清華大學(xué)熱工基礎(chǔ)課件工程熱力學(xué)加傳熱學(xué)期末復(fù)習(xí)

清華大學(xué)熱工基礎(chǔ)課件清華大學(xué)熱工基礎(chǔ)課件涵蓋熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，并結(jié)合工程應(yīng)用，為學(xué)生提供扎實(shí)的熱工基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐能力。工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)期末復(fù)習(xí)本課程涵蓋工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分內(nèi)容，旨在幫助學(xué)生掌握熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基礎(chǔ)理論和基本方法，并能應(yīng)用于實(shí)際工程問題中。第一章熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律的學(xué)科，是工程熱力學(xué)的基礎(chǔ)。本章將介紹熱力學(xué)的基本概念、定律和應(yīng)用，為后續(xù)學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)打下基礎(chǔ)。熱力學(xué)的基本概念能量守恒熱力學(xué)第一定律描述了能量守恒原理，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。熵增加熱力學(xué)第二定律描述了熵增加原理，孤立系統(tǒng)中的熵總是傾向于增加，表明系統(tǒng)的混亂程度會(huì)不斷增加。熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度是熱力學(xué)系統(tǒng)中描述熱量傳遞方向和程度的物理量，以開爾文(K)為單位。熱力學(xué)系統(tǒng)和狀態(tài)量孤立系統(tǒng)與外界沒有能量和物質(zhì)交換，例如一個(gè)完全封閉的容器。封閉系統(tǒng)僅與外界進(jìn)行能量交換，例如一個(gè)帶有活塞的封閉容器。開放系統(tǒng)與外界既進(jìn)行能量交換，也進(jìn)行物質(zhì)交換，例如一個(gè)鍋爐。系統(tǒng)狀態(tài)量是指描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，如溫度、壓強(qiáng)、體積等。熱力學(xué)第零定律1熱平衡兩個(gè)物體相互接觸，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，它們的溫度相同。2溫度計(jì)原理溫度計(jì)測(cè)量溫度，依靠熱平衡原理，與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡，測(cè)得溫度。3熱力學(xué)系統(tǒng)的基本概念熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)的基礎(chǔ)，定義了溫度，并為熱力學(xué)其他定律奠定了基礎(chǔ)。第一定律能量守恒熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的具體表現(xiàn)形式。在熱力學(xué)系統(tǒng)中，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)三大定律之一，也是物理學(xué)的基本定律之一。它揭示了熱量與功之間的關(guān)系，為我們理解能量轉(zhuǎn)換提供了理論基礎(chǔ)。第二定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律指出，熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，或者說，熱量只能從高溫物體傳遞到低溫物體，而不可能反過來。熱力學(xué)第二定律的表述第二定律可以用不同的形式表述，例如克勞修斯表述、開爾文表述、普朗克表述等，這些表述都是等價(jià)的。第二定律的意義熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)中最基本、最重要的定律之一，它深刻揭示了能量轉(zhuǎn)換和利用的方向和規(guī)律，對(duì)自然界和人類社會(huì)有著重要的意義。熵的概念不可逆性熵是描述熱力學(xué)系統(tǒng)混亂程度的物理量，它表明系統(tǒng)在能量傳遞過程中不可避免地會(huì)存在能量損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)混亂程度增加。能量散失熵增加表示能量在傳遞過程中不可避免地會(huì)轉(zhuǎn)化為低級(jí)形式的能量，例如熱量，導(dǎo)致能量可用性降低，無法完全回收利用。隨機(jī)性熵也反映了系統(tǒng)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的隨機(jī)性，熵增加意味著系統(tǒng)的隨機(jī)性增加，粒子運(yùn)動(dòng)更加混亂無序。熵變計(jì)算1定義熵變是系統(tǒng)熵的改變量，表示系統(tǒng)混亂度的變化。2可逆過程可逆過程的熵變等于熱量變化除以溫度。3不可逆過程不可逆過程的熵變大于熱量變化除以溫度。4應(yīng)用熵變計(jì)算可用于分析熱力學(xué)過程的效率和可行性。理想氣體狀態(tài)方程定義和公式理想氣體狀態(tài)方程描述了理想氣體的壓力、體積、溫度和摩爾數(shù)之間的關(guān)系。公式為：PV=nRT，其中P是壓力，V是體積，n是摩爾數(shù)，R是理想氣體常數(shù)，T是溫度。應(yīng)用范圍該方程廣泛應(yīng)用于熱力學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，用于計(jì)算理想氣體的性質(zhì)和行為。在工程應(yīng)用中，例如發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、燃料燃燒和制冷系統(tǒng)，該方程至關(guān)重要。理想氣體的熱力學(xué)過程等溫過程溫度保持不變，氣體體積與壓力成反比關(guān)系。等壓過程壓力保持不變，氣體體積與溫度成正比關(guān)系。等容過程體積保持不變，氣體溫度與壓力成正比關(guān)系。絕熱過程沒有熱量交換，氣體溫度變化與體積變化相關(guān)。第二章流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)是研究流體（液體和氣體）的力學(xué)行為的學(xué)科。流體是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，其在外力作用下可以流動(dòng)，并呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形式。流體的基本概念流體定義流體是指在剪切應(yīng)力下會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)。流體可以分為液體和氣體，它們沒有固定的形狀。壓強(qiáng)流體內(nèi)部任意一點(diǎn)上的壓強(qiáng)是指單位面積上所受的垂直力。密度流體的密度是指單位體積的質(zhì)量。粘度粘度是流體抵抗剪切變形的能力。高粘度流體流動(dòng)緩慢，低粘度流體流動(dòng)迅速。靜止流體的壓強(qiáng)靜止流體中的壓強(qiáng)是指流體內(nèi)部各點(diǎn)受到的壓力。靜止流體的壓強(qiáng)具有以下特點(diǎn)：1方向各個(gè)方向的壓強(qiáng)都相等2深度深度越深，壓強(qiáng)越大3密度密度越大，壓強(qiáng)越大流體流動(dòng)的基本方程1質(zhì)量守恒控制體積內(nèi)質(zhì)量守恒2動(dòng)量守恒控制體積內(nèi)動(dòng)量守恒3能量守恒控制體積內(nèi)能量守恒流體流動(dòng)基本方程是建立在流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律的基礎(chǔ)上的。這些方程描述了流體在各種條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并為我們理解和預(yù)測(cè)流體流動(dòng)現(xiàn)象提供理論依據(jù)。伯努利方程能量守恒伯努利方程是流體動(dòng)力學(xué)中描述流體能量守恒的基本方程。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于水利工程、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域，用于分析流體運(yùn)動(dòng)、計(jì)算流體壓力、速度等參數(shù)。核心原理將流體動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能總和表示成常數(shù)，體現(xiàn)了流體能量在不同形式之間轉(zhuǎn)換的規(guī)律。層流與湍流1層流流體質(zhì)點(diǎn)沿平滑路徑流動(dòng)，無橫向混合。2湍流流體質(zhì)點(diǎn)沿不規(guī)則路徑流動(dòng)，有橫向混合。3雷諾數(shù)區(qū)分層流和湍流的無量綱數(shù)，表示慣性力與粘性力之比。4湍流的應(yīng)用在許多工業(yè)過程中，例如管道流、風(fēng)力渦輪機(jī)等，湍流起著至關(guān)重要的作用。流阻及其計(jì)算1流阻的概念流阻是指流體在流動(dòng)過程中遇到的阻力，會(huì)導(dǎo)致能量損失。2流阻的分類流阻可分為摩擦阻力和局部阻力，前者指流體與管壁之間的摩擦，后者指流體流動(dòng)方向突變引起的阻力。3流阻計(jì)算常用的流阻計(jì)算方法包括達(dá)西-魏斯巴赫公式和謝齊公式，用于計(jì)算摩擦阻力，而局部阻力則需要根據(jù)具體的流道形狀和流動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算。第三章對(duì)流換熱對(duì)流換熱是熱量通過流體運(yùn)動(dòng)而傳遞的一種方式，主要分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流熱傳遞基本定律傅里葉定律描述熱量在固體中的傳導(dǎo)速率，與材料熱導(dǎo)率、溫度梯度和傳熱面積成正比。牛頓冷卻定律描述對(duì)流熱傳遞速率，與流體熱傳遞系數(shù)、溫差和傳熱面積成正比。對(duì)流換熱系數(shù)衡量對(duì)流換熱效率的關(guān)鍵參數(shù)，取決于流體的性質(zhì)、流速和傳熱表面形狀。自然對(duì)流熱氣球熱氣球利用熱空氣比冷空氣密度小的原理，通過熱氣球內(nèi)的熱空氣上升。熱氣球的上升速度由熱空氣與周圍冷空氣的溫差決定。暖氣片暖氣片通過散熱，使周圍空氣溫度升高，熱空氣向上流動(dòng)，冷空氣向下流動(dòng)，形成對(duì)流循環(huán)。強(qiáng)制對(duì)流定義流體受外力驅(qū)動(dòng)，例如風(fēng)機(jī)或泵，從而導(dǎo)致流體流動(dòng)并與固體表面進(jìn)行熱交換，這被稱為強(qiáng)制對(duì)流。這是工程應(yīng)用中常見的傳熱模式，例如，風(fēng)冷機(jī)和散熱器利用強(qiáng)制對(duì)流來提高效率。影響因素強(qiáng)制對(duì)流的傳熱速率受多種因素的影響，包括流體速度、流體性質(zhì)、表面幾何形狀和流體與表面的溫差。流體速度越高，傳熱速率越高。流體的粘度和熱導(dǎo)率也會(huì)影響傳熱速率。邊界層理論流體流動(dòng)流體在固體表面附近流動(dòng)時(shí)，速度變化顯著。邊界層形成邊界層是流體速度梯度最大的區(qū)域，分為層流邊界層和湍流邊界層。換熱影響邊界層厚度直接影響對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)傳熱過程至關(guān)重要。無量綱數(shù)和相似理論11.無量綱數(shù)無量綱數(shù)是物理量之間的比值，可以消除量綱的影響，使不同尺度或條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以相互比較。22.相似性原理相似性原理是指當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)滿足某些無量綱數(shù)相等時(shí)，這兩個(gè)系統(tǒng)就具有相似性，可以相互比較。33.應(yīng)用在熱工領(lǐng)域，相似性原理被廣泛應(yīng)用于模型實(shí)驗(yàn)，例如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水力模型實(shí)驗(yàn)等。44.重要性相似性原理可以幫助我們用小型模型來模擬實(shí)際工程問題，從而節(jié)約成本、縮短研究周期。傳熱設(shè)備換熱計(jì)算1確定換熱面積計(jì)算傳熱量所需面積2確定傳熱系數(shù)基于傳熱方式和流體性質(zhì)3換熱量計(jì)算利用換熱公式計(jì)算傳熱量傳熱設(shè)備換熱計(jì)算是工程熱力學(xué)的重要組成部分，用于確定傳熱設(shè)備的性能和尺寸。計(jì)算步驟包括：確定換熱面積、確定傳熱系數(shù)、換熱量計(jì)算。每個(gè)步驟都需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第四章熱輻射熱輻射是物體由于其溫度而發(fā)射的電磁輻射，是熱傳遞的三種基本方式之一。熱輻射與物體溫度、表面特性以及周圍環(huán)境溫度有關(guān)。黑體輻射定律熱力學(xué)概念黑體指完全吸收所有入射輻射的理想物體，沒有反射或透射。普朗克定律普朗克定律描述了黑體輻射能譜隨溫度和波長的變化關(guān)系，奠定了量子物理學(xué)的基礎(chǔ)。斯特藩-玻耳茲曼定律斯特藩-玻耳茲曼定律描述了黑體輻射的總能量與溫度的四次方成正比。維恩位移定律維恩位移定律指出黑體輻射能譜峰值波長與溫度成反比，解釋了物體的顏色隨溫度的變化。實(shí)際輻射體11.黑度黑度是指實(shí)際輻射體在特定溫度下輻射能量的能力與黑體在相同溫度下輻射能量的能力之比。它的數(shù)值介于0到1之間，1代表黑體，0代表完全不輻射能量的物體。22.灰體灰體是指黑度不隨波長變化的輻射體，即在所有波長范圍內(nèi)都具有相同的黑度。實(shí)際生活中，許多物體可以近似看作灰體，如金屬表面、涂料等。33.選擇性輻射體選擇性輻射體是指黑度隨波長變化的輻射體，它們對(duì)不同波長的輻射能量吸收和發(fā)射能力不同。44.輻射系數(shù)輻射系數(shù)描述了實(shí)際輻射體在特定溫度下向某一特定方向發(fā)射輻射能的能力，其值介于0到1之間。熱輻射換熱輻射熱量物體之間的輻射換熱是指由于溫度差而產(chǎn)生的熱量傳遞。熱輻射換熱物體之間的熱量傳遞是通過電磁波形式進(jìn)行的，而非直接接觸。熱輻射系數(shù)物體對(duì)熱輻射能量的吸收、發(fā)射和反射能力。復(fù)習(xí)要點(diǎn)總結(jié)重點(diǎn)章節(jié)工程熱力學(xué)和傳熱是課程的核心內(nèi)