力机

２.压气机

３.热交换器

４.喷管

５.节流装置第五节理想气体比热容及热量计算1kg物质温度升高1K所需的热量称为比热容：一、比热容的定义物体温度升高1K所需的热量称为热容：1mol物质的热容称为摩尔热容Cm，标准状态下1m3物质的热容称为体积热容C´，单位：J/(m3•K)比热容、摩尔热容及体积热容三者之间的关系：Cm=Mc=0.0224141C´定压比热容：可逆定压过程的比热容二、定压比热容及定容比热容热量是过程量，因此比热容也与各过程特性有关，不同的热力过程，比热容也不相同：定容比热容：可逆定容过程的比热容定压比热容：可逆定压过程的比热容焓值h=u+pv，对于理想气体h=u+RgT，可见焓与压力无关，理想气体的焓也是温度的单值函数：对于理想气体，cp、cv是温度的单值函数，因此它们也是状态参数。对于理想气体，其分子间无作用力，不存在内位能，热力学能只包括取决于温度的内动能，与比体积无关，理想气体的热力学能是温度的单值函数：二、定压比热容与定容比热容的关系迈耶公式：迈耶公式迈耶公式比热比：三、热量计算真实比热容：将实验测得的不同气体的比热容随温度的变化关系，表达为多项式形式：如附表4：各种气体的系数：a、b、g、d、e根据一定温度范围内的实验值拟合得出的，如附表4适用范围300－1000K。平均比热容：定值比热容：工程上，当气体温度在室温附近，温度变化范围不大或者计算精确度要求不太高时，将比热视为定值，参见附表3。亦可以用下面公式计算：气体种类cV[J/(kg·K)]cp[J/(kg·K)]g单原子双原子多原子3×Rg/25×Rg/27×Rg/25×Rg/27×Rg/29×Rg/21.671.401.30第六节理想气体的热力学能、焓、熵一、热力学能和焓理想气体的热力学能和焓是温度的单值函数：工程上的几种计算方法：按定值比热容计算：按平均比热容计算：按气体热力性质表上所列的u和h计算；热工计算中只要求确定过程中热力学能或焓值的变化量，因此可人为规定一基准态，在基准态上热力学能取为0，如理想气体通常取0K或0°参见附表8，u可由u=h-pv求得。二、状态参数熵熵的定义：式中，下标“rev”表示可逆，T为工质的绝对温度。熵是状态参数：三、理想气体的熵方程熵方程的推导：理想气体熵方程：微分形式：积分形式：理想气体熵方程是从可逆过程推导而来，但方程中只涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程同样适用。四、理想气体的熵变计算按定比热容计算：S0是如何确定的呢？状态（T，p0）：S0仅取决于温度T，可依温度排列制表（见附表8）取基准状态：理想气体的热力过程及气体压缩教学重点：理想气体主要热力过程的分析和计算教学建议：在本章教学中，对每一基本热力过程应侧重从过程方程、过程曲线、初终状态关系、功量、热量及内能变化几个方面分析作业要求：使用理想气体基本热力方程式进行相关的计算。热力过程分析的目的与方法1.分析热力过程的目的：提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算2.研究热力学过程的对象与方法对象方法研究热力学过程的依据研究热力学过程的步骤1)确定过程方程------该过程中参数变化关系5)计算w,wt,q3)用T-s与p-v图表示2)根据已知参数及过程方程求未知参数第一节理想气体基本热力过程一、理想气体的定容过程

(isometricprocess)过程方程理想气体v的参数关系v=定值理想气体v的热量和功作为简单可压缩物质，对于气体的可逆定容过程，其过程功根据热力学第一定律，有所有气体定容过程的热量等于工质的热力学能增量理想气体v的热量和功（二）综合以上两式，有注：此式对实际气体仅适用于定容过程对理想气体，适用于理想气体的任何过程因为理想气体热力学能仅为温度的函数对有限定容过程，有（比热容为定值）理想气体v的过程曲线曲线为正斜率凹向上曲线,且斜率随T上升而增大二、理想气体的定压过程过程方程（isobaricprocess）理想气体P的参数关系1.理想气体P的热量和功（一）对于可逆定压过程的技术功，则有可逆定压过程中系统不作技术功2.理想气体P的热量和功（二）根据热力学第一定律，有所有气体可逆定压过程的热量等于工质的焓增量对有限定压过程所有气体比热容为定值理想气体P的过程曲线曲线为正斜率凹向上曲线,且斜率随T上升而增大相同温度下显然，过同一点（温度相同）的定容线斜率大于定压线斜率三、理想气体的定温过程

（isothermalprocess）过程方程对理想气体，有理想气体T的参数关系定温过程中理想气体的压力与其比体积成反比。理想气体的定温过程即定热力学能过程和定焓过程理想气体T的热量和功对理想气体，定温过程即定热力学能过程，由热力学第一定律，有根据理想气体状态方程有对有限过程理想气体T的过程曲线理想气体的定温过程应为等腰双曲线在P－v图上定温线有负的斜率且根据理想气体状态方程不难推知，离坐标原点愈远的定温线其温度值愈高四、理想气体的绝热过程（等熵过程）

（adiabaticprocess，orisentropicprocess）说明:(1)不能说绝热过程就是等熵过程,必须是可逆绝热过程才是等熵过程。(2)不仅s处处相等绝热可逆三个条件:(1)理想气体(2)可逆过程(3)k为常数理想气体s的过程方程多变过程理想气体的多变过程(Polytropicprocess)过程方程n是常量，每一过程有一n值初终态关系n理想气体nu,h,s,的计算内能变化焓变化熵变化状态参数的变化与过程无关理想气体nw,wt,q的计算多变过程比热容(1)当n=0(2)当n=1多变过程与基本过程的关系(3)当n=k(4)当n=基本过程是多变过程的特例基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表３－1公式汇总理想气体基本过程的计算斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图活塞式压气机的压缩过程分析压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、制冷空调等等理论压气功(可逆过程)目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wt(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是可能的压气过程三种压气过程的参数关系三种压气过程功的计算第四节小结1、理想气体各种可逆过程的特性，参数变化，功，热的计算。2、p-v图，T-s图上的表示3、压气机热力过程的分析方法第四章热力学第二定律教学重点：循环、可逆循环、熵、热图力学第二定律、卡诺定理及熵增原理教学建议：根据本专业特点，在教学中应适当反复强调逆循环及工作系数的概念，应注意引用实例说明“过程进行的方向性与不可逆性”概念。作业要求：使用卡诺定理及孤立系统熵增原理进行相关的计算。

本章知识点理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，本章重点（1）l．深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2．深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3．系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。本章重点（2）4．深入理解熵增原理,并掌握其应用。5．深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：可逆和不可逆过程循环：可逆循环和正循环净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向逆循环净效应：对内作功净效应：放热逆循环：逆时针方向热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）动力循环：热效率热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）制冷循环：制冷系数热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）制热循环：制热系数热力学第一定律：能量之间数量的关系能量守恒与转换定律热力学第二定律：所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性举例：热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律的表述与实质热二律的表述有60-70种1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度1850年克劳修斯表述热量传递的角度开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变热机：连续作功构成循环有吸热，有放热但违反了热力学第二定律热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的克劳修斯表述不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功两种表述的关系开尔文－普朗克表述完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环热机能达到的最高效率有多少？热二律奠基人效率最高S.卡诺NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人卡诺循环—理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1)卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率•t,c只取决于恒温热源T1和T2，而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明•T1t,c,T2c，温差越大，t,c越高•当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•T1=K,T2=0K,t,c<100%，热二律卡诺定理—热二律的推论之一定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，以可逆热机的热效率为最高。卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下结论正确，但推导过程是错误的当时盛行“热质说”1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明卡诺定理推论一在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。要证明：tIR>tR只要证明tIR=tR反证法,假定：tIR=tR令Q1=Q1’工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。∴Q1’-Q1=Q2WR卡诺定理推论二在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。求证：tR1=tR2由卡诺定理tR1>tR2tR2>tR1WR2只有：tR1=tR2与工质无关卡诺定理小结1、在两个不同T的恒温热源间工作的一切可逆热机tR=tC2、多热源间工作的一切可逆热机tR多<同温限间工作卡诺机tC3、不可逆热机tIR<同热源间工作可逆热机tRtIR<tR=tC卡诺定理的意义从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。卡诺定理举例熵热二律推论之一：卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二：克劳修斯不等式反映方向性热二律推论之三：熵反映方向性一、熵的导出于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。小知识克劳修斯积分式=可逆循环<不可逆循环熵的物理意义：热源温度=工质温度熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小熵是状态量可逆循环：熵变与路径无关,只与初终态有关不可逆过程S与传热量的关系任意不可逆循环=可逆>不可逆S与传热量的关系热二律表达式之一：对于循环克劳修斯不等式除了传热,还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆因素会引起熵变化二、熵流和熵产对于任意微元过程有：=：可逆过程>：不可逆过程定义：熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。热二律表达式之一熵流、熵产和熵变任意不可逆过程可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程三、孤立系统熵增原理孤立系统无质量交换结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，这一规律称为孤立系统。熵增原理：无热量交换无功量交换=：可逆过程>：不可逆过程热二律表达式之一为什么用孤立系统？孤立系统=非孤立系统+相关外界=：可逆过程>：不可逆过程最常用的热二律表达式水蒸气教学重点：蒸汽定压过程与状态变化，常用蒸汽图表的结构和使用，蒸汽基本热力过程及循环的分析和计算教学建议：在本章教学中应加强对学生进行常用蒸汽图表的使用训练作业要求：使用蒸汽图表进行蒸汽热力计算。基本要求：掌握蒸气的各种术语及其含义：汽化、凝结、饱和状态、饱和蒸气、饱和液体、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等。了解蒸气定压发生过程及其在p-v图和T-s图上的一点、二线、三区和五态。了解水蒸气图表的结构，并掌握其应用。掌握水蒸气热力过程的热量及功量的计算。第一节汽化与凝结一、汽化与凝结汽化物质由液态转变为气态的过程汽化方式（吸热）蒸发：汽化过程在液体表面发生沸腾：汽化过程在液体表面及内部同时发生凝结（放热）物质由气态转变为液态的过程。凝结的速度取决于空间蒸气的压力。汽化方式蒸发：汽化过程在液体表面发生蒸发速度影响因素：水的温度蒸发表面积蒸汽的密度沸腾：汽化过程在液体表面及内部同时发生沸点：水的温度达到一定数值时，开始沸腾，这时的温度沸点影响因素：压力微观理论凝结物质由气态转变为液态的过程。凝结的速度取决于空间蒸气的压力。微观理论二、饱和状态饱和状态饱和温度和饱和压力处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱和温度ts，蒸气的压力称为饱和压力psts上升，ps上升；ps上升，ts上升。结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。三相点定义：固、液、气三相共存的状态分析：1)当压力低于ptp时，液相不可能存在，而只可能是气相或固相。ptp称为三相点压力，对应的饱和温度ttp称为三相点温度。2)三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱和压力。3)各种物质在三相点的温度与压力分别为定值，水的三相点温度和压力值：水的定压加热汽化过程工业上所用的水蒸气都是在定压加热设备中产生的。一般经过三个阶段：预热阶段汽化阶段过热阶段预热阶段饱和水未饱和水（过冷水）状态及状态参数：这个阶段所需的热量称为液体热qlt-ts称为过冷度汽化阶段干饱和蒸气饱和水湿(饱和)蒸气湿饱和蒸气：饱和水与饱和蒸气混合物这个阶段所需的热量称为汽化潜热g干度x：湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。过热阶段过热蒸气干饱和蒸气这个阶段所需的热量称为过热量qsup。t-ts称为过热度分析：(p-v图)影响v的主要是P和T：1)对液态而言，T对v的影响比P的影响大，因而当P增加时，对应的饱和温度增加，则饱和液体的比体积增大；2)对汽态而言，正好相反，因而，随着P的增加，饱和蒸汽的比体积减小；3)饱和液体线与饱和蒸汽线必相交于一点C(临界点)一点：临界点二线：上界线和下界线三区：液态区、湿蒸气区及过热区五态：未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸气及过热蒸气临界点：当t>tcr时，无论压力如何增加都不可能液化。水的临界参数：第三节水蒸汽表和图一、零点规定水及水蒸气的参数计算中不必求其绝对值，仅求其增量或减少量，故可规定一任意起点。国际水蒸气会议规定，水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定其热力学能及熵为0，即对于t0=ttp=0.01°１.温度为0.01oC、压力为P的过冷水忽略水的压缩性，即比体积v不变，又温度不变，则:uo=u0’=0,w=0q=0so=so’=0,h0=uo+p0v0=0２.、温度为t、压力为P的未饱和水四、压力为P的干饱和蒸汽五、压力为p的湿饱和蒸汽六、压力为P的过热蒸汽过热度：t–ts二、水蒸气表和图水与水蒸气的状态参数p、v、t、h、s均可从水蒸气图表中查到，图表中没有的参数，可根据参数间的一般关系计算得到，如u按u=h-pv计算。一、水蒸气表饱和水及干饱和蒸气表（表Ａ－1＼Ａ－２）未饱和水及过热蒸气表（表Ａ－３）蒸气表判断工质所处的状态查相应的表或进行相应的计算情况一：已知（p,t）查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度ts(p)（或饱和压力ps(t)）：在湿蒸气区，p、t不是两个独立的变量，因此不能由p、t确定状态点。情况二：已知p（或t）及某一比参数y（v或s或h）：查饱和表得已知压力（或温度）下的y’、y”：在湿蒸气区干度及其它参数的的计算：二、蒸气的热力性质图h-s图水蒸气的基本过程定容、定压、定温及定熵四种求解任务水蒸汽基本过程与解理想气体的过程一样，要求：1、初态和终态的参数；2、过程中的热量和功7－5水蒸气的基本过程1、根据初态的两个已知参数，从表或图中查得其他参数。2、根据过程特征及一个终态参数确定终态，再从表或图上查得其他参数。3、根据已求得的初、终态参数计算q、u及w。利用图表分析、计算水蒸气的步骤：水蒸气基本公式：混合气体和湿空气教学重点：混合气体、湿空气热力性质与热力过程分析、湿空气焓、湿图的使用教学建议：在本章教学中应注意加强湿空气焓湿图的使用练习。作业要求：根据湿空气焓湿图分析湿空气的热力状态，并进行相关的热力计算。一、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。第一节混合气体的性质二、混合气体的分压力和分体积：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。分体积：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。分体积定律：理想混合气体的分容积之和等于混合气体的总容积。三、理想气体混合物的成分1.质量分数：混合气体中各组成气体的质量与混合气体总质量的比值由质量守恒:2.体积分数：混合气体中各组成气体的体积与混合气体总体积的比值3.摩尔分数：混合气体中各组成气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值有关定义质量成分定义式：体积成分定义式：摩尔成分定义式：混合气体摩尔质量M为混合气体折合摩尔质量(kg/mol),Mi为组成气体的摩尔质量(kg/mol)混合气体的气体常数Rg为混合气体的平均气体常数,Rg,i为组成气体的气体常数四、gi、ri、xi的转算关系五、分压力的确定1.由ri或xi确定pipiV=pVi2.由xi确定pi六、混合气体的比热容比热容第二节湿空气的性质湿空气湿空气是干空气与水蒸气的混合物。可以看成是理想气体涉及湿空气的常见的工业过程空气温度与湿度调节过程、物体的干燥过程、冷却水塔中的水冷却过程等。下标约定：a－干空气b－当地大气压力v－水蒸气s－饱和水蒸气－无下标为湿空气参数一.湿空气的总压力和分压力湿空气及其状态参数根据状态的不同，可以分为饱和空气和未饱和空气．设状态为（pＶ，t）Ps＝f（t）Pv＝f（td）当pＶ＜Ps，水蒸汽处于过热状态．则为未饱和空气当pＶ＝Ps，水蒸汽处于饱和状态．则为饱和空气二、饱和蒸汽压、露点及绝热饱和温度未饱和空气达到饱和有三种途径：１.温度不变的情况下，水分向空气中蒸发，蒸汽的分压力增加，可以达到饱和空气状态，如图中定温过程A－C。达到饱和时，蒸汽分压力就是对应于空气温度的饱和蒸汽压力ps２.保持湿空气中蒸汽分压力不变，降低湿空气温度，也可以达到饱和，如图A－B。B点的温度为对应于pv的饱和温度，称为露点，用td表示。饱和蒸汽压、露点及绝热饱和温度３.在绝热条件下向湿空气加入水分，并尽其蒸发，也可使空气达到饱和，如图A－G。G点为绝热饱和状态，相应的温度为绝热饱和温度，用Tw表示。湿空气及其状态参数绝对湿度和饱和空气绝对湿度：单位容积的湿空气中包含的水蒸气质量，也就是水蒸气的密度．湿空气中水蒸气的分压力愈大，其绝对湿度愈大；水蒸气的分压力不可能超过该温度下水蒸气的饱和压力在一定温度下：绝对湿度和饱和空气水蒸气达到饱和时，湿空气具有该温度下最大绝对湿度，这时的空气称为饱和空气。湿空气未达到饱和时，其中水蒸气的分压力总小于饱和压力，水蒸气处于过热状态，这时湿空气为未饱和空气。二、湿空气的折合摩尔质量和折合气体常数湿空气的折合摩尔质量干空气的折合摩尔质量水蒸汽的气体常数湿空气的折合气体常数三、相对湿度湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的比值为相对湿度二、相对湿度=0~100%，饱和空气的相对湿度为100%；相对湿度愈小，表示空气中水蒸气距离饱和状态愈远，空气吸收水分的能力愈大，即愈干燥；反之空气愈潮湿。四、湿空气的含湿量dg（水蒸气）/kg（干空气）湿空气的含湿量d在总压力p不变的情况下，一定的蒸汽分压力对应着一定的含湿量。在总压力p不变的情况下，相对湿度愈高，含湿量也愈高。五、湿空气的焓考虑到湿空气中水蒸气的质量经常变化，而干空气的质量是稳定的，所以湿空气的比焓是相对于单位质量的干空气而言：相对湿度测定图中干球温度计是一支普通的温度计，而湿球温度计头部被尾端浸入水中的吸液芯包裹。当空气流过时，干球温度计指示出空气温度，或称为干球温度，而湿球温度计反映的是吸液芯中水的温度，这个温度称为湿球温度。如图空气未饱和，吸液芯中的水将向空气中蒸发而使水温下降，同时空气与水之间的温差导致空气向吸液芯中的水传热，从而阻止水温不断下降，在达到平衡时湿球温度总低于球温度，但比空气的露点高。第三节湿空气的焓湿图一、湿空气的h-d图h-d图由下列五种线群组成：1、等湿线（等d线）等d线是一组平行于纵坐标的直线群。露点td是湿空气冷却到＝100%时的温度。因此含湿量d相同，状态不同的湿空气具有相同的露点。2、等焓线（等h线）等h线是一组与横坐标轴成135°的直线群。等h线亦可近似看成定湿球温度线（tw）等h线与横坐标轴成135，目的是使图疏松一些。等h过程相当于绝热饱和过程，3、等温线（等t线）可见在h-d图上，定t线的斜率为正，且随t增大斜率增大。4、等相对湿度线（等）定线是一组向上凸的曲线群。＝100%饱和空气曲线把h-d图分成两部分，曲线以上为未饱和湿空气，曲线以下无实际意义。5、水蒸气分压力线二、h-d图的应用根据湿空气的两个独立参数，可在图上确定湿空气其它参数：第四节湿空气的基本热力过程一、加热（或冷却）过程加热：1－2冷却：1－2`（t>td）二、绝热加湿过程喷水加湿1－2喷蒸汽加湿1－2`三、冷却去湿过程湿空气被冷却到露点温度，空气为饱和状态，继续冷却时将有水蒸气凝结析出，达到除湿的目的，如图1－A－2第七章气体和蒸汽的流动教学重点：气体与蒸汽在喷管和扩压管中流动的基本规律，气体和蒸汽的绝热节流规律。教学建议：在本章教学中，应特别注意阐明三条基本规律（连续性方程、稳定流动能量方程、绝热过程方程）、两个关系（气体流速与压力关系、流速与管道截面变化关系）、一个概念（临界压力比），它们是讲授全章的关键。作业要求：熟悉稳定流动的基本方程本章学习内容1研究气体流动过程中2研究影响气体在管内流的气流速度变化能量转换状态参数变化的规律系统的外部条件管道截面积的变化第一节稳定流动基本方程概念稳态稳流(稳定流动)状态不随时间变化恒定的流量几个基本方程连续性方程绝热稳定流动能量方程定熵过程方程一、连续性方程由稳态稳流特点适用于任何工质可逆和不可逆过程截面面积气流速度气体比容二、绝热稳定流动能量方程适用于任何工质可逆和不可逆过程注：增速以降低本身储能为代价三、可逆绝热（定熵）过程方程式可逆绝热过程方程式适用条件:(1)理想气体(2)定比热(3)可逆微分四、音速与马赫数

微小扰动在流体中的传播速度压力波的传播过程可作定熵过程处理(1)音速定义式:定熵过程理想气体只随绝对温度而变(2)马赫数M>1超音速M=1临界音速M<1亚音速第二节定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系二、管道截面变化的规律连续性方程可逆绝热过程方程注:扩压管dc<0,故不同音速下的形状与喷管相反喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系流动状态管道种类管道形状M<1M>1喷管dp<0渐缩渐扩扩喷管M<1转M>1渐缩渐扩扩压管M>1转M<1M>1M=1扩压管dp>0M=1第三节喷管中流速及流量计算一定熵滞止参数将具有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其流速降低为零时的参数二、喷管的出口流速由绝热稳定流动能量方程对理想气体对实际气体三、临界压力比及临界流速(1)临界压力比代入出口流速方程特别的对双原子气体：四、流量与临界流量一般通过计算最小截面的质量流量由连续性方程知，各个截面的质量流量相等（1）渐缩喷管的质量流量计算（2）渐缩渐扩喷管的流量计算五、喷管的计算1.喷管的设计计算2.渐缩喷管的校和计算已知喷管的最大流量kg/s绝热节流定义：气体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及与外界进行热量交换的过程特点：绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是等焓过程。流体在通过缩孔时动能增加，压力下降并产生强烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，导致整个过程的不可逆性。不可逆性：绝热节流前后参数的变化(1)对理想气体(2)对实际气体节流前后焓不变,温度不一定不变绝热节流温度效应温度效应只与气体的性质有关,与其状态无关绝热节流系数（焦尔－汤姆逊系数）定义式物性参数反映与理想气体的偏差第八章压缩蒸气制冷循环教学重点：单级压缩蒸汽制冷理论循环的过程分析教学建议：本章中，必须使学生了解制冷循环的工作原理。作业要求：熟悉制冷循环的工作原理。水能用否？在0°一般用低沸点工质，如氟利昂、氨沸点：水R22-40.8°CR134a-26.1°CTHR01-30.18°C空气压缩制冷循环装置：冷却水膨胀机压缩机冷藏室冷却器蒸气压缩制冷循环的计算蒸发器中吸热量冷凝器中放热量制冷系数两个等压，热与功均与焓有关第二篇传热学绪论1-1为什么要学习传热学？1-2传热学研究方法1-3如何学习传热学？1-4热量传递的三种基本方式(★)1-5传热过程与传热系数(★)1-1为什么要学习传热学？生活现象思考研究由温差引起的热量传递规律的科学。热量传递的机理、规律、计算和测试方法热量传递过程的推动力：温差传热学定义学习传热学的重要性自然界温差无处不在，无时不有；传热学是能源动力、建筑环境与设备、化工、机械、电子、土木等学科的主干技术基础课；传热学与流体力学、工程热力学并称能源动力、建筑环境与设备类专业的三大支柱。传热学的应用领域广泛。动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…。传统工业：能源动力传统工业：石油化工传统工业：制冷空调：电冰箱的热量传递过程，中央空调的热量传递过程高新技术：航空航天高新技术：电子器件节能环保：建筑环境日常生活：1-4热量传递的三种基本方式(★)导热[HeatConduction]；对流[Convection]；热辐射[ThermalRadiation]第一章稳定导热教学重点：1.稳定导热理和付里叶定律2.通过平壁和圆筒壁稳定导热计算教学建议：要使学生掌握理解导热的基本概念及基本定律。作业要求：进行通过平壁的稳定导热相关的热力计算。第一节导热基本概念及傅里叶定律1、导热定义与特征：发生在物质本身各部分之间或直接接触的物质与物质之间的热量传递现象，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递过程．导热:物质固有的本质，无论气体、液体、固体都有导热的本领；导热的特点：1.必须有温差（传递热量的动力）2.物体直接接触3.依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移二、温度场稳态导热和非稳态导热温度场分为两类：即稳定温度场和非稳定湿度场1.温度场：各时刻物体中各点温度分布的总称称为温度场，它是时间和空间坐标的函数稳定温度场内温度的分布与时间无关，仅是空间坐标的函数．三.等温面与等温线：等温面：温度场中同一瞬间同温度各点连成的面。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：(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交(2)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中止，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等温线：(3)物体的温度通常用等温面或等温线表示。等温线图的物理意义：若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。如图所示是用等温线图表示温度场的实例。四.温度梯度（Temperaturegradient）等温面(线)的性质表明：热量传递只能沿着穿过不同等温面且沿等温面(线)法线方向温差最大，热量传递最为显著。设两等温面之间的温度差为△t，法线方向的距离为△n，则：对于一维稳定温度场来说：温度梯度是向量，其方向是指向温度增加的方向，而热量传递方向与温度梯度方向恰好相反．五、导热基本定律1、傅里叶定律定义：在导热现象中，单位时间内通过单位截面积的导热量正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反。数学表达式：傅里叶定律用热流密度表示：其中q——热流密度(单位时间内通过单位面积的热流量)导热基本本定律(傅里叶定律)的数学表达式。式中的负号表示热流方向与温度梯度方向相反。对于一维稳定温度场，傅里叶定律的数学表达式为六、导热系数及其在制冷空调技术中的应用1．概念其数值就是物体的温度降低1℃／m时，单位时间内通过物体单位面积的导热量，其单位为w／(m.℃导热系数是物质的一个重要的热物性参数.其数值大小表征着物质导热性能的优劣．2．关于换热器的导热系数制冷空调装置中的换热器(如蒸发器和冷凝器等)，应使用导热系数大的金属材料，以增强导热量。金属的导热通过两种方式进行，即自由电子的迁移和晶格结构；其中自由电子的迁移是热量的主要传递者，晶格结构起次要作用。制冷空调工程中的隔热保温材料，应使用导热系数低的非金属材料。3．关于隔热保温材料的导热系数非金属材料只能依靠晶格结构的振动来传递热量。应选用密度小的材料，并应采取适当防潮措施，以保持材料的干燥。建筑材料相隔热保温材料的导热系数一般在0.025～3.0W／(m．℃)的范围内，一般把室温条件下导热系数小于０.2W／(m．℃)的材料作为隔热保温材料。第二节通过平壁的稳定导热一、单层平壁的稳定导热设平壁厚度为δ，导热系数为λ．两表面分别维持均匀稳定的温度t1和t2，且t1＞t2。1.通过薄层的单位面积热流量为:2.单层平壁的单位面积上的热流量为可以看成热阻,称为单位面积平壁的导热热阻3.若平壁的导热面积为F，则总热流量为二、多层平壁的导热多层平壁：由几层不同材料组成例：房屋的墙壁—白灰内层、水泥沙浆层、红砖（青砖）主体层等组成假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等问：现在已经知道了q，如何计算其中第i层的右侧壁温？多层、第三类边界条件通过圆筒壁的稳定导热一、通过单层圆筒壁的稳定导热管壁内外的温度可看作是均匀的，即温度场是轴对称的，是一维稳定导热。根据傅里叶定律得：单层圆筒壁的热流量计算公式：单位管长计算热流量，即得出圆筒壁的温度分布的最终表达式上式表明，在导热系数为常数的圆壁筒内，其温度分布呈对数曲线，而且同半径的圆柱面即是等温面．二、通过多层圆筒壁的稳定导热由不同材料构成的多层圆筒壁，其导热热流量可按总温差和总热阻计算制冷空调工程中，多层圆筒壁一般最多为四层，则各层间的温度为第二章对流换热教学重点：对流换热机理和牛顿冷却定律、对流换热的计算、沸腾与凝结的机理、影响因素。教学建议：本章中，对流换热的机理是重点掌握的内容。作业要求：进行对流换热几个典型例子相关的热力计算。1对流换热概念及牛顿冷却定律2相似理论及其的应用3管内流体强制对流换热计算4管外流体强制对流换热计算5空间流体自然对流换热计算6沸腾换热7凝结换热对流换热:流体流经固体壁面情况下所发生的热量交换。对流换热的基本计算式牛顿冷却式:第一节对流换热概念及牛顿冷却定律１.对流热对流发生在流体之中，主要是由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移，致使冷、热流体相互掺混而引起的热量传递现象。自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动。当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。2．对流换热热对流并不仅仅发生在流体内部，而是主要发生在流体与固体壁之间。对流换热：是指流体与固体壁之间既直接接触又相对运动时的热量传递过程。对流换热实际是一种由热对流和导热共同作用的复合换热形式。二、对流换热的机理流体的速度边界层、温度边界层以及流态直接影响着对流换热过程。1．速度边界层把所有y＝δ的点连接成线即为速度边界层，δ为边界层厚度。边界层厚度在理论上应等于由壁面到流体达到主流速度点之间的距离，但这个距离很小。由牛顿粘性定律：边界层外：u在y方向不变化，u/y=0流场可以划分为两个区：边界层区与主流区边界层区：流体的粘性作用起主导作用，主流区：速度梯度为0，=0；可视为无粘性理想流体；速度梯度大，粘滞应力大粘滞应力为零—主流区——边界层概念的基本思想▲速度边界层概念2．流体的流态(１)流体在流动方向x上的流态变化xc(2)紊流段中流体在y方向上的流态划分3．温度边界层流体温度接近主流温度tw流体由变化到接近tf的这一薄层即为温度边界层，t为温度边界层的厚度。对流换热主要发生在温度边界层内。与t不一定相等速度边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布区别与联系:4．边界层与对流换热的关系当流体在壁面上流动时，其紧贴壁面的极薄的层流底层相对于壁面几乎是不流动的。壁面与流体间的热量传递必须通过这个层流底层，热量传递的方式只能是导热这种方式.。因此对流换热量实际上就等于层流底层的导热量.流体在流过壁面对，其层流底层越薄，对流换热就越强烈。边界层状况与对流换热的关系：1)在层流段，沿壁面法线方向上的热量传递主要依靠导热作用。2)在紊流段，层流底层内的热量传递方式仍然是导热，这是紊流段主要的热阻：在层流底层以外，对流的作用仍然占主导作用。三、对流换热的影响因素影响因素：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质(1)流动起因自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动▲对流换热概述(2)流动状态(3)流体有无相变单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等▲对流换热概述(4)换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束▲对流换热概述▲对流换热概述四、牛顿冷却定律表面传热系数h的大小反映对流换热的强弱。可以写成:△t为对流换热温差，即壁面温度为tw和流体温度为tf的差值.Rh：为对流换热热阻。第二节相似理论及其应用一、研究对流换热的方法研究对流换热的目的是为了获得表面传热系数h的表达式。研究的方法大致有以下四种：分析法；实验法；比拟法；数值法在相似理论指导下进行实验研究，是目前获得表面传热系数计算关系式的主要途径.二、相似理论基础1．相似概念2．对流换热现象相似原理相似的对流换热现象，其热量传递的过程和性质是相似的，描述现象的形式和内容的也是相同的。不同的流体在粗细不同的管道内流动，就是相似的对流换热现象，两个管道内的速度场相似，温度场相似，即Cv为速度相似常数；Ct为温度相似常数。对流换热现象相似的实质：若两个对流换热现象相似，实质上它们的温度场、速度场、粘度场、表面传热系数等都分别相似。在对应的时间和位置上，各物理量分别成比例，即：1.在空间上，相对应的各点呈现几何相似；2.在时间上，相对应的瞬间呈现时间相似；3.在物理性质上，相对应的各参数呈现物理相似.注意事项1)只属于同一类的对流换热现象，才有相似的可能。2)物理量的各相似倍数值不是随意给定的.3)注意物理量的时间性和空间性。三、热量传递过程中的相似准则在传热学中常用的相似准则有四个：Nu、Re、Pr、Gr四个准则是研究稳态无相变表面传热系数h的常用准则。其物理意义：1)Nu包含了表面传热系数h和流体导热系数λ。2)Re数值的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小。3)Pr包含了流体的物理参数。4)Gr数值的大小反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小。四、相似准则之间的函数关系1.对于无相变强制稳态流动换热，其准则方程式：2.若只考虑受迫对流换热，则受迫紊流换热准则方程式可简化为3.对于空气，它的Pr可作为常数处理，故空气强制紊流放热时，4.对于自然对流换热，产生运动的原因是由于温度差引起的．五、定性温度应用相似准则时，所选定的温度值是很重要的。定性温度的确定方法主要有以下三种：1)取流体的平均温度tf2)取换热壁表面的温度tw。3)取流体与壁面的算术平均温度tm＝tf+tw/2六、定性尺寸应用相似准则时，所选用的几何特征尺寸对计算结果有决定的影响，这个特征尺寸称定型尺寸，用L表示。通常把对流动状况起着主导作用的固体表面尺寸作为定型尺寸：1）流体在圆管内流动时，取内径为定型尺寸。2）流体在非圆管内流动时，取当量直径de作为定型尺寸。3)流体横掠单管时，取管外径作为定型尺寸。4)流体外掠壁面时，取流动方向的壁面长度作为定型尺寸。七、相似准则的应用方法应用相似准则的最终目的是求解对流换热量其主要步骤如下：1)先根据已知条件整理出与Nu有关的量。2)由准则方程式求Nu。3)再根据Nu＝hl/λ来求出表面传热系数h；3)然后由h求出对流换热量由：φ=hF△t。第三节管内流体强制对流换热计算流体受迫流动时的换热情况可以分为两类：１.流体在管内的受迫流动换热．２.流体在管外横掠表面的受迫流动换热．一、管内流体强制流动的状态分析二、直管内层流换热计算1．不考虑自然对流影响的管内层流的换热计算2．考虑自然对流影响的管内层流的换热计算三、直管内过渡流换热计算对于气体对于液体四、直管内紊流换热计算小温差情形对流体被加热时，当流体被冷却时，定性温度为流体平均温度，管内径为特征长度。大温差情形定性温度为流体平均温度，管内径为特征长度。上述准则方程的应用范围可进一步扩大。非圆形截面槽道用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。式中：Ac为槽道的流动截面积；P为湿周长。五、弯管的实用计算式直管求得平均表面传热系数h，然后再乘以一个大于1的弯管修正系数εR。1)对于气体2)对于液体六、表面传热系数的求解步骤1)先由已知条件计算Re，再根据Re值判断管内流态；2)根据管内流态(层流、紊流或过渡流)和适宜范围注意定型尺寸和定性温度的确定；3)由已知条件计算或选取有关修正系数；4)由实用计算式计算Nu；5)由此值求得表面传热系数h第四节管外流体强制对流换热计算一、流体强制横向流过单管横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。流体强制横向流过单管的换热量计算二.横掠管束换热实验关联式外掠管束在换热器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除排数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。第五节空间流体自然对流换热计算空间自然对流换热主要分为两种类型：1.是流体在较大空间中自然对流，因空间大自然对流不受干扰，称为大空间的自然对流换热。2.是流体在封闭狭小空间内自然对流，冷热流体相互干扰，称为有限空间的自然对流换热。自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。一、大空间自然对流换热的状态分析自然对流亦有层流和湍流之分。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。二、大空间的自然对流的换热计算三、有限空间的自然对流换热的状态分析有限空间的自然对流换热：在封闭的夹层内由高温壁到低温壁的换热过程，且其换热过程是热壁和冷壁两个自然对流过程的组合四、有限空间的自然对流换热的计算1．有限空间的自然对流换热准则方程式封闭夹层有限空间自然对流换热准则方程式用下面形式表示沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。沸腾的特点：1）液体汽化吸收大量的汽化潜热；2）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。第六节沸腾换热沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾沸腾换热分类：1）大空间沸腾（池内沸腾）；2）有限空间沸腾（管内沸腾）上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。产生沸腾的条件：

理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：1）液体必须过热；2）要有汽化核心1、大容器饱和沸腾曲线（1）大容器沸腾定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。（2）饱和沸腾定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。特点:随着壁面过热度的增高，出现4个换热规律全然不同的区域。（3）过冷沸腾

指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。（4）大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：如图6-11所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：1）单相自然对流段（液面汽化段）壁面过热度小时沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。2）核态沸腾（饱和沸腾）随着△t的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区；②随着△t的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为相互影响区。③随着△t的增大，q增大，当△t增大到一定值时，q增加到最大值，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸腾）。其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密度q达最大值。工业设计中应用该段。3）过渡沸腾从峰值点进一步提高，热流密度q减小；当增大到一定值时，热流密度减小，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定过程。原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使qm下降。4）稳定膜态沸腾从开始，随着的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使上升时，热流密度q上升，此阶段称为稳定膜态沸腾。特点：（1）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；（2）辐射热量随着的加大而剧增，使热流密度大大增加；（3）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。三、管内沸腾换热过程四、影响沸腾换热的因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。1不凝结气体对膜状凝结换热的影响与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化2液体表面的压力3液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。图中介质为一个大气压下的水▲影响沸腾换热的因素4沸腾表面的结构沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：(1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2)机械加工方法。▲影响沸腾换热的因素：凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论凝结换热实例锅炉中的水冷壁许多其他的工业应用过程第七节凝结换热凝结过程膜状凝结：定义：沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻珠状凝结：定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。珠状凝结。二、影响膜状凝结的因素1.不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力2.蒸气流速\流向流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使减小。4.液膜过冷度及温度分布的非线性如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的。5.管子排数\排列的方式管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。过热蒸气要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。▲影响膜状凝结的因素6.凝结表面的几何形状强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。▲影响膜状凝结的因素三、层流膜状凝结换热的计算1.竖管或竖壁的计算公式2.水平管的计算公式第三章辐射换热教学重点：热辐射的本质和基本定律物体间辐射换热分析教学建议：本章中，热辐射的基本定律和辐射热换计算是重点内容。作业要求：使用斯蒂芬—波