热力学--绪论--课件

课程名称：课程名称：课程名称：课程名称：传热学传热学传热学传热学教 材杨世铭等，杨世铭等，传热学传热学传热学传热学，3rd,北京：高教北京：高教参考书1 章熙民等，章熙民等，传热学，传热学，4th，北京：建筑工业，北京：建筑工业2 J.P.Holman，Heat Transfer，8th ed.3 F.P.Incropera，Fundamentals of heat and mass transfer，4th ed.考核方法1.作业占作业占20；2.期末考试成绩占期末考试成绩占80。累计累计3 3次不交作业取消考试资格！次不交作业取消考试资格！上课迟到上课迟到3 3分钟者请勿进入教室！分钟者请勿进入教室！第1章 绪论11 传热学的研究内容与研究方法传热学的研究内容与研究方法（1 1）传热学的）传热学的研究内容研究内容:传热学主要研究热量传递的规律以及传热学主要研究热量传递的规律以及控制控制和和优化优化热量传递过程的方法热量传递过程的方法。热热量量:在在温温差差的的作作用用下下传传递递的的热热能能的的数数量量。由由于于温温差差几几乎乎无无处处不不在在，所所以以热热量量传传递递是是日日常常生生活和生产实践中普遍存在的物理现象。活和生产实践中普遍存在的物理现象。热热能能:即即热热力力学学能能。据据统统计计，目目前前通通过过热热能能形形式式被被利利用用的的能能源源在在我我国国占占总总能能源源利利用用的的90以以上上，世世界界其其它它各各国国平平均也超过均也超过85。能量利用过程实质就是能量利用过程实质就是能量的传递与转换过程能量的传递与转换过程。氢、酒精等二次能源氢、酒精等二次能源 燃料电池燃料电池 电电 能能 机械能机械能 辐射能辐射能热热 能能风能、水能、海洋能风能、水能、海洋能 机机 械械 机械能机械能直接利用直接利用发电机发电机 煤、石油、天然气煤、石油、天然气 热热 能能热机热机直接利用直接利用核核 能能核反应核反应 太阳能太阳能光合作用光合作用生物质能生物质能燃烧燃烧食物利用食物利用集热器集热器光电池光电池90燃烧燃烧一切热能利用过程都离不开一切热能利用过程都离不开传热传热。高温热源高温热源吸热吸热Q1热机热机Wnet放热放热Q2低温热源低温热源 热热能能利利用用率率和和传传热热过过程程密切相关。密切相关。要想提高能源的利用率，必须具备传热学要想提高能源的利用率，必须具备传热学的基础知识，掌握热量传递的规律以及控制和的基础知识，掌握热量传递的规律以及控制和优化热量传递过程的方法优化热量传递过程的方法。传传热热学学的的应应用用非非常常广广泛泛，传传热热学学知知识识不不仅仅在在能能源源、电电力力、冶冶金金、动动力力机机械械、石石油油化化工工、低低温温工工程程、环环境境与与建建筑筑等等传传统统工工业业领领域域发发挥挥极极其其重重要要的的作作用用，在在许许多多高高科科技技领领域域都都发发挥挥着着极极其其重重要要的的作作用用。如如：航航空空航航天天、电电子子信信息息工工程、医学和生命科学程、医学和生命科学等等。传传热热学学是是现现代代工工程程技技术术人人才才必必备备的的技技术术基基础础知知识识，是是面面向向21世世纪纪工工科科各各类类专专业业人人才才工工程程素质的重要组成部分。素质的重要组成部分。传热学课程学习的传热学课程学习的主要目的主要目的：掌掌握握传传热热学学的的基基本本概概念念、基基本本理理论论与与基基本本分分析析计计算算和和实实验验研研究究方方法法，为为后后续续专专业业课课程程及及研研究究生生课课程程的的学学习习，为为今今后后研研究究、处处理理、解解决决实实际际的的传传热热工工程程问问题题奠奠定定必必要要的的技技术术理理论基础。论基础。（2 2）传热学的主要）传热学的主要研究方法研究方法:理论分析理论分析 数值模拟数值模拟 实验研究实验研究 比拟（类比）法比拟（类比）法12 热量传递的三种基本方式 热量传递有三种基本方式热量传递有三种基本方式:l热传导（导热）热传导（导热）(heat conduction)；l热对流热对流 (heat convection)；l热辐射热辐射 (thermal radiation)。1.热传导（热传导（导热导热）：在在物物体体内内部部或或相相互互接接触触的的物物体体表表面面之之间间，由由于于分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子的热运动而产生的热量传递现象。的热运动而产生的热量传递现象。纯纯导导热热现现象象可可以以发发生生在在固固体体内内部部，也也可可以发生在静止的液体和气体之中。以发生在静止的液体和气体之中。本本书书不不讨讨论论导导热热的的微微观观机机理理，只只讨讨论论热热量传递的宏观规律。量传递的宏观规律。举例：大平壁的一维稳态导热 0 xt tw2 tw1 特特点点：平平壁壁两两表表面面维维持持均均匀匀恒恒定定不不变变的的温度，温度，平壁各处温度不随时间改变；平壁各处温度不随时间改变；壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化；壁内温度只沿垂直于壁面的方向变化；热量只沿着垂直于壁面的方热量只沿着垂直于壁面的方向传递。向传递。热流量热流量：单位时间传过的热量：单位时间传过的热量:材材材材料料料料的的的的热热热热导导导导率率率率（导导导导热热热热系系系系数数数数），表表表表明明明明材料的导热能力，材料的导热能力，材料的导热能力，材料的导热能力，W/(mW/(m K)K)。W热流密度热流密度 q:单位时间通过单位面积的热流量单位时间通过单位面积的热流量导热热阻导热热阻称为平壁的导热热阻，表示物体对称为平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为导热的阻力，单位为K/W 。tw1 tw2 热阻网络热阻网络2.热对流热对流 由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位由于流体的宏观运动使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。移而产生的热量传递现象。移而产生的热量传递现象。移而产生的热量传递现象。特点特点特点特点：热对流只发生在流体之中，并伴随有微：热对流只发生在流体之中，并伴随有微：热对流只发生在流体之中，并伴随有微：热对流只发生在流体之中，并伴随有微观粒子热运动而产生的导热。观粒子热运动而产生的导热。观粒子热运动而产生的导热。观粒子热运动而产生的导热。对流换热：对流换热：对流换热：对流换热：流体与相互接触的固体表面之间的热量流体与相互接触的固体表面之间的热量流体与相互接触的固体表面之间的热量流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。作用的结果。作用的结果。作用的结果。对流换热的分类：对流换热的分类：对流换热的分类：对流换热的分类：自然对流换热自然对流换热自然对流换热自然对流换热 强制对流换热强制对流换热强制对流换热强制对流换热 凝结换热凝结换热凝结换热凝结换热 沸腾换热沸腾换热沸腾换热沸腾换热tw tf h h 称称称称为为为为对对对对流流流流换换换换热热热热的的的的表表表表面面面面传传传传热热热热系系系系数数数数（习习习习惯惯惯惯称称称称为为为为对对对对流流流流换换换换热系数热系数热系数热系数），单位为），单位为），单位为），单位为W/(mW/(m2 2 K)K)。对流换热热阻：对流换热热阻：对流换热热阻：对流换热热阻：=Ah(tw tf)称为称为称为称为对流换热热阻对流换热热阻对流换热热阻对流换热热阻，单位为，单位为，单位为，单位为 W/KW/K。对流换热热阻对流换热热阻网络：网络：牛顿冷却公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式:=Ah(tw tf)q=h(tw tf)表面传热系数表面传热系数的影响因素的影响因素：h 的的大大小小反反映映对对流流换换热热的的强强弱弱，与与以以下下因素有关：因素有关：（1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；热容等）；（2）流体流体流动的形态（层流、紊流）；流动的形态（层流、紊流）；（3）流动的成因（自然对流或受迫对流）；流动的成因（自然对流或受迫对流）；（4）物体表面的形状、尺寸物体表面的形状、尺寸；（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。）。表表1-1 1-1 一些表面传热系数的数值范围一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型对流换热类型对流换热类型对流换热类型表面传热系数表面传热系数表面传热系数表面传热系数 h W/(m2K)气体自然对流换热气体自然对流换热气体自然对流换热气体自然对流换热110 液体自然对流换热液体自然对流换热液体自然对流换热液体自然对流换热501000 气体强迫对流换热气体强迫对流换热气体强迫对流换热气体强迫对流换热20100 液体强迫对流换热液体强迫对流换热液体强迫对流换热液体强迫对流换热100015000 液体沸腾液体沸腾液体沸腾液体沸腾250035000 蒸气凝结蒸气凝结蒸气凝结蒸气凝结5000350003.热辐射 辐射辐射：指物体受某种因素的激发而向外发射辐指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象射能的现象解释辐射现象的两种理论解释辐射现象的两种理论：电磁理论电磁理论与与量子理论量子理论电磁波的数学描述：电磁波的数学描述：c 某介质中的光速某介质中的光速,m/s 为真空中的光速为真空中的光速;n 为为介质的折射率。介质的折射率。波长波长,常用常用 m为单位为单位,1 m=10-6 m。频率频率,单位单位 1/s。电磁波的波谱电磁波的波谱：g g g g射线、射线、射线、射线、X X射线、射线、射线、射线、紫外线、紫外线、紫外线、紫外线、红外线红外线红外线红外线：0.76 0.76 10 10 103 3 m m 微微微微 波波波波：10103 3 10 106 6 m m 可见光可见光可见光可见光：0.38 0.38 0.76 0.76 mm 微微波波炉炉就就是是利利用用微微波波加加热热食食物物，因因微微波波可可穿穿透透塑塑料料、玻玻璃璃和和陶陶瓷瓷制制品品，但但会会被被食食物物中中水水分分子子吸吸收，产生内热源，使食品均匀加热。收，产生内热源，使食品均匀加热。热辐射热辐射 由由于于物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动而而使使物物体体向向外发射辐射能的现象。外发射辐射能的现象。理理论论上上热热辐辐射射的的波波长长范范围围从从零零到到无无穷穷大大，但但在在日日常常生生活活和和工工业业上上常常见见的的温温度度范范围围内内，热热辐辐射射的的波波长长主主要要在在0.1m至至100m之之间间,包包括括部部分分紫紫外外线、可见光线、可见光和和部分红外线部分红外线三个波段三个波段 。热辐射的主要特点：热辐射的主要特点：（1 1）所所所所有有有有温温温温度度度度大大大大于于于于0 0 KK的的的的物物物物体体体体都都都都具具具具有有有有发发发发射射射射热热热热辐辐辐辐射射射射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。发射热辐射时：发射热辐射时：发射热辐射时：发射热辐射时：内热能内热能内热能内热能 辐射能辐射能辐射能辐射能 ；（2 2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，吸收热辐射时：吸收热辐射时：吸收热辐射时：吸收热辐射时：辐射能辐射能辐射能辐射能 内热能内热能内热能内热能 ；（3）热辐射不依靠中间媒介，可在真空中传播；热辐射不依靠中间媒介，可在真空中传播；热辐射不依靠中间媒介，可在真空中传播；热辐射不依靠中间媒介，可在真空中传播；（4）物物物物体体体体间间间间以以以以热热热热辐辐辐辐射射射射的的的的方方方方式式式式进进进进行行行行的的的的热热热热量量量量传传传传递递递递是是是是双双双双向的。向的。向的。向的。高温高温物体物体低温低温物体物体热热热热辐辐辐辐射射射射是是是是热热热热量量量量传传传传递递递递的的的的基本方式之一基本方式之一基本方式之一基本方式之一 。（5 5）在在在在红红红红外外外外范范范范围围围围内内内内，绝绝绝绝大大大大多多多多数数数数固固固固体体体体和和和和液液液液体体体体的的的的发发发发射射射射和和和和吸吸吸吸收收收收均均均均只只只只发发发发生生生生在在在在表表表表面面面面以以以以下下下下很很很很浅浅浅浅的的的的距距距距离离离离内内内内，即即即即仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于材料表面的性质、特征和温度，与其内部状况无关。材料表面的性质、特征和温度，与其内部状况无关。材料表面的性质、特征和温度，与其内部状况无关。材料表面的性质、特征和温度，与其内部状况无关。辐射换热辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。以热辐射的方式进行的热量交换。辐射换热的主要影响因素辐射换热的主要影响因素：（1 1 1 1）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；式式式式中中中中 =5.67105.6710-8-8 W/(mW/(m2 2 K K4 4)，称称称称为为为为斯斯斯斯忒忒忒忒藩藩藩藩玻玻玻玻耳耳耳耳兹兹兹兹曼曼曼曼常数常数常数常数，又称为，又称为，又称为，又称为黑体辐射常数黑体辐射常数黑体辐射常数黑体辐射常数。（斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律）在在在在相相相相同同同同温温温温度度度度下下下下的的的的所所所所有有有有物物物物体体体体中中中中，黑黑黑黑体体体体的的的的发发发发射射射射热热热热辐辐辐辐射的能力最大。射的能力最大。射的能力最大。射的能力最大。实际物体发射的辐射能：实际物体发射的辐射能：e e 称为称为实际物体的发射率实际物体的发射率,也称为黑度也称为黑度,e 1e 1。（2 2 2 2）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。A A1 1A A2 2传热的三种模式模拟传热的三种模式模拟注意：注意：（1 1）热热传传导导、热热对对流流和和热热辐辐射射三三种种热热量量传递基本方式往往不是单独出现的；传递基本方式往往不是单独出现的；（2 2）分分析析传传热热问问题题时时首首先先应应该该弄弄清清楚楚有有那那些些传传热热方方式式在在起起作作用用，然然后后再再按按照照每每一一种种传热方式的规律进行计算。传热方式的规律进行计算。（3 3）如如果果某某一一种种传传热热方方式式与与其其他他传传热热方方式相比作用非常小，往往可以忽略。式相比作用非常小，往往可以忽略。1.3 传热过程 传传热热过过程程是是指指热热量量从从固固体体壁壁面面一一侧侧的的流流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程。高高温温流流体体低低温温流流体体固固体体壁壁 （1 1）热热量量从从高高温温流流体体以以对对流流换换热热（或或对对流流换热辐射换热）的方式传给壁面；换热辐射换热）的方式传给壁面；（2 2）热热量量从从一一侧侧壁壁面面以以导导热热的的方方式式传传递递到到另一侧壁面；另一侧壁面；（3 3）热热量量从从低低温温流流体体侧侧壁壁面面以以对对流流换换热热（或或对流换热辐射换热）的方式传给低温流体。对流换热辐射换热）的方式传给低温流体。传热过程由三个相互串联的环节组成传热过程由三个相互串联的环节组成:举例举例 通过平壁的稳态传热过程通过平壁的稳态传热过程 假设：假设：tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；不随时间变化；为常数为常数。（1 1 1 1）左侧的对流换热）左侧的对流换热）左侧的对流换热）左侧的对流换热 （2 2 2 2）平壁的导热）平壁的导热）平壁的导热）平壁的导热 tw2 tw1 0 xt h1 tf1 h2 tf2 （3 3）右侧的对流换热）右侧的对流换热 在稳态情况下，在稳态情况下，以上以上三式的热流量相同，可得三式的热流量相同，可得 式中式中 ，Rk称为传热热阻称为传热热阻。tw1 tw2 tf1 tf2 传热热阻网络传热热阻网络：将传热将传热热流量热流量的计算公式写成的计算公式写成 式中式中 k 称称为为传传热热系系数数，单单位位为为 W/(m2K)，t为传热温差。为传热温差。通过单位面积平壁的通过单位面积平壁的热流密度热流密度为为 利利用用上上述述公公式式,可可以以很很容容易易求求得得通通过过平平壁壁的的热流量热流量、热流密度、热流密度q及壁面温度及壁面温度tw1、tw2。第第1章章 小结小结 重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（1）热热传传导导、热热对对流流、热热辐辐射射三三种种热热量量传传递基本方式的机理及特点；递基本方式的机理及特点；（2）热热流流量量、热热流流密密度度、导导热热系系数数、对对流流换换热热、表表面面传传热热系系数数、传传热热系系数数、热热阻阻等等基基本本概念；概念；（3）灵灵活活运运用用平平壁壁的的一一维维稳稳态态导导热热公公式式、对对流流换换热热的的牛牛顿顿冷冷却却公公式式、通通过过平平壁壁的的一一维维传传热过程计算公式进行相关物理量的计算热过程计算公式进行相关物理量的计算作业作业：117、118、128