熱工基礎綜合第一頁，共六十六頁，2022年，8月28日目錄1、熱力學基礎2、流體力學基礎3、傳熱學基礎4、熱工測量技術第二頁，共六十六頁，2022年，8月28日一、熱力學基礎1、熱力系統人為分割出來作為熱力學分析對象的有限物質系統如圖：用界面分離出的研究對象。外界：系統以外的所有物質邊界（界面）：系統與外界的分界面系統與外界的作用都通過邊界進口出口第三頁，共六十六頁，2022年，8月28日pVW

示功圖⑴功（過程量）系統對外做功，w>0;外界對系統做功，w<0。2、功和熱量第四頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑵熱量（過程量）

熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫度的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。

系統從外界吸熱，Q>0;系統向外界放熱，Q<0。TSQ溫熵(示熱)圖第五頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、熱力學第一定律⑴熱力學第一定律實質：一切物質都具有能量。能量既不可能創造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從一種形式轉變為另一種形式。而在轉換中，能量的總量恒定不變。⑵熱力學第一定律可表述為：①熱可以變為功，功也可以變為熱，在相互轉變時能的總量是不變的。②熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能，它們的總量是一定的。⑶根據熱力學第一定律，為了獲得機械能，則必須花費熱能或其他形式能量，第一類永動機是不可能實現的。第六頁，共六十六頁，2022年，8月28日4、理想氣體理想氣體：是一種假想的氣體模型，氣體分子是一些彈性的、不占體積的質點，分子之間沒有相互作用力，認為分子之間只存在彈性碰撞。理想氣體是一種假想的氣體必須符合兩條假定：①氣體分子本身不占有容積；②氣體分子間沒有相互作用力。現實中沒有理想氣體第七頁，共六十六頁，2022年，8月28日比定壓熱容與比定容熱容的關系氣體在定壓下受熱時，由于溫度升高的同時，還要克服外力膨脹做功；定容過程中，并不膨脹對外做功，故同樣升高1K，定壓時比定容下受熱需要更多的熱量，也就意味著定壓比熱比定容比熱大。結論：理論和實踐證明定壓比熱

>

定容比熱兩者關系cp－cv＝R（邁耶公式）

比熱容比，結合上式有第八頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑴、定容過程等容過程：是工質在變化過程中容積保持不變的熱力過程。1.建立過程方程式：v=常數（定值）2.基本狀態參數間的關系式：按理想氣體狀態方程式pv＝RT，可得定容過程中系統的壓力和溫度成正比，即及5、理想氣體的熱力過程第九頁，共六十六頁，2022年，8月28日定容過程的過程曲線pvTs1212定容過程的p-v圖定容過程的T-s圖第十頁，共六十六頁，2022年，8月28日

⑵、定壓過程等壓過程：定壓過程是工質在變化過程中壓力保持不變的熱力過程。1.建立過程方程式：p=常數（定值）2.基本狀態參數間的關系式：按理想氣體狀態方程式pv＝RT，可得定壓過程中系統的比容和溫度成正比，即第十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日pvTs1212v定壓過程的p-v圖定壓過程的T-圖第十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日

⑶、定溫過程等溫過程：是工質在變化過程中溫度保持不變的熱力過程1.建立過程方程式：T=常數（定值）即pv＝定值2.基本狀態參數間的關系式：按理想氣體狀態方程式pv＝RT，可得定溫過程中系統的壓力和比容成反比，即或第十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日pvTs1212定溫過程的p-v圖定溫過程的T-s圖第十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑷、絕熱過程（定熵過程）絕熱過程：是系統與外界沒有熱交換的情況下發生的熱力過程。1.建立過程方程式：為比熱容比或絕熱指數，單原子氣體k=1.66雙原子氣體k=1.4多原子氣體k=1.29第十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日pvTs1212T絕熱過程的p-v圖絕熱過程的T-s圖第十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑸、多變過程以上四種基本熱力過程中均為某一狀態參數保持不變的過程。在工程中常常有一些過程，其狀態參數均在變化，且與外界有熱量、功量交換。多變過程：凡工質按定值而變化的過程稱為多變過程。其中：n

為多變指數，在0～±∞之間變化，每個n

值代表一個多變過程。第十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日pvTsn=0n=±∞n=±∞n=0n=0n=0n=kn=kn=kn=kn=1n=1n=1n=11<n<k1<n<k1<n<k1<n<kn=＋∞n=—∞n=—∞n=＋∞n<0n<0n<0n<0多變過程在坐標圖上的表示與分析第十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日

熱力學第一定律的實質是能量守恒，它揭示了熱力過程中參與轉換與傳遞的各種能量在數量上是守恒的。它指出一切過程都必須滿足能量守恒原則，但是它沒有說明，滿足能量守恒原則的一切過程是否都能實現。熱力學第二定律的兩種描述方式：⑴克勞休斯說法：熱不可能自發地、不付任何代價地從低溫傳遞到高溫物體。⑵開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱，使之全部轉化為功而不留下任何變化。

6、熱力學第二定律及其表述第十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑴卡諾循環是由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成的理想循環。

卡諾循環與卡諾定理卡諾循環示意圖第二十頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑵卡諾定理定理1：在相同溫度的高溫熱源和相同溫度的低溫熱源之間工作的可逆循環熱效率都相等，與工質和循環本身無關。定理2：在溫度相同的高溫熱源和低溫熱源之間工作的可逆熱機的熱效率大于不可逆熱機的熱效率第二十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日1流體靜力學流體靜壓強有兩個重要的特性：

(1)

流體靜壓強的方向必然是垂直指向受壓面的，即與受壓面的內法線方向一致。

(2)

在靜止或相對靜止的流體中，任一點各方向的流體靜壓強大小均等。即靜止流體中任一點的流體靜壓強與作用面在空間的方位無關。二、流體力學基礎第二十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日流體靜力學基本方程式此式適用于平衡狀態下的不可壓均質流體。方程式中，從物理的角度來說，Z項是單位重量液體質點相對于基準面的位置勢能，

項是單位重量液體質點的壓力勢能，項是單位重量液體的總勢能，表明在靜止液體中，各液體質點單位重量的總勢能均相等。

第二十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、流體動力學⑴連續性方程當流體不可壓縮時密度為常數，，有⑵定常流動的動量方程⑶恒定流能量方程式

（常數）第二十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、簡單管道流動的計算串聯和并聯管道：在串聯管道中各管段的流量相同，管道損失等于各管段損失之和。

在并聯管道中總管的流量等于分管流量之和，總損失等于分管道的損失。第二十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.氣體流動基礎⑴噴管亞聲速時，增大流速應有：，采用漸縮噴管。超聲速時，增大流速應有：，采用漸縮噴管。流速從亞聲速變化到超聲速，增大流速應采用縮擴管（拉法爾噴管），截面處達到聲速。第二十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑵擴壓管亞聲速時，減小流速應有：，采用漸擴管。超聲速時，減小流速應有：，采用漸縮管。流速從超聲速降至亞聲速，減小流速應采用縮擴管（拉法爾噴管），截面處達到聲速。第二十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日5、泵與風機1.根據泵與風機的工作原理，通常可將其分為：葉片式、容積式和其它類型等。2.幾種主要泵與風機的工作原理及特點⑴葉片式泵與風機①離心泵與風機：離心泵主要部件有葉輪、吸入室、壓力室、密封裝置等；離心風機主要部件有葉輪、蝸殼、集流器、進氣箱。工作原理：利用旋轉葉輪產生離心力，借離心力的作用，輸送流體并提高其壓力特點：性能范圍廣、效率高、體積小、重量經，能與高速原動機直聯。第二十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日②軸流式泵與風機：主要部件有葉輪、導葉、吸入室、擴壓筒等。工作原理：利用旋轉葉輪、葉片對流體作用的升力來輸送流體并提高其壓力。特點：流量大、壓力小，一般用于大流量低揚程的場合。③斜流式泵：工作原理：部分利用了離心力，部分利用了升力，在兩種力的共同作用下，輸送流體，并提高其壓力。第二十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑵容積式泵與風機①往復式泵與風機工作原理：利用工作容積周期性的改變來輸送流體，并提高壓力。特點：產生壓力較高，流量小而不均勻，不利于高速原動機直聯，調節復雜。適用于壓力高、量小的場合。②回轉式泵與風機工作原理：利用一對或幾個特殊形狀的回轉體（齒輪、螺桿），在殼體內作旋轉運動來輸送流體并提高壓力。第三十頁，共六十六頁，2022年，8月28日3.泵與風機的主要性能參數（1）流量：是指泵與風機在單位時間內所輸送的流體量，它可以用體積流量qv或質量流量qm表示。單位為m3／s和Kg/s。（2）揚程（全壓或壓頭）：單位重量流體通過泵與風機后獲得的能量增量。對于水泵，此能量增量叫做揚程，以符號H表示，單位是m；對于風機，此能量增量叫做全壓或壓頭，以符號P表示，單位是Pa。（3）功率：功率主要有有效功率、軸功率和原動機功率。

有效功率：是指在單位時間內通過泵與風機的全部流體獲得的總能量。這部分功率完全傳遞給通過泵與風機的流體，以符號Pe表示，它等于流量和揚程（全壓）的乘積，常用的單位是kW，可按下式計算：第三十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日

軸功率：是指原動機加在泵或風機轉軸上的功率，以符號P表示，常用的單位是kW，計算如下：

泵或風機不可能將原動機輸入的功率完全傳遞給流體，還有一部分功率被損耗掉了，即P與Pe的差值。

效率：反映了泵或風機將軸功率P轉化為有效功率Pe的程度，有效功率Pe與軸功率P的比值稱為效率η。第三十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日（4）轉速：是指泵與風機葉輪每分鐘旋轉的圈數，用符號n表示，單位是r/min(rpm)。（5）允許吸上真空高度Hs及汽蝕余

允許吸上真空高度是指水泵在標準狀況下(即水溫為20℃、水泵工作環境壓力為一個標準大氣壓101.325KPa)運轉時，水泵吸入口處(一般指真空表連接處)所允許的最大吸上真空高度。單位為m水柱。

汽蝕余量是指水泵吸入口處單位重量液體必須具有的超過飽和蒸汽壓力的富余能量，也稱為必須的凈正吸入水頭。汽蝕余量一般用來反映泵的吸水性能，其單位仍為m水柱。第三十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.管路性能曲線及工作點泵或風機與管路系統的合理匹配是保證管網正常運行的前提。當泵或風機接入管路系統，并作為動力源工作時,泵或風機所提供的揚程或風壓總是與管路系統所需的揚程或風壓相一致,這時泵或風機的流量就是管路的流量。圖

泵或風機的工作點曲線1——泵或風機的性能曲線 曲線2——管路特性曲線第三十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日并聯工作的特點是各臺設備揚程相同，而總流量等于各臺設備流量之和。見圖中（a）和（b）分別是兩臺泵和兩臺風機并聯工作示意圖。圖

并聯工作（a）兩臺泵并聯；（b）兩臺風機并聯

5.泵與風機的聯合運行第三十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日并聯工作一般應用于以下場合：①用戶需要的流量大，而大流量的泵或風機制造困難或造價太高；②用戶對流量的需求變化幅度較大，通過改變設備運行臺數來調節流量更經濟合理；③用戶有可靠性要求，當一臺設備出現事故時仍要保證供氣或供水，作為檢修和事故備用。第三十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日多臺相同型號泵或風機并聯工作多臺相同型號泵或風機并聯工作時，工況分析如圖所示。Ⅰ是單機的性能曲線，

Ⅱ是兩臺設備并聯時的性能曲線，Ⅲ

是三臺設備并聯時的性能曲線，Ⅳ是管路的特性曲線。A、B、C分別是單機、兩臺并聯及三臺并聯時的工況點。由圖可知，隨著并聯臺數的增加，每并聯一臺泵或風機所得到的流量增量隨之減小。因此并聯機組的單機臺數不宜過多，否則起不到明顯的并聯效果。圖多臺相同設備并聯工作第三十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日串聯工作的特點是各臺設備流量相同，而總揚程或總壓頭等于各臺設備揚程或壓頭之和。串聯工作的目的主要是為了增加揚程或壓頭。在運行過程中，當實際需要的揚程或壓頭較大時，用一臺泵或風機產生的壓頭不能滿足運行的要求時，可再裝一臺泵或風機與原來的泵或風機串聯工作。串聯工作一般應用于以下場合：

①用戶需要的壓頭大，而大壓頭的泵或風機制造困難或造價太高；

②改建或擴建系統時，管路阻力加大，而需要增大壓頭。第三十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日相同性能的兩臺泵串聯工作工況分析如圖所示。圖中I為單機性能曲線，據等流量下揚程相加的原理，得到串聯運行泵或風機的性能曲線Ⅱ，作管路性能曲線Ⅲ與曲線Ⅱ交于A點，A點就是串聯工作的工況點，流量為QA，揚程為HA。串聯機組的工況分析

第三十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日6.泵與風機的工況調節工況點是由泵或風機的性能曲線與管路特性曲線的交點決定的，其中之一發生變化時，工況點就會改變。所以工況調節的基本途徑是：①改變管道特性曲線；②改變泵與風機本身的性能曲線；③兩條線同時改變改變管道系統特性，如減少水頭損失、變水位、節流等；改變水泵（風機）的揚程（壓頭）性能曲線，如改變泵或風機的轉速、切削泵的葉輪外徑、改變風機進口導流閥的葉片角度、改變風機的葉片寬度和角度等。第四十頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.泵與風機的選型選擇泵與風機的一般原則是：保證泵或風機系統的正常、經濟的運行，即所選擇的泵或風機不僅能滿足管路系統流量、揚程（風壓）的要求，而且能保證泵或風機經常在高效段內穩定的運行，同時泵或風機應具有合理的結構。選擇時應考慮以下幾個具體原則：（1）首選泵或風機應滿足生產上所需要的最大流量和揚程或壓頭的需要，并使其正常運行工況點盡可能靠近泵或風機的設計點，從而保證泵或風機長期在高效區運行，以提高設備長期運行的經濟性。第四十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日（2）力求選擇結構簡單、體積小、重量輕及高轉速的泵或風機。（3）所選泵或風機應保證運行安全可靠，運轉穩定性好。（4）對于有特殊要求的泵或風機，還應盡可能滿足其特殊要求。（5）必須滿足介質特性的要求。（6）機械方面可靠性高、噪聲低、振動小。（7）經濟上要綜合考慮到設備費、運行費、維修費和管理費的總成本最低。（8）離心泵具有轉速高、體積小、重量輕、效率高、結構簡單、輸液無脈動、性能平穩、容易操作和維修方便等特點。第四十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、傳熱學基礎1.傳熱的三種基本方式熱量傳遞有三種基本方式：導熱、對流和熱輻射。

2.導熱：是指溫度不同的物體各部分或溫度不同兩物之間直接接觸而發生的熱傳遞現象。導熱是物質的固有屬性。⑴導熱的特點：必須有溫差；物體直接接觸；依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量；不發生宏觀的相對位移。⑵導熱基本定律傅里葉定律可表述為:系統中任一點的熱流密度與該點的溫度梯度成正比而方向相反。

第四十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑶導熱系數導熱系數在數值上等于單位溫度梯度作用下單位時間內單位面積的熱量。⑷單值性條件⑴第一類：已知任一瞬間導熱體邊界上溫度值，即邊界溫度為常數。⑵第二類：已知物體邊界上熱流密度的分布及變化規律，即邊界熱流密度為常數。⑶第三類：已知任一時刻邊界周圍流體的溫度和表面傳熱系數。w/(m·k)

第四十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑸導熱基本公式：利用傅立葉定律求得，一維穩態導熱熱流密度。通過面積為F的熱流量：第四十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑹臨界熱絕緣直徑臨界熱絕緣直徑圖中dc為臨界絕熱緣直徑dc＝2λ2/h2第四十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑺通過等截面直肋的導熱⑻.非穩態導熱：過程分為周期性和瞬態性

a.瞬態導熱過程：不規則情況階段、正常情況階段、新的穩態階段周期性非穩態導熱特點：物體內各處的溫度按一定的振幅隨時間周期性的波動；溫度波具有衰減性；溫度波具有延遲性。第四十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日b.畢渥數Bic.集總參數法(Bi趨近0，近似認為物體溫度是均勻的）第四十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日3.對流：流體中溫度不同的各部分之間，由于發生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳到另一處的現象。

⑴熱對流與對流換熱的區別

1.熱對流是傳熱的三種基本方式之一，而對流換熱不是傳熱的基本方式；

2.對流換熱是導熱與熱對流這兩種基本方式的綜合作用；

3.對流換熱必須存在流體與固體壁面間的相對運動，在壁面處會形成速度梯度很大的邊界層。

⑵對流計算公式(牛頓冷卻公式）：第四十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑶對流換熱：是指流體流經固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現象。對流換熱是流體的導熱和對流兩種基本傳熱方式共同作用的結果。

特點：①必須有流體的宏觀運動，必須有溫差；②對流換熱既有熱對流，也有熱傳導；③流體與壁面必須有直接接觸；④緊貼壁面處會形成速度梯度很大的定向流動。第五十頁，共六十六頁，2022年，8月28日

⑷影響對流換熱的主要因素:

流體的物理性質；流體運動的原因（起因）；流體運動的狀態（性質）；換熱表面的幾何因素（形狀、尺寸和布置）；流體有無相變。⑸邊界層分析流動邊界層：速度邊界層的厚度為在壁面法線方向達到主流速度99%處的距離。熱邊界層：溫度邊界層的厚度為在壁面法線方向達到過余溫度99%處的距離。第五十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑹.相似原理相似準則數：①努謝爾準則表示換熱強弱的準則

②雷諾準則表征流體受迫流動慣性力與粘滯力的相對比值

③普朗特準則說明工作流體的物理性質

④格拉曉夫準則表征流體自由運動的強烈程度

相似性質：彼此相似的現象，其同名相似準則數必定相等。相似條件：凡同類現象，單值性條件相似，同名的已定準則相等，現象必定相似。

第五十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日4.熱輻射：由熱運動產生的、以電磁波形式傳遞能量的現象。熱輻射是物質的固有屬性之一。⑴特點：a.任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；

b.可以在真空中傳播；

c.伴隨能量形式的轉變；

d.具有強烈的方向性；

e.輻射能與溫度和波長均有關；

f.發射輻射取決于溫度的4次方。第五十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑵熱射線的本質決定了熱輻射過程有如下特點它是依靠電磁波向物體傳輸熱量，而不是依靠物質的接觸來傳遞熱量。輻射換熱過程中伴隨著能量的兩次轉換：物體的內能輻射能；（接受）輻射能（轉換）內能一切物體只要其溫度T>0K，都在不斷發射熱射線。第五十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑶熱輻射基本公式

1.黑體輻射能（史蒂芬-玻爾茲曼定律）

2.一切實際物體的輻射能力都小于同溫度下的和黑體為該物體的發射率，也稱黑度，總是小于1。

3.兩物體之間傳熱第五十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑷普朗克定律（Planck）普朗克定律：揭示了黑體的單色輻射力與波長、溫度的依變關系。揭示在特定溫度下黑體的輻射能按波長分布的規律。絕對黑體的單色輻射力與波長和溫度的關系。式中，λ—

波長，m；T

—

黑體溫度，K；

c1

—

第一輻射常數，3.734×108

μm4W/m2；

c2

—

第二輻射常數，1.4387×104

μm·K；W/m2μm第五十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑸維恩定律（Wien）維恩定律:是反映對應于最大單色輻射力的波長λmax與絕對溫度T之間的關系。E最大值對應的波長m

與T

的關系為即：維恩定律表明黑體攜帶輻射能最多的射線波長m，隨絕對溫度T的升高而移向波長較短的方向。維恩定律數學表達式第五十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑹蘭貝特定律1.表述1：黑體表面具有漫反射性質，即黑體和漫反射表面，在半球空間各個方向上輻射強度相等。2.表述2：漫反射表面的輻射力是任意方向輻射強度的倍。

⑺基爾霍夫定律

實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發射率。單色定向發射率與單色定向吸收率的關系為：第五十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日⑻.強化與消弱輻射傳熱方法⑴強化輻射換熱的主要途徑：增加發射率；增加角系數⑵消弱輻射換熱的主要途徑：降低發射率；降低角系數；加入隔熱板第五十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日四、熱工測量技術1.測量的定義測量就是運用專門的工具，通過試驗和對試驗數據的分析計算，將被測物理量與同性質的標準量（測量單位）進行比較，以確定出被測量是標準量多少倍數的過程。所得的倍數稱為測量值。測量過程的三要素：測量方法、測量單位、測量工具。測量工作包括：測量方法、測量儀表的選擇、測得數據的處理。國際單位制選定基本物理量：長度（米）、質量（千克）、時間（秒）、電流強度（安培）、熱力學溫度（開爾文）、物質的量（摩爾）、發光強度（坎德拉）。其他物理量的單位都可以由這些基本單位導出。第六十頁，共六十六頁，2022年，8月28日2.測量方法⑴根據測量結果的獲取方式分：①直接測量②間接測量法③組合測量⑵根據被測量與測量單位的比較方式分：①偏差測量法