热工学原理.docx

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热工学原理

热学（03）

【湿度计】用以测定空气的绝对湿度或相对湿度的仪器，称为“湿度计”。

种类很多，有干湿球温度计，毛发湿度计，通风干湿计，自记湿度计，露点湿度计等。

【露点】使空气中所含有的水蒸汽达到饱和状态而结露时的温度叫做“露点”。

它是表示大气干湿程度的方式之一。

在水汽无增减、气压不变的情况下，空气中的水蒸气由于冷却而达到饱和时的温度。

当气温与露点的差值越小，表示空气越接近饱和，空气的相对湿度则越高。

例如，在某一气压下，测得空气的温度是20℃，露点是12℃，从表中查到20℃时的饱和蒸汽压为2328Pa（17.54毫米汞柱），12℃时的饱和蒸汽压为1402.3Pa（10.52毫米汞柱），则此时。

空气的绝对湿度P=1402.3Pa，

露点的高低和大气的湿度有关。

当大气的相对湿度大时露点高，相对湿度小则露点低。

若露点在冰点以上，即变成雨、露、云、雾。

若在冰点以下，则生成霜、雪、雹等。

【露】空气在较冷的物体表面上凝结成的水滴，这一现象多发生在夜间的户外。

例如，天黑后植物或岩石等物体会放出热量而冷却。

周围温暖、潮湿的空气，与物体相接触部分，达到饱和状态而成结晶水，附于其上便为露，它是属于液化的现象。

这一现象多发生在夏秋之间，因这一时期的昼夜温差较大。

【骤雨】夏季烈日当头，地面水汽上升，易形成剧烈的上升气流，形成乱积云。

大粒水滴下落，形成倾盆大雨，并拌有雷声，亦称暴雨。

【雾】白天太阳照射地面，地面吸收并积蓄了大量的热。

夜间，热就开始向空中散发而使地面温度降低。

如冷至露点以下，就会使接近地面的水蒸汽达到饱和状态。

这些饱和水汽就以空气中的烟尘为核心，而凝结为细小的水滴，浮游于空中，如白气，是为雾。

雾滴的直径在0.03毫米～0.04毫米。

雾的形成条件必须是无风或风力极微弱的情况下，同时要有凝结核，空气还必须冷至雾点以下才行。

中国四川的重庆及英国的伦敦，由于地理位置及环境的因素，经常出现大雾，故称之为雾都。

【雾冰】由雾凝冻而成的白色不透明的小粒状的冰晶。

在浓雾中当气温降至0℃以下，雾的水滴在物体或冰的表面凝冻而成的。

它不像霜一样的结晶，而是小粒状的冰集合体。

【凝结】物质由气相转变为液相的过程，称为凝结，即液化的过程。

使蒸汽凝结成液体，在凝结过程中放热。

如果蒸汽单独凝结，则常以凝结核为中心而形成液滴，如雾。

若蒸汽与液体共存，则凝结一般在液体表面发生。

见“液化”条。

【凝结核】蒸汽在凝结过程中，常是以气中的尘埃、杂质颗粒或带电粒子为中心，在它们周围开始凝结，这些起凝结作用的颗粒称作凝结核。

如果蒸汽中缺少这种凝结核，则蒸汽将不会凝结，而会成为过饱和蒸汽。

【气泡室】类似于云室，它用高压过热液体取代云室中的过饱和蒸汽。

所用的液体通常为液态氢或丙烷等。

当液体处于过热状态时，尽管液温已超过正常沸点亦不沸腾。

此时若有带电粒子通过，在粒子经过的路径上液体被电离。

而这些离子的周围便产生一些小气泡，因而就显示出带电粒子的径迹。

【升华】固态物质不经过液态过程，直接蒸发变成蒸汽的过程叫做“升华”。

升华是一个吸热过程，一般在常温和常压下，任何固体表面都会发生升华现象。

例如，碘化钾、干冰、硫、磷、樟脑等物质都有很显著的升华现象。

从微观角度来看，晶体表面的分子挣脱其他分子的吸引，而跑到晶体外面去成为蒸汽分子的过程就是升华。

在三相点的压强以下加热时，固相物质就可以不经过液相而直接变成气相。

例如，樟脑丸的逐渐变小，冬天晾在室外结了冰的衣服会变干，这就是升华的结果。

【升华热】是单位质量的物质升华时所吸收的热量，也等于单位质量的同种物质在相同条件下的熔解热与汽化热之和。

升华实际上是晶体中的微粒直接脱离晶体点阵结构而转变成为气体分子的现象，把能使1千克物质升华时所吸收的热量称为升华热。

如用r表示升华热则有

式中m为升华了的物质的质量；Q为升华时吸收的热量，它的单位也是焦耳/千克。

在升华过程中，微粒一方面必须要克服粒子间的结合力做功，另一方面还要克服外界的压强而做功。

根据能量守恒定律，此时必定要从外界吸收热量。

因此升华热在数值上与熔解热和汽化热之和相等。

其关系式为

r=λ+L。

【干冰】它是固态的二氧化碳（CO2），雪白色，熔点为-78.5℃，能从固态直接升华为气态。

在常压下蒸发时可得—80℃左右的低温，减压下蒸发时则温度更低。

主要用于食品工业及作致冷剂，亦可用为人工降雨的化学药剂。

【凝华】物质由气态不经液态，而直接转变为固态的过程叫做“凝华”。

在这个过程中物质放出热量而降低温度。

单位质量的气态物质凝华时，所放出的热量叫做凝华热。

在相同的温度状态下同种物质的升华热等于凝华热，且等于相同条件下，它的汽化热和熔解热的和。

例如，空气中的水蒸汽遇冷直接凝结于物体的表面，而成霜。

【霜】当气温降至0℃以下，空气中的水蒸汽不经液态而凝华在地面物体表面呈白色的结晶体，叫做霜。

霜一般出现于晴朗天气无风的夜晚或清晨。

早霜多在晚秋出现，而晚霜则在早春时产生。

霜的出现一般受局部地区影响很大，尽管在同一地区，同一时间里，不一定处处都见到霜。

在有霜季节，往往伴随霜冻出现。

霜是凝华的表现。

北方霜降一般在10月底，为初霜期。

植物在冷暖过渡季节因周围气温短时间降低到0℃或0℃以下可能遭受冻害。

但出现霜冻时霜不一定出现。

【霰】为白色不透明球形或圆锥形的固体降水物，直径比米雪大，2～5毫米。

这是由过冷水滴碰撞在冰晶（或雪花）上冻结所致，落地后会反跳，且易破碎。

霰多在落雪前在一定对流强度的云中降落，多为阵性降落。

【雹】为球形，圆锥形或不规则形体的冰块，直径大小不一，常见的5～50毫米，也有直径约30厘米的大冰雹。

雹常自升降气流特别强烈的积雨云中降落。

雹一般是由霰在积雨云中随气流多次升降，不断与沿途雪花、小水滴等合并，形成具有透明与不透明交替层次的冰块。

在它增大到一定程度时，上升气流支持不住而降落到地面，俗称冰雹。

降雹为阵性，但其危害性却极大。

【三相图】当固体升华时，若固体和它的蒸汽达到动态平衡，则此时的蒸汽叫做饱和蒸汽，它的压强就叫做饱和蒸汽压强。

如图2－12P—T图的曲线OS，叫做升华曲线。

它表示固、气两相共存时的温度和饱和蒸汽压强之间的关系。

P、T两个参量中，只要确定任何一个，则另一参量即可确定，但它们都不能任意选定。

图2－12所示的P—T图为三相图。

它表示固、液、气三相存在的条件以及相互转变的情况。

如果固、液、气三相是平衡共存的，则温度和压强都是确定的，没有哪一个参量可以任意选取。

因此，这三条曲线的公共交点O便表示了三相共存的状态，故称做三相点，例如，水的相点的温度是0.01℃（即273.16开），压强是546.84Pa（4.851毫米汞柱）。

任一物质都有它独特的相图，特别是在冶金工艺方面，相图是重要的依据。

掌握三相图可控制相变的条件。

由于三相共存是一个不变的系统，三相点是不受其他条件影响而确定的状态，所以，三相点温度是一个确定的温度。

为此，才选取三相点的温度作为制定温标的参考点。

【能量守恒定律】在自然界里所发生的一切过程中，能量既不会消灭，也不会创生，它只能从一种形式转变为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变。

这个规律叫做“能的转化和守恒定律”。

或者说，任一封闭系统，无论发生什么变化，其能量的总值保持不变。

这一定律包括定性和定量两个方面，在性质上它确定了能量形式的可变性，在数值上肯定了自然界能量总和的守恒性。

一种能量的减少，总是拌随某种能量的增加，一减一增，其数值相等。

各种不同形式的运动（机械运动、热运动、电磁运动等等）都具有相应的能量，因而这一定律是人类对自然现象长期观察和研究的经验总结。

【热工学】它是以研究热能与机械能互相转化以及如何将热能合理地运用在生活和生产上的一门综合性学科。

它以传热学和工程热力学为理论基础。

主要研究范围包括锅炉、蒸汽机、汽轮机、内燃机、燃气轮机和制冷设备等的工作原理和结构。

原子核反应堆的热能，太阳能以及地下热的利用等也在热工学研究的范围。

【热机】热力发动机的简称。

它能够连续不断地把燃料燃烧时所放出的热量，通过传热的方式转变为物质的内能，再通过做功的方式转变为其他形式的能（如机械能）。

它的种类很多，但是它们的主要工作原理都是利用高温高压的气体或蒸汽膨胀做功。

如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。

是工农业生产、发电、交通运输各部门所需动力的主要来源。

热能的来源有燃料燃烧所放出的热能以及原子能、太阳能及地热等。

热机的组成必须具备三个组成部分。

其一是发热器，它是使燃料所释放出的能量转变为工质内能的装置；其二是工作部分，它是使工质消耗内能来做机械功的装置；其三是冷凝器，这部分是容纳工作部分排出的废工质的装置。

热机工作时，工质从发热器得到的热量，只有一部分转变为机械功，其余部分都传给了冷凝器。

工质从发热器得到的热量是Q1，其中一部分Q2被做过功的废工质带入冷凝器，转变为机械功的只是Q1—Q2。

【工质】热机都是利用气体或蒸汽的膨胀来做功的，在技术上常称气体或蒸汽为热机的工作物质，简称为工质。

蒸汽机和汽轮机中的工质是蒸汽；内燃机的工质是汽油或柴油与空气的混合物。

【锅炉】它是高压蒸汽的发生器。

在锅炉中燃料的化学能转变为蒸汽的内能。

锅炉由火室和汽锅两部分组成。

根据构造和形式的不同，可以分为水管式锅炉和烟管式锅炉。

水在水管或汽锅中受热变成水蒸汽后，由前水管送到汽锅的上部，汽锅中的饱和水蒸汽又由输汽管送到过热器中，再次受热变成过热蒸汽，过热蒸汽经过送气管送到蒸汽机的汽缸中去推动活塞做功。

从火室中出来的烟气的温度很高，通常在350℃至400℃左右，为此在烟道中装有省煤器，器中装水，以便烟气通过时使水预热升温，将这样的高温水注入汽锅，可避免汽锅温度的剧烈变化。

水管式锅炉蒸发量大，水管、汽锅和火室体积很大，一般用在火力发电站等固定位置。

火车上用的是烟管式锅炉，结构简单，体积小，被广泛地使用在火车或小型工厂。

【安全阀】密闭在锅炉里的蒸汽，当压强超过一定限度时，汽锅有爆炸的危险。

为保证安全生产，各种锅炉都装有安全阀，安全阀平时是关闭着的。

当锅炉里的蒸汽压强超过一定限度时，蒸汽就会顶开安全阀，泄出一部分蒸气，而使锅炉里的气压恢复到安全限度以内，避免事故的发生。

安全阀是利用杠杆原理制成的可调节控制汽压的装置。

【蒸汽机】利用蒸汽的循环，把热能转变为机械能的装置。

将高温高压的水蒸汽引入蒸汽机的汽缸，利用蒸汽的膨胀，推动汽缸里的活塞往复运动。

并且利用活塞杆、十字头、连杆、曲柄、飞轮，使活塞的往复运动转换为飞轮的转动。

蒸气机车就是利用蒸汽机为动力的一种装置。

【静点】当蒸汽机的活塞杆、连杆和曲柄位于同一条直线上时，连杆不能使曲柄转动，这个位置叫做“静点”，出现静点时，机器不能运转。

为了使曲柄在静点的时候还能够继续转动，就在机轴上装置一个很重的飞轮，依靠飞轮转动的惯性，使曲柄通过静点，维持机器连续不断地转动。

活塞往复一次将出现两次静点。

也有把静点叫做死点的。

【冷凝器】蒸汽在汽缸中膨胀做功以后，内能已经减少，常把它叫做废汽，或称为废工质。

为使蒸汽机继续工作，就必须把废工质从汽缸中排出，并再吸进新的工质。

容纳废工质的装置就叫做冷凝器。

根据不同的需要冷凝器的种类亦有所不同，火车蒸汽机的冷凝器是大气。

常见的冷凝器有喷射式和水管式，废工质经冷凝器后气温降低凝结成水，这部分水含杂质很少，而且水温较高，可经过去油污等处理再送到锅炉里作为给水，既可节约燃料，又能延长锅炉的寿命。

【燃烧效率】燃料在发热器中燃烧时，往往由于设备不够完善而不能完全燃烧，同时也不可能把燃烧时所释放的化学能全部转变为工质的内能。

设燃料经过完全燃烧所能够放出的热量是Q，传递给工质的热量只有Q1，那么燃烧效率：

因为燃料的燃烧过程是在锅炉中进行的，所以燃烧效率也称为锅炉效率。

【热效率】工质从发热器吸收到的热量Q1，在做功时并不能全部转变为机械功，其中总是有一部分热量Q2要被废工质带出热机的工作部分。

所以转变成机械功的净热量是Q1—Q2，而热机的热效率：

【机械效率（热学）