热工基础课程总结Word文档下载推荐.docx

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1热工基础的研究目的和研究方法

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）（适用条件：

任意工质、可逆过程）（3）（适用条件：

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=κ，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。

2.6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。

2.7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热、非稳态导热及多维导热问题均不适用。

在非稳态导热问题中，物体内的温度场不仅随空间变化，而且还是时间的函数，求解方法有集总参数法、数值解法、分析解法或诺谟图法等。

集总参数法是本章非稳态导热问题的重点，使用时应注意以下几点：

（1）只有满足Bi≤0.1或BiV≤0.1M条件的非稳态导热问题，才可以用集总参数法求解；

（2）一般情况下，Bi≠BiV（只有无限大平壁相等）；

（3）如果用Bi作为判别条件，定型尺寸L为从绝热面到对流换热表面的垂直距离（两面换热的无限大平壁：

壁厚的一半；

单面换热的无限大平壁：

整个壁厚；

无限长圆柱体和球：

半径）；

（4）如果用BiV作为判别条件，定型尺寸L=V/A；

（5）如果用式计算温度场，注意BiV和FoV中L=V/A。

计算从到时刻通过物体传热表面传递的总热量Qτ用以下公式2.8对流换热

对流传热的基本概念已经在前面介绍，这里不再重复。

影响对流传热的因素很多而又复杂，归纳起来主要有流体运动发生的原因，流体运动的状态，流体的性质及换热面的形状、位置尺寸等方面。

对流换热系数α集中反映了放热过程中的一切复杂因素，能反应对流换热的程度，但它不能简化对流换热问题的计算。

相似原理是一种能使试验布置及实验数据综合处理的理论，主要有三个核心内容。

一是物理现象相似的性质；

凡是彼此相似的现象，它们的同名相似准则必定相等。

这解决了实验中测量什么量的问题。

二是相似准则间的关系，物理现象中的物理量不是单个起作用的，而是由其组成的准则起作用，它解决了实验数据如何整理的问题。

三是判断相似的条件：

凡同类现象，如单值条件相似，且同名准则相等，则准则必定相似，它解决了实际工程如何模拟实验，实验结果能否应用到实际工程中的问题。

2.9辐射换热

物体对外界辐射来的热量具有吸收、反射和透射的能力。

分别用吸收比、反射比和透射比反映物体相应能力的大小。

黑体（α=1）、白体（ρ=1）和透明体（τ=1）都是假想的理想物体。

在两个漫灰表面温度均匀、发射率均匀、反射率均匀、投射辐射也均匀的条件下，角系数为一个纯几何参数，它仅与物体的形状、大小、距离和位置有关。

角系数具有相对性（又称互换性）；

完整性和分解性。

角系数可利用角系数定义直接判断，也可用积分法、查曲线图、或代数法（利用角系数特性和已知角系数求解）等方式获得，要求重点掌握利用角系数定义直接判断、查曲线图和代数法。

热阻网络图：

画辐射换热热阻网络图（热路图）的原则：

对于黑体，表面热阻为0，对于灰体，表面热阻＞0；

任意两表面间辐射换热都有空间热阻。

所以两黑体辐射换热热阻网络图只有一个空间热阻；

两灰体辐射换热热阻网络图各有一个表面热阻，还有一个空间热阻；

一个黑体和一个灰体辐射换热热阻网络图有一个空间热阻，另在灰体表面还有一个表面热阻。

遮热板：

在两辐射表面之间放置黑度很小的薄板来遮挡辐射热，称为遮热板。

未加遮热板时，两个物体间的辐射热阻为两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻。

加了遮热板后，在不考虑遮热板导热热阻的情况下，将增加两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻（遮热板本身的导热热阻忽略不计）。

因此总的辐射热阻增加，物体间的辐射传热量减少。

这就是遮热板的工作原理。

如果遮热板表面的性质与原辐射物体表面的性质相同，则在两块大平行平板间插入n块发射率相同的遮热板（薄金属板）时的辐射传热热流量为无遮热板时辐射传热热