热工基础各章总结
第一章
1、平衡状态
定义：在不受外界影响的条件下，工质（或系统）的状态参数不随时间变化而变化的状态。
平衡与均匀：均匀一定平衡、平衡不一定均匀
平衡与稳定：稳定不一定平衡，平衡一定稳定
特点：平衡状态具有确定的状态参数。
工程热力学只研究系统平衡状态的原因：平衡状态概念的提出，使整个系统可用一组统一的、并具有确定数值的状态参数来描述其状态，使热力分析大为简化。
2、状态参数
状态参数是定量描述工质状态的状态量。其性质是状态参数的变化量只取决于给定的初、终状态，与变化过程的路径无关。如果系统经历一系列状态变化又返回初态，其所有状态参数的变化量为零。
六个基本状态参数：P V T 内能焓熵
3、准平衡过程
定义：由一系列连续的准平衡态组成的过程称为准平衡过程，又称准静态过程。
实现条件：（1）推动过程进行的势差（压差、温差）无限小；（2）驰豫时间短，即系统从不平衡到平衡的驰豫时间远小于过程进行所用的时间。
特点：系统内外势差足够小，过程进行得足够慢，而热力系恢复平衡的速度很快，所以工程上的大多数过程都可以作为准平衡过程进行分析。
建立准平衡过程概念的好处：(1) 可以用确定的状态参数描述过程；（2）可以在参数坐标图上用一条连续曲线表示过程。
4、可逆过程
准平衡过程概念的提出只是为了描述系统的热力过程，但为了计算系统与外界交换的功量和热量，就必须引出可逆过程的概念。
定义：过程能沿原路径逆向进行，并且系统与外界同时返回原态而不留下任何变化。
实现条件：在满足准平衡过程条件下，还要求过程中无任何耗散效应（通过摩擦、电阻、磁阻等使功变为热的效应）
建立可逆过程概念的好处：(1) 由于可逆过程系统内外的势差无限小，可以认为系统内部的压力、温度与外界近似相等，因此可以用系统内的参数代替复杂、未知的外界参数，从而简化问题，使实际过程的计算成为可能，即先把实际过程当作可逆过程进行分析计算，然后再用由实验得出的经验系数加以修正；（2）由于可逆过程是没有任何能量损失的理想过程，因此，它给出了热力设备和装置能量转换的理想极限，为实际过程的改善指明了方向。
5、热力系统
（1）闭口系统：与外界无物质交换。（能发生能量交换）
（2）开口系统：与外界有物质交换。
（3）绝热系统：与外界无热量交换。
（4）孤立系统：与外界既无能量（功量，热量）交换，又无物质交换。
6.压力的计算
绝对压力P，环境压力Pb（大气压力），表压力Pe（压力表的数值），真空度Pv（绝对压力<环境压力时测压表的数值）（真空度也是表压力的一种）
关系：P=Pb+Pe (P>Pb)
P=Pb-Pv (P 单位换算：1atm=760mmHg= 1.01×105Pa=1bar 1mmHg=133.3pa 1 mmHg=0.0013332bar 7.温度的计算 F=(9/5) C+32 K=C+273.15 第二章 1、热力学第一定律 实质：能量守恒。表明当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。 2、储存能 系统储存的能量称为储存能，包括内部储存能和外部储存能。 （1）内部储存能——热力学能 它与系统内工质粒子的微观运动和粒子的空间结构有关。热力学能是状态参数。 在简单可压缩系中，不涉及化学反应、核反应和电磁场作用，可认为工质的热力学能仅包括分子的内动能和内位能。分子的内动能与工质的温度有关，温度越高，分子的内动能越大；分子的内位能与工质的比容有关，比容越大，分子的内位能越小。 理想气体远离液态点，分子间距（比容）较大，分子的内位能忽略不计，其热力学能仅包括分子的内动能，因此，理想气体的热力学能是温度的单值函数。 （2）外部储存能 外部储存能是系统整体相对于外界参考坐标系的宏观能量，包括系统整体作宏观运动时的宏观动能和相对于外界参考基准点的重力位能。 （3）系统的总储存能（简称总能） 系统的总储存能为热力学能、宏观动能和重力位能的总和。（内部储存能+外部储存能） 3、转移能——功量和热量 功量和热量是系统与外界交换的能量，其大小与系统的状态无关，而是与传递能量时所经历的具体过程有关。所以功量和热量不是状态参数，而是与过程特征有关的过程量，称为转移能或迁移能。 4、开口系能量方程 Q=CmΔT 5、闭口系能量方程 热力学第一定律应用于（静止的）闭口系时的能量关系式即为闭口系能量方程。闭口系：系统的动能变化和重力势能变化可以忽略，此时系统的总能变化等于系统热力学能的变化（ΔE=ΔU） 其表达式有以下几种形式，它们的使用条件不同： （1）q u w =?+ 或 Q U W =?+ （适用条件：任意工质、任意过程） （2）d q u p v =?+? 或 2 1 d Q U p V =?+ ? （适用条件：任意工质、可逆过程） （3）d V q c T p v =?+? 或 ?+?=21 p d V T mc Q V （适用条件：理想气体、可逆过程） 6、稳流系能量方程 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）t q h w =?+ 或 t W H Q +?= （适用条件：任意工质、任意过程） （2）d q h v p =?-? 或 2 1 d Q H V p =?- ? （适用条件：任意工质、可逆过程） （3）d p q c T v p =?-? 或 ?-?=21 V d p T mc Q p （适用条件：理想气体、可逆过程） 7、稳定流动过程中几种功量的关系 在稳流系中，隐含的膨胀功等于流动功和技术功之和，即 其中，技术功为出口与进口处的动能差、位能差和轴功之和，即 除了喷管、扩压管外，进出口的动、位能一般都可以忽略：Wt=Ws=-∫vdp 特殊：（1）热交换器 ：Ws=0 （2）动力机械 ：q=0 （3）绝热节流 ：q=0;Ws=0（不是定焓过程） 8、焓的定义及其物理意义 由于在流动过程中，工质必定携带的能量除热力学能U 外，还有推动功（推进功）pV ，所以为工程应用方便起见，把二者组合为焓H ，所以说焓是流动工质携带的基本能量，或者说是流动工质所携带的总能量中与热力状态有关的那部分能量。焓的定义式为 H U pV =+ 或 h u pv =+ 焓的物理意义可简单总结如下： （1）对非流动工质，焓仅是状态参数。 （2）对流动工质，焓既是状态参数，也是工质流动时携带的取决于热力状态的那部分能量（或基本能量）。 理想气体的焓和热力学能一样，也仅是温度的单值函数。 第三章 1、理想气体的热力性质 （1）状态方程 ●状态方程pv=RgT反映的是同一平衡状态下基本状态参数之间的关系，只能用于同一平衡状态，不能用于过程计算。注意不要把状态方程和过程方程混淆。 ●公式中的压力为绝对压力P，单位为pa；温度为绝对温度，单位为K；Rg为气体常数。 单位为J/（Kg·K）常用空气：Rg=287 在标准状态时的体（容）积 ●平均比热容表的自变量是摄氏温标，千万不要将t化为T。 （3）理想气体热力学能、焓和熵的计算 △u=∫Cv dT △h=∫Cp dT △s=Cv·ln(p2/p1)+Cp·ln(v2/v1)=Cv·ln(T2/T1)+mRg·ln(v2/v1)=Cp··ln(T2/T1)-mRg·ln(p2/p1) 理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数，而熵则与2个独立的基本状态参数有关。应当注意：尽管计算公式是利用可逆过程的公式推导得到，但由于热力学能、焓和熵都是状态参数，其计算公式适用于理想气体的任意过程。 2、理想气体的热力过程 公式：P60页表3.2 1.定容过程 v=常数 △u=∫Cv dT=q 吸收的热量=内能的增量 △h=∫ Cp dT 2.定压过程 P=常数 吸收的热量=焓的增量 Q=h 2-h 1 3.定温过程 T=常数 吸收的热量=膨胀功=技术功 △u=△h=0 4.定熵过程（可逆绝热过程） 比热容比y=k Q=0 W=-△u 技术功=焓的减少量 Wt=-△h=-k △u （1）4种基本热力过程及多变过程的特点和过程方程 基本方程const n pv =，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+∞→→∞-0之间的任一实数 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 （2）过程中任意两状态间p 、v 、T 参数之间的关系 由克拉贝龙方程 g R == 可以很容易地推得定容、定压和定温过程中任意两状态间p 、v 、T 参数之间的关系式。 （3）过程中系统与外界交换的功量和热量 ○1 功量 ● 对于定容和定压过程，选用以下可逆过程的基本积分式计算功量很方便，即 容积功：? =2 1 pdv w 技术功：? -=2 1 vdp w t 显然， 定容过程：0=w ， p v p p v w t ?-=-=)(21 定压过程：v p v v p w ?=-=)(12， 0=t w 定容过程容积功为零，定压过程技术功为零 ● 对于定温过程，仍可以用可逆过程的基本积分式计算功量，只需利用理想气体状态方 程将p 化为v 的函数形式计算w ，或将v 化为p 的函数形式计算w t 。如下所示： 比较以上两式，有w ＝w t 即定温过程的容积功等于技术功。 定温过程计算功量的另一种方法是利用能量方程式，结合闭口系和稳流系的能量方程式， 可进一步得出● 对于绝热过程，利用能量方程式计算功量较方便，即。 q =0的条件下，而状态参数与过程是否可逆无关。当然，如果可逆绝热和不可逆绝热过程的初始状态相同，那么它们的终了状态 一定不同，实际计算出的w 和w t 也不同。所以只是w 和w t 的计算表达式相同。 ● 除定容过程外，各种过程的技术功都是容积功的n 倍，即w t ＝nw ，因此，只要计算出其中一个，另一个也就很容易得到。 ○2 热量 ● 对于定容和定压过程，选用以下公式计算热量很方便，即 定容过程： T c T T c q V V ?=-=)(12 定压过程： T c T T c q p p ?=-=)(12 ● 对于定温过程，则选用以下公式计算热量很方便，即 ● 对于绝热过程，直接有：q ＝0 ● 对于多变过程，可利用能量方程计算热量，即 g g 212121()()()11V V R R q u w c T T T T c T T n n ? ?=?+=-+ -=-- ?--?? 利用迈耶公式g p V c c R =+及/p V c c κ=，可得 （4）4种基本热力过程及多变过程在p-v 图、T-s 图上的表示及特点 第四章 1、热力学第二定律的实质 热力过程只能朝着能量品质不变（可逆过程）或能量品质降低的方向进行。一切自发过程的能量品质总是降低的，因此可以自发进行，而自发过程的逆过程是能量品质升高的过程，不能自发进行，必须有一个能量品质降低的过程作为补偿条件才能进行，总效果是能量品质不变或降低。 表述：克劳修斯：不可能将热从低温物体传到高温物体而不引起其他的变化； 开尔文：不可能从单一热源取热，并使之全部转化为功而不产生其他的影响； 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＇ （<：不可逆机=：可逆机>：不可能机） ） （2）克劳修斯积分不等式 （3）由克劳修斯积分不等式推出 （4）熵方程 （5）孤立系熵增原理 孤立系统的熵只能增大或者不变，不可能减小 上述5式是等效的，只是表达形式不同，因此适用的对象也不同。（1）、（2）式适用于任何循环；（3）、（4）式适用于任何过程；（5）式适用于孤立系或闭口绝热系和稳流绝热系的任何循环和过程。 2、热力学第二定律的应用 （1）判断过程或循环能否进行，如能进行，是否可逆 （2）证明某过程不可逆 3、不同循环的经济性指标 经济性指标是反映能量有效利用程度的一个指标 经济性指标=获得的好处/付出的代价 4、卡诺循环、卡诺定理及其意义 卡诺循环是为方便热力循环分析而提出的一种循环，实际上无法实现，但是利用卡诺循环分析得到的提高循环经济性的方法却具有普遍实用意义。 卡诺定理提供了两个热源间循环经济性的最高界限，给一切循环确定了一个判断其热、功转换完善程度的基础，因而具有普遍的指导意义。而且利用卡诺定理可判断循环是否可以进行以及是否可逆。 5、熵流、熵产和熵方程 熵流dSf ：由于工质与热源之间的热交换引起的熵变。非状态参数 熵产dSg ：熵变的另一部分，由于不可逆因素造成的（可逆过程=0，不可逆过程>0）。非状态参数 熵方程：dS=dSf+dSg 只有可逆绝热过程才是定熵过程，而不可逆绝热过程熵必增加的道理。 6、熵变计算公式的分析和应用 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，为便于大家掌握和灵活应用熵变的计算方法，现将几种常见情况的熵变计算公式总结如下： （1）理想气体熵变的计算 △s=Cv·ln(p2/p1)+Cp·ln(v2/v1)=Cv·ln(T2/T1)+Rg·ln(v2/v1)=Cp··ln(T2/T1)-Rg·ln(p2/p1) （2）固体或液体熵变的计算 如果是等温过程，T为常数，不能再用上式计算，其熵变为 （3）热源的熵变计算 热源是给工质提供热量，或接受工质排出热量的物体，越过其边界的所有能量都是热量。通常在对循环进行分析计算时，将高温热源、低温热源及工质一起选作孤立系，因此需对孤立系中各子系统进行熵变计算。如果是变温热源，即热源在吸热或放热时，温度随之变化，热源熵变的计算公式为 式中Tr为热源温度，实际计算时根据具体热源的情况积分。 如果是恒温热源，Tr=常数，热源的熵变为 注意：上述熵变的计算公式都是利用可逆过程推出的，但由于熵是状态参数，所以同样可用于任意过程熵变的计算。 第五章 1、五态：未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干蒸汽、过热蒸汽 2、确定蒸气状态参数的独立变量 （1）未饱和液体和过热蒸气 由于未饱和液体和过热蒸气分别处于单相区，所以状态参数p、t、v、s、h中，只要任意给定两个独立参数，其他参数就确定了。通常独立变量取p和t。 （2）饱和液体和干饱和蒸气 饱和液体和干饱和蒸气同样为单相物质，而且处于饱和状态，其压力和温度不再是独立变量，而是一一对应的一对参数。只要知道其中一个，另一个就唯一确定，而且其他状态参数v、s、h 也唯一确定，因此，饱和液体和干饱和蒸气只有一个独立的状态参数，通常独立变量取p或t。 （3）湿（饱和）蒸气 湿（饱和）蒸气处于两相区，其压力和温度为饱和压力和饱和温度，二者一一对应，只有一个为独立状态参数，但其他状态参数v、s、h与湿蒸气的干度x（或湿度，多用干度）有关，所以，湿蒸气的独立状态参数也是两个，即压力和干度（或温度和干度）。 3、水蒸气热力性质图表的应用 （1）确定蒸气的状态参数 如果工质的状态是未知的，在确定蒸气的状态参数之前，首先应先查饱和水和干饱和蒸气表（附表4或附表5）确定其所处的状态，然后再根据所处状态查相应的表确定蒸气的状态参数。 （2）蒸气热力过程的分析计算 蒸气热力过程分析计算的一般步骤： 首先在h-s图上根据已知参数找出初态点1，并利用图表确定该状态的所有其他状态参数； 然后过1点沿过程特征（等参数线）找到与已知终态参数线的交点，该交点即为终态点2，确定终态所有的状态参数之后，便可利用能量方程进行过程功量与热量的计算。 第六章 1、湿空气的概念及其状态参数 (1) 湿空气的概念及其独立状态参数的个数 湿空气是由干空气和水蒸气组成的理想气体混合物。湿空气可分为饱和（湿）空气和未饱和（湿）空气。 饱和（湿）空气中水蒸气的含量为t对应的最大饱和量，只需要2个独立的状态参数就可确定其状态。由于湿空气的压力p和温度t可直接测得，故常用p和t作为状态参数。 未饱和（湿）空气中水蒸气的含量是变化的。所以除p和t外，还需p v、t D、ρv、?、ω、t w 以及h中的任意一个参数确定湿空气中水蒸气含量的多少，即需要3个独立的状态参数。除p、t外，t D和t w可直接测量，其余为不可测参数，只能间接获得。 （2）湿空气状态参数的定义及计算 理解p、t、p s、p v、t D、ρv、?、ω、t w、h等各参数的定义及相互之间的关系； 会利用水蒸气图表和湿空气的湿度图（ω-t图）查取或利用公式计算各参数。 第七章 学习本章的最终目的是能根据具体情况正确进行喷管的设计和校核计算，重点内容包括：喷管选型；出口流速、流量的计算。 1、渐缩喷管的出口压力p2 (1) 如果是按照喷管选型原则（最节能原则）确定的渐缩喷管，该渐缩喷管就在设计工 况下工作，若p b / p0＞ cr γ，其出口压力p2＝p b＞ cr p；若p b / p0= cr γ，其出口压力p2＝p b= cr p； (2) 如果渐缩喷管不满足选型原则，即使用不恰当，或者说在应该选用缩放喷管的情况 下（p b / p1< cr γ）使用渐缩喷管，由于渐缩喷管最多只能膨胀到临界状态，所以出口压力p2＝p cr ＞p b。这种情况下大于背压p b的那部分压力降因未能得到利用就损失掉了。 总结：渐缩喷管的出口压力总是等于p b和p cr中的较大者，即p2={ p b，p cr }max。或者说出口压力不可能降到临界压力以下，即p 2 ≥p cr。 2、渐缩喷管的出口流速c2 渐缩喷管最多只能膨胀到临界状态，此时p 2 ＝p cr，c2=c cr；否则，p2＞p cr，c2 3、渐缩喷管的流量q m 渐缩喷管的流量q m 随p b / p0的降低而增大，在进口状态一定的条件下，q m随p b 的降低而 增大，当p b= p cr时，q m=q m,max。所以渐缩喷管的流量q m≤q m,max。 4、缩放喷管 缩放喷管可以将气流从亚音速一直加速到超音速，p 2 ＝p b 第八章 1.热量传递的基本方式：热传导（导热）、热对流、热辐射 热流量?：单位时间传递的热量单位W 热流密度q：单位时间通过单位面积的热流量单位W/m2q=?/A 导热系数λ：热导率，越大导热能力越强单位W/（m·K） 导热热阻Rλ：越大热导率越小单位K/W Rλ=厚度/Aλ（平壁） Rλ=ln(d2/d1)·（1/2πλL）（圆筒d2>d1）表面传热系数h：对流换热系数单位W/(m2·K) ?=Ah·温差 对流换热热阻R h：单位K/W R h=1/Ah 总电阻R k：传热热阻单位K/W R k=Rλ+R h1+R h2 总传热系数k：单位W/（m2·K）k=1/R k （1）单层平壁一维稳态导热：?=温差/Rλ=Aλ·温差/厚度 （2）单层对流换热（用于流体与壁面之间）：?=温差/R h=Ah·温差（牛顿冷却公式）（3）单层圆筒壁的稳态导热：?=温差/Rλ=温差/ ln(d2/d1)·（1/2πλL） （4）多层平壁的稳态导热（玻璃与空气层）：?=大温差/（Rλ1+Rλ2+Rλ3） （5）多层圆筒壁的稳态导热：?=大温差/（Rλ1+Rλ2+Rλ3） 第九章 1、傅里叶定律 热流密度正比于该导热面上的温度梯度，即 式中“- 热流密度q：单位时间通过单位面积的热流量单位W/m2 q=?/A 矢量n：等温线法向方向的单位矢量，指向温度增加的地方 导热系数λ：热导率，越大导热能力越强单位W/（m·K） 特点：（1）s>l>g （2）金属>非金属 （3）导电性能好的>导电性能差的 （4）纯金属>合金 （5）晶体>非晶体 （6）纯金属、一般液体、气体的热导率随温度升高而减小 （7）合金、非金属、水、甘油等强缔合液体的热导率随温度升高而升高 2、导热微分方程及定解条件概念 导热微分方程是基于能量守恒定律和导热基本定律得出的。直角坐标系下，各向同性的连续均匀介质且物性参数为已知常数时，三维、有内热源、非稳态导热微分方程的一般表达式为 Φ ；无内热源，0 = Φ ；最简单的导热微分方程是无内热源的 第十章 1、对流换热的基本概念、边界层 由于对流换热过程中导热和对流共同起作用，因此，对流换热不是基本的传热方式，而属于复合换热。对流换热的计算公式为牛顿冷却公式 Φ=? hA t 式中，A为对流换热面积，t?为对流换热温差，h为对流换热系数。 第十一章 （1）热辐射的本质和特点 本质：热辐射是辐射的一部分. 是由于物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波，具有显著的热效应。 特点（与导热和对流相比的不同）： ●不依靠物质的接触（无论有无介质、相隔多远）; ●从发射表面到接收表面辐射传热伴随着能量形式的两次转化； ●只要物体的温度T＞0 K，就能不断向外辐射热量。因此低温物体也能向高温物体辐射 热量。 （2）吸收比（率）α、反射比（率）ρ和透射比（率）τ 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） 透明体（τ=1） 第十二章 1、复合传热与传热过程 两种或两种以上基本传热方式同时存在的传热过程称为复合传热过程。对流换热、辐射换热课件中例题涉及的换热现象、以及传热过程等都是复合传热。工程上认为各种换热方式互不干扰，分别计算后再合成。复合传热只要求掌握概念。 冷、热流体通过固体壁面传递热量的过程称为传热过程。传热过程的传热系数是单位面积传热热阻的倒数，它包括表面对流换热和导热，是一个综合传热系数。传热系数是表征传热能力大小的参数，k越大，表示该传热系统的传热能力越强。重点要求掌握大平壁的传热过程计算。 2、传热的增强和削弱 根据传热过程的计算式)(21f f t t kA t kA Φ- =?=，当流体温差一定的情况下，增加传热系数（即减小传热热阻）和增大传热面积均可以起到增强传热的目的。反之，减小传热系数和减小传热面积均能够起到削弱传热的目的。在实际工程应用中，通常采用在h 较小的一侧增加肋片的方式来增大传热面积，减小传热热阻，进而起到增强传热的目的。而对于削弱传热，通常采用增加保温层的方式来增加传热热阻，减小热传递。但在给直径较小的管道包裹保温层时，需注意保温层的外径应大于临界热绝缘直径c d ，否则增加保温层非但不能够削弱传热，反而会增强传热。 3、平均温差 冷热流体在换热器中进行热交换时，冷热流体的温差沿程发生变化，根据热平衡原理，可以推导出冷热流体的平均温差为对数平均温差，按下式计算 上式对顺流和逆流都适用，max t ?是换热器进、出口温差中较大者，而min t ?是换热器进、出口温差中较小者。但要注意，顺流和逆流时换热器进、出口温差的具体含义不同。 其他复杂流的对数平均温差是先根据冷热流体的进、出口温度按逆流计算对数平均温差，然后再与查图得到的温差修正系数Ψ相乘。在相同的条件下逆流比顺流具有更大的换热能力，复杂流介于顺流和逆流之间。所以，温差修正系数Ψ＜1。 4、平均温差法的换热器热计算 换热器的热计算包括设计计算和校核计算两类。无论哪种计算，都是基于换热器的三个热交换过程： （1）热流体放出的热量：)(''1'1111t t c q Φp m -= （2）冷流体吸收的热量：)(' 2''2222 t t c q Φp m -= （3）通过换热器交换的热量，即传热方程：m t kA Φ?= 而三个过程交换的热量相等，即热平衡方程：ΦΦΦ==21。传热方程和热平衡方程是换 热器热计算中的基本公式。 校核计算需要试算，不要求。