工程熱力學基礎

1工程熱力學（EngineeringThermodynamics）

2第1章

熱力學基本概念第2章

熱力學基本定律第3章氣體的性質和熱力過程第4章

實際氣體與濕空氣第5章熱機

《工程熱力學》

31.能源的種類：水力能、風能、地熱能、太陽能、燃料的化學能、核能、海洋能、生物質能等。2.通過熱能形式被利用的能源在我國占總能源利用的90%以上，世界其他各國也平均超過85%。熱能的利用方式：直接利用：加熱（冷卻）；間接利用：熱能－機械能（電能）。

3.工程熱力學主要是研究熱能和機械能相互轉換規(guī)律、方法和提高轉化效率的途徑。

緒論4

1.熱力系統(tǒng)：人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統(tǒng)。

閉口系—closedsystem

（控制質量CM）

—沒有質量越過邊界

一、基本概念5開口系—opensystem（控制體積CV）

—通過邊界與外界有質量交換6

汽車發(fā)動機幻燈片7

簡單可壓縮系—simplecompressiblesystem

—由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界僅有交換容積變化功的有限物質系統(tǒng)。絕熱系—adiabaticsystem—

與外界無熱量交換;

孤立系—isolatedsystem—

與外界無任何形式的質能交換。82.可逆過程和不可逆過程定義：系統(tǒng)可經原途徑返回原來狀態(tài)而在外界不留下任何變化的過程。條件：傳熱無溫差，膨脹無壓差、無摩擦等耗散。不可逆可逆93.過程功功的符號約定：

系統(tǒng)對外作功為“+”；

外界對系統(tǒng)作功為“-”體積變化功：僅僅由于體積發(fā)生變化而通過邊界傳遞的機械功。它是過程量。對可逆過程：104.熱量：僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。符號約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”單位：J,kJ可逆過程計算式及狀態(tài)參數(shù)圖功和熱量是過程量。115.熱力學能（內能）、總能和焓熱力學能(internalenergy)

由于分子熱運動而具有的能量?？偅▋Υ妫┠?totalstoredenergyofsystem)總能熱力學能，內部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀位能焓(enthalpy)定義：H=U+pV

h=u+pv單位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是狀態(tài)參數(shù)物理意義：開口系統(tǒng)中引進或排出工質而輸入或排出系統(tǒng)的總能量。127.

工質的性質13狀態(tài)方程對簡單可壓縮系，只要知道兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)，就可以確定其狀態(tài)。特例：分子為不占體積的彈性質點；除碰撞外分子間無其它作用力。理想氣體的假設與狀態(tài)方程：14理想氣體是實際氣體在低壓高溫時的抽象，常溫下空氣、氧氣、氮氣、濕空氣等可以看作理想氣體計算。非理想氣體（如蒸汽、液體）：其溫度離其飽和較近，一般不能作為理想氣體處理，否則會有較大的誤差。其所有的狀態(tài)參數(shù)的計算可以通過查圖表或計算機軟件計算。式中，Rg是氣體常數(shù)[J/(kg.K)]，與氣體種類有關。理想氣體的狀態(tài)方程：二、熱力學第一定律第一定律的表述：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊幔灰欢康臒嵯r必定產生相應量的功；消耗一定量的功時，必出現(xiàn)與之相應量的熱。關于第一類永動機152.閉口系基本能量方程式16忽略宏觀動能ΔUk和位能ΔUp，可得：第一定律第一解析式—熱功的基本表達式對于循環(huán)3.開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程

(steady-flowenergyequation)

穩(wěn)定流動特征：17考慮只有一個進口和一個出口的情況。注意：各截面間參數(shù)可不同。1）各截面上參數(shù)不隨時間變化。2）ΔECV=0，ΔSCV=0，ΔmCV=0?···

18技術功4.穩(wěn)定流動能量方程式的應用1)蒸汽輪機、燃氣輪機(steamturbine、gasturbine)19

流進系統(tǒng)：

流出系統(tǒng)：內部儲能增量：0對于氣體，機械中的一般位能差可以忽略不計2)壓氣機、水泵類

(compressor,pump)流入：20流出：內增：0（水泵可忽略散熱）213)換熱器（鍋爐、加熱器等）(heatexchanger:boiler、heater)22流入：流出：內增：0若忽略動能差、位能差，整體絕熱將整個流體區(qū)域取作開口系(包含冷、熱流體)換熱器（鍋爐、換熱器等）234)噴管或擴壓管（絕熱）5)絕熱節(jié)流（絕熱）6)絕熱混合或分流24例題一臺穩(wěn)定工況運行的水冷式壓縮機，運行參數(shù)如附圖所示。設空氣的比熱容cp=1.003kJ/(kg·K)，水的比熱cpw=4.187kJ/(kg·K)。若不計壓氣機向環(huán)境的散熱損失以及動能差及位能差，試確定驅動該壓氣機所需的功率。[已知空氣的焓差h2-h1=cp(T2-T1)]25取控制體為壓氣機（但不包括水冷部分）考察能量平衡解：流入：

流出：內增：026若取整個壓氣機（包括水冷部分）為系統(tǒng)，忽略動能差及位能差則：流入：流出：內增0查水蒸氣表得27

本題說明：

1）同一問題，取不同熱力系，能量方程形式不同。

2）熱量是通過邊界傳遞的能量，若發(fā)生傳熱兩物體同在一體系內，則能量方程中不出現(xiàn)此項換熱量。

3）黑箱技術不必考慮內部細節(jié)，只考慮邊界上交換及狀況。

4）不一定死記能量方程，可從第一定律的基本表達出發(fā)。28卡諾循環(huán)和卡諾定理

卡諾循環(huán)是兩個恒溫熱源間的可逆循環(huán)三、熱力學第二定律29T30討論：2）3）第二類永動機不可能制成；5）實際循環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因：

a）一切過程不可逆；

b）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難；

c）氣體卡諾循環(huán)wnet太小，若考慮摩擦，輸出凈功極微。4）卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱效率的方向；1）31逆向卡諾循環(huán)

制冷系數(shù)：供暖系數(shù)：32

卡諾定理

定理1：在相同溫度的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關，與采用哪種

工質也無關。（等于卡諾循環(huán)的效率）

定理2：在同為溫度T1的熱源和同為溫度T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小

于可逆循環(huán)熱效率。332.熱力學第二定律表述

克勞修斯敘述——熱量不可能自發(fā)地不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。開爾文—普朗克敘述——不可能制造循環(huán)熱機，只從一個熱源吸熱，將之全部轉化為功，而

不在外界留下任何影響。T1失去Q1–Q2T2無得失熱機凈輸出功Wnet=Q1–Q2第二定律各種表述的等效性：34能質降低的過程可自發(fā)進行，反之需一定條件—補償過程，其總效果是總體能質降低。35與p,v,T,u,h類似，s是狀態(tài)參數(shù)，故Δs12=s2-s1與過程無關；

以工質為系統(tǒng)，吸熱為正，放熱為負，則上式可改寫為：3.熵增原理36由卡諾定理2可得到不可逆時可逆“=”不可逆“<”注意：Tr是熱源溫度；

故37可逆“=”不可逆，不等號第二定律數(shù)學表達式討論：1)違反上述任一表達式就可導出違反第二定律；2)熱力學第二定律數(shù)學表達式給出了熱過程的方向判據(jù)。38孤立系（與外界無質量、功和能量交換）可逆，“=”不可逆“>”孤立系統(tǒng)熵增原理：孤立系內一切過程均使孤立系統(tǒng)熵增加，其極限是當一切過程均可逆時系統(tǒng)的熵保持不變。孤立系統(tǒng)熵增原理393）一切實際過程都不可逆，所以可根據(jù)熵增原理判別過程進行的方向；討論：

1）孤立系統(tǒng)熵增原理ΔSiso≥0，可作為第二定律又一數(shù)學表達式，而且是更基本的一種表達式；

2）孤立系統(tǒng)的熵增原理可推廣到閉口絕熱系；4）孤立系統(tǒng)中一切過程均不改變其總內部儲能，即任意過程中能量守恒。但各種不可逆過程均可造成機械能損失，而任何不可逆過程均是ΔSiso>0，所以熵可反映物質的某種共同屬性。40a)R”=”IR”>”若不可逆，TA>TB,，以A為熱源B為冷源，利用熱機可使一部分熱能轉變成機械能，所以孤立系熵增大這里也意味這機械能損失。4.能量的品位41

b)機械功（或電能）轉化為熱能輸入WsQ（=Ws），氣體由T1

上升到T2，v1=v2工質熵變外界ΔS外=0由于熱能不可能100%轉變成機械能而不留任何影響，故這里ΔSiso>0還是意味機械能損失。42能量轉換方向性的實質是能質有差異無限可轉換能—機械能，電能部分可轉換能—熱能不可轉換能—環(huán)境介質的熱力學能435.熱量和工質的做功能力——火用(exergy)熱量火用冷量火用Tmcq1,qc為吸、放熱過程線與橫坐標軸圍成的面積。44閉口系統(tǒng)工質火用[工質初狀態(tài)(p,v)，環(huán)境狀態(tài)(p0,v0)]：穩(wěn)流開口系統(tǒng)工質火用[工質初狀態(tài)(p,v)，環(huán)境狀態(tài)(p0,v0)]：由于過程不可逆導致的火用損失（也叫做功能力損失）：：冷、熱量火用表達式兩者可統(tǒng)一寫為：45能量轉換方向性的實質是能質有差異無限可轉換能—機械能，電能機械能=機械火用，電能=電火用部分可轉換能—熱能熱量>熱量火用不可轉換能—環(huán)境介質的熱力學能環(huán)境介質的熱力學能火用=0466.從工程熱力學角度能夠提高能效的措施減小熱源-工質和冷源-工質之間的傳熱溫差；對熱機（動力循環(huán)），增大熱源與冷源之間的溫差；對逆向循環(huán)機械，減小熱源與冷源之間的溫差；采取回熱措施；盡量不要將高品位能量轉換成低品位能量利用，如發(fā)展燃料電池直接將化學能轉換為電能，而不是先將化學能轉換成熱能再轉換成機械能或電能；用熱電（冷）聯(lián)產措施代替純發(fā)電和純供熱措施；由于熱能有品位差別，所以按照品位（溫度）利用熱能；盡可能對廢熱、裕壓加以回收利用；提高做功的膨脹機和耗功的壓縮機的等熵效率；減小換熱器、管道、閥門等設備中的流動壓損；在換熱器中采取強化換熱措施；對與環(huán)境有有明顯溫差的管道等采取隔熱措施。47某人提出了一個利用溫度為600℃，壓力為0.1MPa的廢氣資源發(fā)電的方案，方案稱若廢氣流量為每小時200kg，可發(fā)電14.59kW，問此方案是否可行？[設p0=0.1MPa，t0=20℃，廢氣定壓比熱容cp=1.01kJ/(kg·K)]解：分析：廢氣的狀態(tài)點為A，環(huán)境的狀態(tài)點為B。方法1：假設將廢氣直接排放到大氣中，則廢氣的做功能力全部損失。則取廢氣和大氣為孤立系統(tǒng)，根據(jù)

48

表明廢氣最充分利用僅有14.59kW，若機器全部可逆方案可實現(xiàn)，但由于必存在不可逆性，因此方案不可實現(xiàn)49方法2

根據(jù)焓火用的概念，廢氣的焓火用即為可以從廢氣得到的最大有用功。由于存在不可逆性實際機器W<Wu,max，故方案不現(xiàn)實。謝謝！

李琦芬

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傳熱學

（HeatTransfer）

《傳熱學》

第一章傳熱學基本概念第二章熱傳導第三章

對流換熱第四章熱輻射和輻射換熱第五章傳熱過程分析與換熱器1.1傳熱學的研究對象

1.2熱量傳遞的基本方式 1.2.1熱傳導 1.2.2熱對流 1.2.3熱輻射 1.3傳熱過程與傳熱系數(shù)

第一章傳熱學基本概念傳熱學的研究對象傳熱學與熱力學的區(qū)別

傳熱學（heattransfer）是研究溫差(temperaturedifference)引起的熱能傳遞規(guī)律的一門科學。所謂熱能傳遞規(guī)律主要是指單位時間內傳遞的熱量（熱能的多少）與物體中相應的溫差之間的關系。本篇內容與前面所講的工程熱力學有著密切聯(lián)系和本質區(qū)別。它們都是以熱現(xiàn)象的客觀規(guī)律作為研究對象，但是工程熱力學研究的是處于熱平衡（energyorheatbalance）狀態(tài)的系統(tǒng)，其中不存在溫差或者壓力差，而傳熱學正是研究有溫差存在時的熱能傳遞規(guī)律。熱傳遞現(xiàn)象無時無處不在，它的影響幾乎遍及現(xiàn)代所有的工業(yè)部門，很難發(fā)現(xiàn)一個行業(yè)、部門或者工業(yè)過程和傳熱完全沒有任何關系。例如：能源動力、冶金、化工、交通、建筑建材、機械以及食品、輕工、紡織、醫(yī)藥、航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學工程、環(huán)境工程、新能源以及農業(yè)工程等。熱量傳遞的基本方式傳熱的基本方式：實際傳熱過程一般都不是單一的傳熱方式，如火焰對爐壁的傳熱，就是輻射、對流和傳導的綜合。導熱對流輻射1.穩(wěn)態(tài)導熱導熱基本定律導熱的概念在無相對位移的情況下，物體內部因分、原子或自由電子等的運動而發(fā)生的熱量傳遞稱為熱傳導，簡稱導熱。溫度場某一瞬時，物體內各點的溫度分布稱為溫度場。在直角坐標系中，其數(shù)學表達式為穩(wěn)態(tài)溫度場：不隨時間變動的溫度場；非穩(wěn)態(tài)溫度場：隨時間變動的溫度場；一維穩(wěn)態(tài)溫度場：穩(wěn)態(tài)溫度場中溫度僅在一個坐標方向變化等溫面（線）—連結物體內溫度相同點的面（或線）。571.穩(wěn)態(tài)導熱導熱基本定律導熱基本定律——傅立葉定律單位時間內以導熱方式傳遞的熱量（熱流密度q）與溫度梯度和導熱面積成正比。導熱方程為：或式中：λ—熱導率；x—導熱方向；A—導熱面積。熱導率（導熱系數(shù)）λ熱導率——表征物質導熱能力的物性參數(shù)，是單位溫度梯度作用下的熱流密度，單位；與物質的種類、溫度、密度等多種因素有關；不同物質的導熱系數(shù)有很大差別，通常金屬的導熱系數(shù)大、非金屬的導熱系數(shù)?。粷穸葘Ρ夭牧系臒釋视绊懞艽?。581.穩(wěn)態(tài)導熱平壁的穩(wěn)態(tài)導熱單層平壁的穩(wěn)態(tài)導熱對于厚度為δ、導熱系數(shù)λ為常數(shù)的平壁，若平壁兩側面溫度分別為tw1和tw2，根據(jù)傅立葉定律可導得：若導熱面積為A則：其中，Δt——平壁兩側面溫度差；R——導熱熱阻591.穩(wěn)態(tài)導熱平壁的穩(wěn)態(tài)導熱多層平壁的穩(wěn)態(tài)導熱：工程實踐中遇到的通常是多層平壁，特點：通過每一層的Q=常數(shù)或q=常數(shù)?？疾烊龑颖冢瑧脽嶙璐?lián)概念可得：通過n層平壁的熱流密度：

601.穩(wěn)態(tài)導熱圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱：對于長度為L、無內熱源的內、外徑分別為d1、d2的單層圓筒壁，若其內、外壁溫度為tw1和tw2，導熱系數(shù)為λ，對導熱方程積分：通過該圓筒壁的熱流量為：

其中，Δt——圓筒壁兩側溫差；

R——導熱熱阻611.穩(wěn)態(tài)導熱圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱：對于多層圓筒壁和多層平壁一樣，可以利用熱阻串聯(lián)原則得到導熱熱量。但Q=常數(shù)，而q常數(shù)：622.對流換熱基本概念熱對流——流體的宏觀運動，使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。對流的形式自然對流：因流體的密度差而引起的流動；強制對流：流體的流動是由水泵、風機或其他外力所引起的；對流換熱——流體流過物體表面時的熱量傳遞過程；牛頓冷卻公式對流換熱以牛頓冷卻公式為基本計算式，即式中：h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、tf——流體溫度、

tw——壁面溫度、A——傳熱面積。632.對流換熱影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素流動的形式，強制對流換熱大、自然對流換熱??；流動的速度與流態(tài)。流體流速增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；紊流時大、層流時??；流體有無相變。有相變時大、無相變時??；換熱面的形狀、大小和位置；管內(外)、熱面上(下)；流體的熱物理性質。特征數(shù)方程和特征數(shù)特征數(shù)（準則）方程——工程上實用的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算公式，主要是由實驗得到的。實驗式將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與眾多相關的參數(shù)綜合成數(shù)個無量綱特征數(shù)之間的函數(shù)關系式；642.對流換熱特征數(shù)方程和特征數(shù)特征（準則）數(shù)：努塞爾數(shù)——標志對流換熱的相對強弱程度；雷諾數(shù)——表征流體慣性力和粘性力的關系；普朗特數(shù)——反映流體動量擴散能力與熱擴散能力的關系；格拉曉夫數(shù)——反映自然對流換熱中浮力與粘性力的關系。定性溫度：特征數(shù)中用以確定其物性參數(shù)的溫度；特征長度：包含在特征數(shù)中具有代表性的尺度。652.對流換熱特征數(shù)方程和特征數(shù)一般關系式：

Nu=f(Re,Pr,Gr)管內強制對流流型準則方程適用范圍定性溫度特征尺寸湍流加熱n=0.4；冷卻n=0.3104<Re<1.2×1050.7<Pr<120L/di≥60進出口溫度算術平均值管內徑di層流不考慮自然對流的影響Re<23000.48<Pr<167000.0044<μ/μw<9.75≥2Μw壁面溫度下的黏度；進出口溫度算術平均值662.對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍673.輻射換熱熱輻射的基本概念熱輻射——以電磁波的形式向外輻射熱能的過程稱為熱輻射輻射換熱：物體之間相互輻射和吸收輻射能的總效果。吸收、反射和穿透吸收率——物體吸收輻射能的比率；A反射率——物體反射輻射能的比率；R穿透率——物體透過輻射能的比率；DA+R+D=1黑體、白體和透熱體（三種理想物體）黑體——能吸收全部輻射能，A=1、R=D=0；白體——能反射全部輻射能，D=1、A=R=0；透熱體——能透過全部輻射能，R=1、A=D=0；683.輻射換熱熱輻射的基本規(guī)律斯蒂芬-玻爾茲曼定律黑體輻射力Eb與黑體熱力學溫度的四次方成正比。又稱四次方定律其中：T——黑體的熱力學溫度K；

σb=5.67×10-8W/(m2·k4)（黑體輻射常數(shù)）可改寫成Cb=5.67

W/(m2·k4)灰體：把吸收率與波長無關的物體稱為灰體，即A<1黑度ε（灰體的輻射率）：實際物體（灰體）的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比693.輻射換熱熱輻射的基本規(guī)律灰體輻射力E兩黑體表面間的輻射換熱704.傳熱與換熱器

用于冷、熱流體間傳遞熱量的裝置稱換熱器。按工作原理可分為回（蓄）熱式、混合式及間壁式三類，其中間壁式換熱器應用最廣。換熱器種類回（蓄）熱式：冷熱流體交替地流過同一表面而實現(xiàn)熱量的交換；固體表面吸收流過的熱流體的熱量，再釋放給接著流過的冷物體，如鍋爐中回熱式空氣預熱器。間壁式換熱器——冷熱流體分別在壁面兩側流動，互不接觸，通過壁面?zhèn)鬟f熱量。如暖風機、燃氣加熱器、冷凝器等；714.傳熱與換熱器換熱器種類混合式換熱器——冷熱流體直接接觸、互相混合來實現(xiàn)換熱。如空調中的噴淋室、火力發(fā)電廠中的冷卻塔等；724.傳熱與換熱器間壁式換熱器的主要形式殼管式換熱器傳熱面由管束構成，管束的兩端固定在管板上，管束與管板封裝在兩端帶封頭的圓筒形殼體內，外殼內裝有折流板，改善殼程的換熱。734.傳熱與換熱器間壁式換熱器的主要形式肋（翅）片管式換熱器幾組管外加裝了肋片的蛇形管組成通常液體走管內，空氣走管外744.傳熱與換熱器間壁式換熱器的主要形式套管式換熱器由兩根同心圓管組成流體在內外管間環(huán)形通道流動流體在內管中流動754.傳熱與換熱器間壁式換熱器的主要形式板式換熱器一組沖壓出凹凸波紋的平行薄平板疊加而成；相鄰平板之間用密封墊片隔開，形成一個通道；冷、熱流體間隔地在每個通道中流動。764.傳熱與換熱器換熱器的傳熱計算傳熱過程熱量由高溫側的流體通過壁面?zhèn)鞯降蜏貍攘黧w中去的過程稱傳熱過程，分三個區(qū)域：熱流體→壁面高溫側；壁面高溫側→壁面低溫側；壁面低溫側→冷流體。計