热工基础课程总结Word文件下载.docx

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1.1研究目的

热的利用方式主要有直接利用和间接利用两种。

前者如利用热能加热、蒸煮、冶炼、供暖等直接用热量为人们服务。

后者如通过个证热机把热能转化为机械能或者其他形式的能量供生产和生活使用。

能量的转换和传递是能量利用中的核心问题，而热工基础正是基于实际应用而用来研究能量传递和转换的科学。

传热学就是研究热量传递过程规律的学科，为了更好地间接利用热能，必须研究热能和其他能量形式间相互转换的规律。

工程热力学就是研究热能与机械能间相互转换的规律及方法的学科。

由工程热力学和传热学共同构成的热工学理论基础就是主要研究热能在工程上有效利用的规律和方法的学科。

作为一门基于实际应用而产生的学科，其最终还是要回归到实际的应用中，这样一来，就要加强对典型的热工设备的学习和掌握。

1.2研究方法

热力学的研究方法有两种：

宏观研究方法和微观研究方法。

宏观研究方法是以热力学第一定律和热力学第二定律等基本定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、理想化简化处理的方法，抽出共性，突出本质。

建立合适的物理模型通过推理得出可靠和普遍适用的公式，解决热力过程中的实际问题。

微观研究方法是从物质的微观基础上，应用统计学方法，将宏观物理量解释为微观量的统计平均值，从而解释热现象的本质。

传热学的研究方法主要有理论分析，数值模拟和实验研究。

理论分析是依据基本定律对热传递现象进行分析，建立合适的物理模型和数学模型，用数学分析方法求解；

对于难以用理论分析法求解的问题，可采用数值计算和计算机求解；

对于复杂的传热学问题无法用上述两种方法求解时，必须采用实验研究方法，实验研究法是传热学最基本的研究方法。

2主要章节内容总结

2.1基本概念（热力学基础知识）

热力系统：

根据某种研究目的认为地划定的研究对象。

按照热力系统和外界的物质和能量交换情况进行分类。

常用的热力系统有开口系统、闭口系统、绝热系统和孤立系统。

工质：

实现能量转换的媒介物质。

如水蒸气，液态水，空气等都是常用的工质

热力系统某一瞬间呈现的宏观物理状态称为热力学状态。

用于描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参量。

基本状态参量有压力、温度和比体积。

平衡态具有确定的状态参数。

准静态过程是实际过程进行的足够缓慢的极限情况。

实现准静态过程的条件是推动过程进行的不平衡势差无限小。

可逆过程与准静态过程的差别就在于无耗散损失。

一个可逆过程必须同时是准静态过程，但准静态过程不一定可逆。

2.2热力学第一定律

热力学第一定律阐述了能量间相互转换的数量关系。

本质是能量在转换过程中守恒，但依赖于物质的形态变化。

热力学第一定律应用于闭口系统的能量方程是：

热力学第一定律应用于稳流系时的能量关系式即为稳流系能量方程。

其表达式也有以下几种形式，它们的使用条件也不同：

（1）

或

（适用条件：

任意工质、任何过程）

（2）

任意工质、可逆过程）（3）

理想气体、可逆过程）

2.3理想气体的性质与热力性质

理想气体的状态方程的基本形式为PV=nRT

气体常数Rg是随工质而异的常数，工质一定，其值是一个确定的常数，摩尔气体常数是与工质无关的常数。

二者的关系为：

Rg=R/M

理想气体的比热容有真实比热容、平均比热容、平均比热容直线关系式及定值比热容。

可根据精度要求选用。

理想气体混合物仍具有理想气体的一切特性，利用理想气体混合物的成分可以求解折合气体常数和折合摩尔质量。

在理想气体的热力过程部分主要讨论了4个典型基本过程，即定容过程、定压过程、定温过程、定熵过程以及具有一般意义的多变过程。

前4种过程中总有一个状态参数保持不变；

对于多变过程，则过程中所有的状态参数都在变。

关于过程方程，应记住基本方程

，可认为理想气体在可逆过程中都遵循该关系式。

多变指数n的取值范围为从

之间的任一实数，所以该过程方程适用于所有的可逆过程。

而4种基本热力过程则是所有可逆多变过程中的几个特例，根据过程特点分别为定容过程：

n=±

∞，定压过程：

n=0，定温过程：

n=1，定熵过程：

n=，所以4种基本热力过程的过程方程不需要死记硬背就可以推出。

用来压缩空气或其他气体的设备称为压气机。

活塞式压气机绝热压缩耗功最多，定温压缩最少，多变压缩介于两者之间，所以应尽量减少压缩过程中的多变参数，使压缩过程更接近于定温过程。

但实际的活塞式压气机的余隙容积是不可避免的，余隙容积的存在，虽然对理论耗功没有影响，但使容积效率随压力比增大而减少。

为了避免单级压缩因增压比大而影响容积效率，常采用多级压缩级间冷却的方法。

2.4热力学第二定律

热力学第二定律典型的说法是克劳修斯的说法和开尔文的说法。

虽然两者在表述上不同，但实质是相同的，具有等效性。

热力学第二定律的数学表达式可归纳为以下几种：

（1）卡诺定理ηt≤ηtc,ε≤εc,ε＇≤εc＇

（2）克劳修斯积分不等式∮

≤0

（3）由克劳修斯积分不等式推出dS≥

=dSf

（4）熵方程

（5）孤立系熵增原理

熵是非常重要的状态参数，由可逆过程熵的定义式，得可逆过程熵变的基本计算公式为

上式可用于任意物质熵变的计算。

但针对不同的工质，在结合该种工质热力性质的条件下，所推出的熵变计算公式不同。

2.5实际气体的性质及热力学一般关系式

实际气体由于距液态较近，构成气体的微观粒子间的作用力不容忽略，因而不能作为理想气体处理。

实际气体偏离理想气体的程度，通常采用压缩因子或压缩系数Z表示，Z=ｐｖ／ＲｇＴ，Ｚ是状态函数，Ｚ值与１偏离越远，越表明这时的实际气体与理想气体的偏差越大。

Ｚ值的大小取决于气体种类、温度及压力。

目前研究实际气体热力性质的方法有以下两种：

（1）利用实际气体的状态方程，状态方程种类繁多，其中范德瓦尔方程最具代表意义。

目前随着状态方程精度的提高，这种方法获得相当精确的结果。

但状态方程往往也很复杂，因而难以通过解析法求解。

通常可利用状态方程做成图表形式，以供查看。

（2）依据对比态原理，利用压缩因子对理想气体状态方程计算的结果进行修正，这种方法突出的优点在于通用性好，适用于任何气体。

由于对比态只是一个近似的原理，因而这种方法计算结果精度不高，但在气体热力性质资料缺乏的情况下，这种方法较为简便，而且一般能够满足工程中的精度要求。

对于简单可压缩系，热力学中的状态参数主要有两个独立变量。

依据热力学第一、第二定律及其参数的特性，导出了适用于任何工质的熵，热力学能和焓的一般关系式。

同时提出了亥姆赫兹函数和吉布斯函数，其物理含义分别是：

亥姆赫兹函数表示可逆过程外界对系统所做的膨胀功；

吉布斯函数表示可逆定温过程中系统对外所做的技术功。

2.6水蒸气和湿空气

水蒸气由液态水经汽化产生，它离液态较近；

湿空气是指含有水蒸气的空气。

这两种气体其性质较为复杂，因而不能作为理想气体来处理。

工业和生活中所用的水蒸气通常是在定压条件下对水加热产生的，水蒸气在定压情况下的产生过程表示在P-V图和T-S图，可概括为：

一点（临界点）、两线（饱和水线和饱和蒸汽线）、三区（未饱和水区、湿蒸汽区和过热蒸汽区）及五态（未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸汽和过热蒸汽）。

由于水蒸气复杂的热力性质，工程计算中通常采用一种简易方法，即利用水蒸气的热力性质图、表来确定其状态并进行热力过程的功量、热量的计算。

湿空气是一种由氮气、氧气等气体和水蒸气所组成的一种混合气体，其热力性质可通过一系列的概念来描述，如水蒸气的分压力、饱和压力、相对湿度、含湿量、比焓等。

工业中存在两种典型的湿空气热力过程分别是冷却去湿过程和加热吸湿过程，有时可能是几种热力过程的结合。

湿空气的热力计算通常也采用图表的简易算法，最常用的水蒸气热力性质图是h-d图。

2.7动力装置循环

将热能转换成机械能的设备称为热机。

根据循环介质不同热机主要分为两种形式：

蒸汽动力装置和气体动力装置。

实际循环都是复杂的不可逆的，为使分析简化，通常将实际循环抽象概括成可逆的理论循环，通过理论循环分析，找出影响循环效率的因素，从而获得提高热效率的有效措施。

郎肯循环是基本的蒸气动力循环，通过理论循环的热力学分析，得出提高循环的热效率主要有两种途径：

一是改变循环初参数，即提高蒸气的初压、初温及降低乏汽压力；

二是改变循环的方式，即采用回热、再热循环及热电联产。

前者在改变参数的同时受到设备投资、运行等各种条件的限制，因此实际中通常两种途径配合采用。

活塞式内燃机循环和燃气轮机是典型的两种气体动力循环，前者根据工质不同可分为煤气机、汽油机和柴油机；

根据循环方式不同又可分为混合加热循环、定压加热循环和定容加热循环。

通过柴油机的理论循环分析得出结论，提高循环的压缩比、定容增压比及降低定压预账比均可提高循环的热效率。

燃气轮机也是一种以空气和燃气为工质的动力装置，通过理论循环分析可知，循环的热效率取决于循环增压比，而且随循环增压比的增大而提高，与循环增温比无关。

2.8制冷循环

制冷循环是一种不完全逆向卡诺循环，它通过消耗机械能或外界驱动热源实现了热量从低温物体向高温物体的传递，是一种重要的热力循环。

评价制冷循环的性能指标主要是制冷系数和热力完善度。

制冷系数表示循环获得的制冷量与所消耗的代价之比，热力完善度表示实际制冷循环接近于可逆卡诺循环的程度。

蒸气压缩制冷循环依靠相变潜热来制冷，单位质量制冷剂的制冷量较大，因而应用最为广泛。

吸收式制冷由于不消耗电能，以热能来驱动，故在电力紧张而余热丰富的场合尤为适用。

热电制冷循环是一种利用温差热电效应的制冷方式，突出优点在于无污染、无噪音，但其效率低，故一般用于小容量小体积的场合。

热泵循环也是逆向循环，其不同于制冷循环之处在于热泵循环的目的在于向高温热源释放能量。

由于热泵装置的供暖系数永远大于1，故在节能方面优于其他供热方式。

但热泵循环的上限温度为被加热物体的温度，下限温度为环境温度，因而它的应用会受到一定限制。

2.9热量传递的基本方式

在物体内部或相互接触物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象称为热传导（简称导热）。

热对流是指由于流体的宏观运动时温度不同的流体相对位移而产生的热量传递现象。

由于物体内部微观粒子的热运动（或者说由于物体自身的温度）而使物体向外发射辐射能的现象称为热辐射。

热辐射相对于导热和对流具有以下特点：

（1）热辐射总是伴随着热能与辐射能这两种能量形式之间的相互转化。

（2）热辐射不需要中介，可以在真空中传播。

（3）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。

2.10导热

在某一时刻t，物体内所有各点的温度分布称为温度在t时刻的温度场

在温度场中，温度沿法线方向的温度变化率（偏导数）称为温度梯度。

对于物性参数不随方向变化的各向同性物体，傅里叶定律的数学表达式为

在直角坐标系中，导热微分方程式的一般表达式为

它建立了导热过程中物体的温度随时间和空间变化的函数关系。

导热微分方程和单值性条件一起构成了具体导热过程完整的数学描述。

热阻，是根据热量传递规律与电学中欧姆定律的类比得出的，“热流相当于电流，温差相当于电位差，热阻相当于电阻。

根据电阻串、并联的原理，应用热阻网络图能够使计算多层物体及复合体的导热问题变得简单。

但需要特别注意的是:

热阻网络分析只适用于无内热源、定壁温的一维稳态导热问题，对于其他一维稳态导