工程热力学与传热学全套ppt课件.ppt

工程热力学和传热学工程热力学和传热学第一篇第一篇 工程热力学工程热力学第二篇第二篇 传热学传热学2014.9.13第一章第一章 概概 论论 热能及其利用热能及其利用 工程热力学的研究对象、内容和方法工程热力学的研究对象、内容和方法 传热学的研究对象传热学的研究对象2014.9.13热能及其利用热能及其利用热能的动力利用热能的动力利用热能的直接利用热能的直接利用2014.9.13当今世界两大研究热点问题：当今世界两大研究热点问题： 节节 能能 环环 保保可再生能源：酒精、木材等可再生能源：酒精、木材等不可再生能源：石油、煤炭不可再生能源：石油、煤炭2014.9.13代用燃料：代用燃料： 酒精、天然气、酒精、天然气、 液化气、二甲醚等液化气、二甲醚等 双燃料（两者混合）双燃料（两者混合）2014.9.13 节节能能 内燃机内燃机 环保环保 原因原因: 石油石油2014.9.132014.9.13内燃机内燃机 燃料的燃烧燃料的燃烧 化学能化学能 热能热能 热能热能 机械能机械能 对外做功对外做功燃烧燃烧 热量的传递（传热）热量的传递（传热）热能转化为机械能（机械设备的热能转化为机械能（机械设备的热热分析）分析）2014.9.13冰箱(机械能热能)飞机(热能机械能)汽车(热能机械能)热电厂(热能机械能) 工程热力学和传热学工程热力学和传热学的研究内容及其在科学技术和的研究内容及其在科学技术和工程中的应用工程中的应用2014.9.13特别是在下列技术领域大量存在、特别是在下列技术领域大量存在、工程热力学和传热学工程热力学和传热学问题问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（系统（MEMSMEMS）、）、新材料、军事科学与技术、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术生命科学与生物技术工程热力学和传热学工程热力学和传热学在生产技术等众多领域中在生产技术等众多领域中的应用十分广泛：的应用十分广泛：2014.9.13在几个特殊领域中也有许多应用：在几个特殊领域中也有许多应用：a a 航航空空航航天天：高高温温叶叶片片气气膜膜冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；火火箭箭推推力力室室的的再再生生冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；卫卫星星与与空空间间站站热热控控制制；空空间间飞飞行行器器重重返返大大气气层层冷冷却却；超超高高音音速速飞飞行行器器（Ma=10Ma=10）冷冷却却；核核热热火火箭箭、电电火火箭箭；微微型型火火箭箭（电电火火箭箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机化学火箭）；太阳能高空无人飞机2014.9.13b b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却c c 生生物物医医学学：肿肿瘤瘤高高温温热热疗疗；生生物物芯芯片片；组织与器官的冷冻保存组织与器官的冷冻保存d d 军军 事事：飞飞机机、坦坦克克；激激光光武武器器；弹弹药药贮存贮存e e 制制 冷冷：跨跨临临界界二二氧氧化化碳碳汽汽车车空空调调/ /热热泵泵；高温水源热泵高温水源热泵f f 新能源：太阳能；燃料电池新能源：太阳能；燃料电池2014.9.13热能在热机中的转换过程热能在热机中的转换过程一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程一、热能动力装置中热能转换为机械能的过程热能动力装置蒸汽动力装置内燃动力装置燃燃气气进进口口排入大气排入大气1.内燃动力装置2014.9.132.蒸汽动力装置2014.9.13二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程二、制冷装置中热量从低温处传递到高温处的过程蒸发器q2压缩机q1w冷凝器膨胀阀12342014.9.13工程热力学的研究对象、内容和方法工程热力学的研究对象、内容和方法研究对象：研究对象：热能与机械能相互转换的规律和方法以及提高转换效率的途径。

基本内容：基本内容：1）基本概念和定律；2）工质的性质和过程；3）工程应用；方法：方法：1）宏观方法；(宏观热力学或经典热力学)2）微观方法；(微观热力学或统计热力学)2014.9.13 传热学的研究对象和问题传热学的研究对象和问题研究对象：研究对象：传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学实际问题分为两大类：实际问题分为两大类：1）确定设备所应有的热传递速率2）确定设备所要求的温度分布热传递分为三种基本方式热传递分为三种基本方式:热传导、热对流、热辐射2014.9.13 传热学与热力学的区别传热学与热力学的区别热力学热力学 系统从一个平衡态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少中传递热量的多少传热学传热学 关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率量传递的速率热力学：传热学：水，M220oC铁 块 ,M1300oC2014.9.13第二章第二章 基本概念基本概念第一节第一节 热力系统热力系统第二节第二节 热力状态及状态参数热力状态及状态参数第三节第三节 热力过程热力过程第四节第四节 热力循环热力循环2014.9.13第一节第一节 热力系统热力系统一、一、一、一、 系统、边界与外界系统、边界与外界系统、边界与外界系统、边界与外界系统：系统：系统：系统：热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体。

热设备中分离出来作为热力学研究对象的物体外界：外界：外界：外界：系统之外与系统有关的物体系统之外与系统有关的物体边界：边界：边界：边界：系统与外界的分界面系统与外界的分界面边界可以是假想的，也可以是实际存在的，可以是固定的，也可以是移动的通常用虚线标出QW图1膨胀中的燃气系统的边界图2流动中的工质系统的边界2014.9.13二、系统的类型二、系统的类型 1.1.1.1.按系统与外界交换的形式分类按系统与外界交换的形式分类按系统与外界交换的形式分类按系统与外界交换的形式分类系统与外界有三种相互作用形式：质、功、热质、功、热1 1）开口系统：开口系统：开口系统：开口系统：系统与外界有物质交换系统与外界有物质交换工质流入工质流出QW系统边界图3开口系统稳定流动开口系统不稳定流动开口系统2014.9.132 2 2 2）闭口系统：）闭口系统：）闭口系统：）闭口系统：系统与外界无物质交换系统与外界无物质交换闭口系统具有恒定质量，但具有恒定质量的系统不一定都是闭口系统QW图4膨胀中的燃气系统的边界2014.9.133 3 3 3）绝热系统：）绝热系统：）绝热系统：）绝热系统：系统与外界没有热量交换系统与外界没有热量交换冷源QW图5把冷源包括在内的绝热系统2014.9.134 4 4 4）孤立系统：）孤立系统：）孤立系统：）孤立系统：系统与外界既没有物质交换，也没有热系统与外界既没有物质交换，也没有热和功的交换和功的交换图7孤立系统内两物体间的热传递边界系统T2T1QBA2014.9.132.2.2.2.按系统内部状况分类按系统内部状况分类按系统内部状况分类按系统内部状况分类1）单相系和复相系）单相系和复相系2）单元系与多元系单元系与多元系单元系与多元系单元系与多元系3 3 3 3）均匀系统与非均匀系统）均匀系统与非均匀系统）均匀系统与非均匀系统）均匀系统与非均匀系统第二节第二节 热力状态及状态参数热力状态及状态参数一、状态一、状态及状态参数及状态参数状态：状态：状态：状态：热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况热力系统在某一瞬间所处的宏观物理状况 状态参数：状态参数：状态参数：状态参数：描述系统宏观特性的物理量描述系统宏观特性的物理量2014.9.13二、热力学平衡态二、热力学平衡态1.1.平衡态：平衡态：在无外界影响的条件下，如果系统的状在无外界影响的条件下，如果系统的状态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学态不随时间而变化，则该系统所处的状态称为热力学平衡态。

平衡态2.2.系统实现平衡态的条件系统实现平衡态的条件在不发生化学反应的系统内在不发生化学反应的系统内, ,如同时满足力学平衡条件如同时满足力学平衡条件和热平衡条件和热平衡条件, ,则系统处于热力学平衡态则系统处于热力学平衡态3.3.平衡与稳定、均匀的差别平衡与稳定、均匀的差别平衡必稳定，稳定未必平衡平衡必稳定，稳定未必平衡均匀必平衡，平衡未必均匀均匀必平衡，平衡未必均匀2014.9.13三、热力状态参数三、热力状态参数1.1.常用状态参数：压力、温度、体积、热力学能、焓和熵常用状态参数：压力、温度、体积、热力学能、焓和熵重要特征：重要特征：重要特征：重要特征：1 1）状态参数的数值由系统的状态唯一定确定）状态参数的数值由系统的状态唯一定确定2 2）当系统从初态变为终态时）当系统从初态变为终态时, ,状态参数的变化量状态参数的变化量, ,只与系只与系统的初、终状态有关统的初、终状态有关, ,而与变化的途径无关而与变化的途径无关状态参数是系统状态的单值函数或点函数状态参数是系统状态的单值函数或点函数, ,状态参数的微状态参数的微元变量是全微分这是判断某一参数是否为状态参数的元变量是全微分。

这是判断某一参数是否为状态参数的充分和必要条件充分和必要条件充分和必要条件充分和必要条件功和热量是过程量功和热量是过程量，不仅与初、终状态参数有关，还与过程有关2014.9.132.状态参数分类状态参数分类强度量尺度量压力、温度体积、热力学能、焓、熵基本参数导出参数压力、温度、体积热力学能、焓、熵2014.9.133.基本状态参数基本状态参数a.a.a.a.压力：压力：压力：压力：系统表面单位面积上的垂直作用力系统表面单位面积上的垂直作用力1)(1)压力的单位：压力的单位：压力的单位：压力的单位：1N/m1N/m2 2 = 1Pa(= 1Pa(帕）帕）(2)(2) 1MPa = 101MPa = 106 6Pa Pa ； 1bar = 1bar = 10105 5PaPa(2)(2)(2)(2)大气压力大气压力大气压力大气压力: : : :P P P Pb b b b 标准大气压（标准大气压（atmatm) )：1atm=0.101325MPa1atm=0.101325MPa(3)(3)(3)(3)绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力P P P P 、表压力表压力表压力表压力PgPgPgPg、真空度真空度真空度真空度PvPvPvPv相对压力绝对压力系统真实压力（是状态参数）表压力表压力PgPg真空度真空度PvPv系统相对与大气压力的数值（不是状态参数）2014.9.13Pg=PPbPv=PbP当PgPb时，取Pb=0.1MPaMPab.b.b.b.温度：温度：温度：温度：表征物体冷热程度的物理量。

表征物体冷热程度的物理量1)(1)(1)(1)热平衡定律热平衡定律热平衡定律热平衡定律( ( ( (热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律) ) ) )两个系统分别与第三个系统处于热平衡两个系统分别与第三个系统处于热平衡两个系统分别与第三个系统处于热平衡两个系统分别与第三个系统处于热平衡, , , ,这两个系这两个系这两个系这两个系统彼此之间必定处于热平衡统彼此之间必定处于热平衡统彼此之间必定处于热平衡统彼此之间必定处于热平衡2)(2)(2)(2)温标温标温标温标 ： 温度的数值表示法温度的数值表示法经验温标根据测温物质物性变化作为温标建立在热力学第二定律基础上单位：开尔文（K）热力学温标t(C)=T(K)-273.152014.9.13 比体积：比体积：比体积：比体积：单位质量工质的体积单位质量工质的体积 m m m m3 3 3 3/kg/kg/kg/kg 密度：密度：密度：密度：单位体积工质的质量单位体积工质的质量kgkgkgkg/ m/ m/ m/ m3 3 3 3 =1/vc.c.比体积和密度比体积和密度四、状态公理四、状态公理 对于一定组元的闭口系统，当其处于平衡对于一定组元的闭口系统，当其处于平衡状态时，可以用与该系统有关的准静态功状态时，可以用与该系统有关的准静态功形式的数量形式的数量n n加上一个象征传热方式。