清华大学热工基础课件工程热力学加传热学10第九章-导热、稳态导热、非稳态、数值解法97页PPT
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2019-清华大学热工基础课件工程热力学加传热学10第九章-导热、稳态导热、非稳态、数值解法-文档资料
(4)纯金属的热导率大于它的合金 ；
(5)对于各向异性物体, 热导率的数值与方向有关 ；
(6)对于同一种物质, 晶体的热导率要大于非定形态物 体的热导率。
热导率数值的影响因素较多, 主要取决于物质的 种类、物质结构与物理状态, 此外温度、密度、湿度 等因素对热导率也有较大的影响。其中温度对热导率 的影响尤为重要。
合金
12～120 W/ /(m·K)
非金属固体
1～40 W/ /(m·K)
液体(非金属) 0.17～0.7 W/ /(m·K)
绝热材料
0.03～0.12 W/ /(m·K)
气体
0.007～0.17 W/ /(m·K)
16
4. 导热问题的数学描述（数学模型）
建立数学模型的目的：求解温度场 tf x,y,z,
内热源的分布规律，给出热物性参数(、、c、a等)的
数值及其特点等。
3)时间条件 说明导热过程时间上的特点, 是稳态导热还是非稳
态导热。对于非稳态导热, 应该给出过程开始时物体内 部的温度分布规律（称为初始条件）：
t0 f(x,y,z)
25
4)边界条件
说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的 相互作用。例如,边界上的温度、热流密度分布以及边界 与周围环境之间的热量交换情况等。
8
标量形式的傅里叶定律表达式为
q t
n
对于各向同性材料, 各方向上的热导率相等,
qqxiqyjqzk
gradttit jtk x y z
qxt iyt jzt k
qx
t x
qy
t y
qz
t z
由傅里叶定律可知, 要计算导热热流量, 需要知道
材料的热导率, 还必须知道温度场。所以,求解温度场
(5)对于各向异性物体, 热导率的数值与方向有关 ；
(6)对于同一种物质, 晶体的热导率要大于非定形态物 体的热导率。
热导率数值的影响因素较多, 主要取决于物质的 种类、物质结构与物理状态, 此外温度、密度、湿度 等因素对热导率也有较大的影响。其中温度对热导率 的影响尤为重要。
合金
12～120 W/ /(m·K)
非金属固体
1～40 W/ /(m·K)
液体(非金属) 0.17～0.7 W/ /(m·K)
绝热材料
0.03～0.12 W/ /(m·K)
气体
0.007～0.17 W/ /(m·K)
16
4. 导热问题的数学描述（数学模型）
建立数学模型的目的：求解温度场 tf x,y,z,
内热源的分布规律，给出热物性参数(、、c、a等)的
数值及其特点等。
3)时间条件 说明导热过程时间上的特点, 是稳态导热还是非稳
态导热。对于非稳态导热, 应该给出过程开始时物体内 部的温度分布规律（称为初始条件）：
t0 f(x,y,z)
25
4)边界条件
说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的 相互作用。例如,边界上的温度、热流密度分布以及边界 与周围环境之间的热量交换情况等。
8
标量形式的傅里叶定律表达式为
q t
n
对于各向同性材料, 各方向上的热导率相等,
qqxiqyjqzk
gradttit jtk x y z
qxt iyt jzt k
qx
t x
qy
t y
qz
t z
由傅里叶定律可知, 要计算导热热流量, 需要知道
材料的热导率, 还必须知道温度场。所以,求解温度场
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学第十章-对流换热、单相流体
1）热导率，W/(mK)， 愈大，流体导热热阻愈小，
对流换热愈强烈；
2）密度，kg/m3 3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体热容量
的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对 流换热愈强烈；
4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体
的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；
u v 0
dy
x y
2）动量微分方程（动量守恒）
微元体
惯性力
压力差 0
dx
x
x方向: u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
D duFxxp2u 体积力
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
对于层流边界层:Pr≥1 t ；Pr≤1 t
Pr a
对于湍流边界层: t
普朗特数
一般液体:Pr=0.6~4000；气体：Pr=0.6~0.8。 21
cp
t
uxt vyt
2t x2
2t y2
4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程 组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对 流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。15
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
1
10-1 概述
1. 牛顿冷却公式
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个固体表面的平均 表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体 主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。
对流换热愈强烈；
2）密度，kg/m3 3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体热容量
的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对 流换热愈强烈；
4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体
的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；
u v 0
dy
x y
2）动量微分方程（动量守恒）
微元体
惯性力
压力差 0
dx
x
x方向: u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
D duFxxp2u 体积力
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
对于层流边界层:Pr≥1 t ；Pr≤1 t
Pr a
对于湍流边界层: t
普朗特数
一般液体:Pr=0.6~4000；气体：Pr=0.6~0.8。 21
cp
t
uxt vyt
2t x2
2t y2
4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程 组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对 流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。15
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
1
10-1 概述
1. 牛顿冷却公式
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个固体表面的平均 表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体 主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。
热工基础ppt教学教材
18
活塞，汽轮机，火箭引擎 Piston, Gas Turbine & Rocket Engines
19
热电厂 Power Plants
20
Air Conditioning
21
能量转换装置工作过程简介
1、蒸汽动力装置 2、内燃机
22
在这个循环过程中，为什么要有一个放 热的过程？
如果设有放热过程它不是能更好地利用 能源吗？
三个守恒方程是指质量守恒方程、能量守恒方程 和熵守恒方程等,这是热工分析计算的基础;
27
四个热力过程指的是定温、定压、定容和绝热等 四个基本热力过程。包括过程的特点、过程中状 态参数的变化、热量和功量(机械功)的转化情况 等;
在实际的能量转换过程中，转换的效率不可能达 到100%，工程热力学所要研究的就是怎样使这个 效率达到最大，以更好地利用热能。
26
内容： “一种工质、两个基本定律、三个守 恒方程、四个热力过程、五方面应用”
一种工质是指理想气体,包括理想气体的定义、性 质、状态参数、状态方程等;
两个基本定律是热力学第一定律和第二定律,包括 了定律的定性和定量表达及有关应用等;
和破坏力非常大，每年因污染造成的经济损 失在1000亿元以上
能源供需矛盾十分突出
节能 7
热能的利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。*
燃料电池
氢、酒精等二次能源
电能
机械能 辐射能
光电池
发电机
机械 风能、水能、海洋能
机械能
热能 直接利用
煤、石油、天然气
核能
核反应
燃烧 集热器
热机 90％
热 能 直接利用
3
0-1 能量与能源 能量
活塞，汽轮机，火箭引擎 Piston, Gas Turbine & Rocket Engines
19
热电厂 Power Plants
20
Air Conditioning
21
能量转换装置工作过程简介
1、蒸汽动力装置 2、内燃机
22
在这个循环过程中，为什么要有一个放 热的过程？
如果设有放热过程它不是能更好地利用 能源吗？
三个守恒方程是指质量守恒方程、能量守恒方程 和熵守恒方程等,这是热工分析计算的基础;
27
四个热力过程指的是定温、定压、定容和绝热等 四个基本热力过程。包括过程的特点、过程中状 态参数的变化、热量和功量(机械功)的转化情况 等;
在实际的能量转换过程中，转换的效率不可能达 到100%，工程热力学所要研究的就是怎样使这个 效率达到最大，以更好地利用热能。
26
内容： “一种工质、两个基本定律、三个守 恒方程、四个热力过程、五方面应用”
一种工质是指理想气体,包括理想气体的定义、性 质、状态参数、状态方程等;
两个基本定律是热力学第一定律和第二定律,包括 了定律的定性和定量表达及有关应用等;
和破坏力非常大，每年因污染造成的经济损 失在1000亿元以上
能源供需矛盾十分突出
节能 7
热能的利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。*
燃料电池
氢、酒精等二次能源
电能
机械能 辐射能
光电池
发电机
机械 风能、水能、海洋能
机械能
热能 直接利用
煤、石油、天然气
核能
核反应
燃烧 集热器
热机 90％
热 能 直接利用
3
0-1 能量与能源 能量
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学10第九章-导热、稳态导热、非稳态、数值解法
y2t2
z2t2
0
21
圆柱坐标系下的导热微分方程式
c t 1 r r r r t r 1 2 t z z t
如果为常数：
t 2t 1t 12t 2t a r2rrr22z2 c
保温材料（或称绝热材料）：
用于保温或隔热的材料。国家标准规定，温度低于 350℃时热导率小于0.12 W/(mK)的材料称为保温材料。
15
多孔材料的热导率随温度的升高而增大。
多孔材料的热导率与密度和湿度有关。一般情况下密 度和湿度愈大，热导率愈大。
典型材料热导率的数值范围
纯金属
50～415 W/(m·K)
称为热扩散率, 也称导温系数, 单位为m2/s。
其大小反映物体被瞬态加热或冷却时温度变化的快慢。 20
导热微分方程式的简化
(1) 物体无内热源： = 0
t a 2t
(2) 稳态导热：
t 0
a 2t 0 c
(3)稳态导热、无内热源：
2t = 0，即
2t x2
25
4)边界条件
说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的 相互作用。例如,边界上的温度、热流密度分布以及边界 与周围环境之间的热量交换情况等。
01bt
0为按上式计算的0℃下的热导率值，并非热导率
的真实值,如图所示。 b为由实验确定的常数，其数 值与物质的种类有关。
14
多孔材料的热导率
绝大多数建筑材料和保温材料（或称绝热材料）都 具有多孔或纤维结构(如砖、混凝土、石棉、炉渣等), 不是均匀介质,统称多孔材料。
多孔材料的热导率是指它的表观热导率, 或称作折 算热导率。
《热工基础》绪论PPT
年 中国 世界先进
g / kW. h
1960 1970 600 502
1980 1991 1997 448 424 408
2006 366 305
600 500 400 300 200 100 0 1960 1970 1980 1991 1997 2006 中国 世界先进
二Hale Waihona Puke 火力发电厂生产过程火力发电厂: 利用燃料燃烧放热生产电能的工厂
风 能
风 车
水 力 能
水水 力 车机 械
化 学 能
核 能
燃 裂 聚 烧 变 变
地 热 能
传 热
太 阳 能
光 热 光 电 反 应
热
热 机
温 差 发 电
能 (95%)
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
发 电 机
电 动 机
电
能
太 阳 能 发 电
秦 山 核 电 站
西 藏 羊 八 井 地 热 发 电 站
《热工基础及应用》
课 程 性 质
岗位群
火电厂集控运行值班员、巡视员
专业
火电厂集控运行
课程
热工基础及应用(职业能力核心课程)
本课程为火电厂集控运行专业的职业能力核心课程，是针对大中型火力发
电厂运行与管理等岗位职业能力培养而设置的课程，旨在为大中型火电厂培 养具有运行操作基本技能、确保热力设备安全、经济运行的高素质技能型专 门人才。
传热过程是由导热、热对流、
热辐射三种基本方式组合形 成的
三、本课程主要内容及研究方法
（二）热工学主要研究方法
宏观方法为主，微观方法为辅
①宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是
从宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理量
g / kW. h
1960 1970 600 502
1980 1991 1997 448 424 408
2006 366 305
600 500 400 300 200 100 0 1960 1970 1980 1991 1997 2006 中国 世界先进
二Hale Waihona Puke 火力发电厂生产过程火力发电厂: 利用燃料燃烧放热生产电能的工厂
风 能
风 车
水 力 能
水水 力 车机 械
化 学 能
核 能
燃 裂 聚 烧 变 变
地 热 能
传 热
太 阳 能
光 热 光 电 反 应
热
热 机
温 差 发 电
能 (95%)
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
发 电 机
电 动 机
电
能
太 阳 能 发 电
秦 山 核 电 站
西 藏 羊 八 井 地 热 发 电 站
《热工基础及应用》
课 程 性 质
岗位群
火电厂集控运行值班员、巡视员
专业
火电厂集控运行
课程
热工基础及应用(职业能力核心课程)
本课程为火电厂集控运行专业的职业能力核心课程，是针对大中型火力发
电厂运行与管理等岗位职业能力培养而设置的课程，旨在为大中型火电厂培 养具有运行操作基本技能、确保热力设备安全、经济运行的高素质技能型专 门人才。
传热过程是由导热、热对流、
热辐射三种基本方式组合形 成的
三、本课程主要内容及研究方法
（二）热工学主要研究方法
宏观方法为主，微观方法为辅
①宏观方法:即不考虑物质的微观结构，而是
从宏观现象出发来描述客观规律。用宏观物理量
热工基础基本概念 ppt课件
发电机
凝 汽 器
(2)工质（水，蒸汽）
(3)膨胀做功
(4)循环(加压、加热、 膨胀做功、放热)
给水泵
1.1 热能转变为机械能的过程
过热器 锅 炉
热机
汽轮机 (1) 热动力装置
蒸汽动力装置 发电机 燃气动力装置
凝
汽 (2) 热动力机(热机)
器
给水泵
1.1 热能转变为机械能的过程
(3)工质：实现热能与机械能转换的媒介物质。 如：燃气、烟气、水蒸气、氟利昂、空气。
热工学
Basis of Heat Energy Engineering
2015-03-03
能源转换利用的关系
风 能
水 能
化 学 能
燃 料 电 池
风 车
水水
轮 机
车
燃 烧
核 能
聚裂 变变
热
地
太
一次能源
热 阳 (天然存在)
能能
供 暖
光转 热换
光 电 转
换
能 90%
机械能 发电 电动 机机
热机
直接利用
二次能源
工程热力学与节能
工程热力学
是一门研究热能有效利用及热能和
其它形式能量建转立换节规律能的科学 理论及技术
热工学是重要的技术基础课
四大力学
理论力学：机械系统 热力学与统计物理学：热力系统 电动力学：电、磁系统 量子力学：微观系统 重要性
工程热力学 物理热力学 化学热力学 生物热力学 溶液热力学
热工学的研究内容
1.3 热力学状态及基本状态参数
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述热力系状态的宏观物理量。
结论：
• 状态一定，则状态参数也一定，反之亦然。 • 状态参数变换，则状态一定发生变化。
热工基础单元PPT学习教案
计量：铂电阻温度计 Platinum 34 第33页/共52页
2021/7/2
34
基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3、比容 v
v V [m3/kg] m
工质聚集的疏密程度
v 1
物理上常用密度density [kg/m3]
35
第34页/共52页
2021/7/2
35
二、热力过程及参数坐标图
微观：衡量分子平均动能的量度
T 0.5 m w 2
对气体：
BT = 0.5mw2
2021/7/2
第27页/共52页
28 28
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）
如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
2021/7/2
温度测量的 理论基础 B 温度计
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
23
第22页/共52页
2021/7/2
23
压力p测量
绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力
如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数： v V
m
uU m
h H m
s S m
比容 比内 比焓 比熵 能
单位：/kg 核/k动m力装o置l研究所具有强度参数的性20质
第19页/共52页
2021/7/2
20
强度参数与广延参数
速度 （强） Velocity
2021/7/2
34
基本状态参数
压力 p、温度 T、比容 v （容易测量）
3、比容 v
v V [m3/kg] m
工质聚集的疏密程度
v 1
物理上常用密度density [kg/m3]
35
第34页/共52页
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二、热力过程及参数坐标图
微观：衡量分子平均动能的量度
T 0.5 m w 2
对气体：
BT = 0.5mw2
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第27页/共52页
28 28
温度的热力学定义
热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）
如果两个系统分别与第三个系统处于 热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。
2021/7/2
温度测量的 理论基础 B 温度计
1bar = 105 Pa
1 MPa = 106 Pa
1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa
1 at = 1 kgf/cm2 = 9.80665104 Pa
23
第22页/共52页
2021/7/2
23
压力p测量
绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力
如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数： v V
m
uU m
h H m
s S m
比容 比内 比焓 比熵 能
单位：/kg 核/k动m力装o置l研究所具有强度参数的性20质
第19页/共52页
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20
强度参数与广延参数
速度 （强） Velocity
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学第一章
pv RT
17
（3）状态参数坐标图 以独立状态参数为坐标的坐标图。 在以两个独立状态参数为坐标的平面坐
标图上，每一点都代表一个平衡状态。
18
1-4 准平衡过程和可逆过程
（1）热力过程 系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。
19
（2）准平衡过程（准静态过程）
所经历的每一个状态都无限地接近平衡状 态的过程。
热力学温标取水的三相点为基准点，并定 义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三 相点温度的1/273.16。
热力学温标与摄氏温标的关系： 温差:1 K = 1 ℃
t = T – 273.15 K 14
国际单位制（SI）采用热力学温度T作 为基本状态参数。 4) 温度的测量
a. 接触式 水银温度计、酒精温度计 热电偶、电阻温度计等。
闭口 系统
边界 外界
4
（2）开口系统
与外界有物质交
进口
换的系统。系统的容
积始终保持不变，也
称为控制容积系统。
（3）绝热系统 与外界没有热量交换的系统。 出口
（4）孤立系统
与外界既无能量（功、热量） 交换又无物质交换的系统。
5
1-2 平衡状态及基本状态参数
1. 平衡状态
（1）状态（热力状态）
系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状 况称为系统的热力状态，简称状态。
9
压力测量：
绝对压力 p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv
p =pb +pe
p =pb -pv
只有绝对压力 p 才是状态参数。
10
（2）温度
1）温度的物理意义
温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的 高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。
清华大学热工基础课件工程力学加传热学绪论
全世界关注的5大问题： 1）能源 2）人口 3）粮食 4）环境 5）资源
能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。
2019/10/29
5
（3）我国能源利用的现状及主要问题
正常情况下，每个国家能源消费总量及增 长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比， 而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水 平的高低。
500
400
300
200
100
0 1960
2019/10/29
1970
1980
1991
1997
中国 世界先进
10
3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。
2019/10/29
15
0-2 热工基础的研究内容
热工基础
（热工理论基础）
工程热力学篇 传热学篇
主要研究内容：
热工基础主要研究热能利用的基 本规律以及热能利用过程及自然界所 有热现象中热量传递的基本规律。
2019/10/29
16
1.工程热力学的研究内容与研究方法
（1）研究内容
工程热力学主要研究热能和机械能 之间相互转换的规律及提高能量转换经 济性的途径和技术措施 。（举例）
2019/10/29
20
热工基础课程的学习主要有两个目的
（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定 律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间 相互转换的规律及提高转换经济性的方法和 技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；
（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与 基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、 处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的 技术理论基础。
能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。
2019/10/29
5
（3）我国能源利用的现状及主要问题
正常情况下，每个国家能源消费总量及增 长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比， 而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水 平的高低。
500
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300
200
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0 1960
2019/10/29
1970
1980
1991
1997
中国 世界先进
10
3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。
2019/10/29
15
0-2 热工基础的研究内容
热工基础
（热工理论基础）
工程热力学篇 传热学篇
主要研究内容：
热工基础主要研究热能利用的基 本规律以及热能利用过程及自然界所 有热现象中热量传递的基本规律。
2019/10/29
16
1.工程热力学的研究内容与研究方法
（1）研究内容
工程热力学主要研究热能和机械能 之间相互转换的规律及提高能量转换经 济性的途径和技术措施 。（举例）
2019/10/29
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热工基础课程的学习主要有两个目的
（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定 律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间 相互转换的规律及提高转换经济性的方法和 技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；
（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与 基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、 处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的 技术理论基础。
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学1绪论
列中间状态，最终回到初始状态。
工程热力学的发展历程
早期发展
工程热力学起源于古代人类对火的使用和对蒸汽的认识。 随着工业革命的兴起，人们对热能转换和利用的研究逐渐 深入。
基础理论建立
19世纪末，卡诺、焦耳等科学家通过实验研究，建立了热 力学的理论基础，包括卡诺循环、焦耳定律等。
现代发展
随着科技的不断进步，工程热力学在能源转换、环境保护 、航空航天等领域的应用越来越广泛，成为能源、动力、 化工等学科的重要基础。
要关注热力系统能量的转换与传递过程，以及系统状态变化的规律。
02
热力系统
热力系统是指可以与周围环境进行热量交换的封闭系统。系统内的能量
转换与传递过程遵循热力学的第一定律和第二定律。
03
热力循环
在工程热力学中，热力循环是一系列连续的热力学过程，包括吸热、膨
胀、放热、压缩等过程。循环中，系统从某一初始状态出发，经过一系
19世纪末，傅里叶、牛顿等科学家对传热学进行了系统 的研究和总结，奠定了传热学的基础。
20世纪以来，随着科技的发展和工业的进步，传热学在 理论和实践方面都取得了长足的进步。
传热学的研究对象和内容
01
传热学的研究对象是热量传递过程中的规律和现象，主要 研究导热、对流、辐射三种传热方式。
02
导热是指热量在物体内部通过分子、原子等微观粒子的运动传递 ；对流是指流体在运动过程中将热量传递给固体壁面；辐射是指
热力循环与热效率
介绍各种热力循环，如蒸汽循环 、燃气循环等，以及如何提高循 环效率和减少能量损失。
传热学部分大纲
导热基本定律与稳态导热
介绍导热基本定律，即傅里叶定律，以 及稳态导热的分析方法和计算。
对流换热
热工基础ppt课件
共建课堂 作业独立完成 平时成绩是期末成绩的一部分
ppt精选版
32
HVAC — refrigeration systems, heat pumps, etc. 供热通风与空调工程——制冷系统，热泵等
Cryogenics — gas separation and liquefaction 低温——气体分离及液化
Biomedical applications 生物医学应用
flight invented and built by Wilbur and Orville Wright
flown by them at Kitty Hawk, North Carolina December 17,
1903 .They opened the era of aviation.
ppt精选版
2
绪论
0-1 能量与能源 0-2 热工基础的研究内容
ppt精选版
3
0-1 能量与能源
能量
能量是物质运动的度量。 世界是由物质构成的，一切物质都处于运 动状态，所以一切物质都具有能量。
能量是人类社会进步的动力。
ppt能 : 物体的动能与势能； 热能 ：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉
直接利用：将热能直接用于加热物体 如：烘干、蒸煮、采暖、熔化等等；
间接利用：将热能转变为其它形式的能 * 如：热能向机械能的转换 热能向机械能转换后再由机械能转换为电能 热能向电能直接转换
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9
0－2 热工基础的研究内容
1.工程热力学的研究内容与研究方法 2.传热学的研究内容与研究方法
宏观方法—经典热力学
①根据热力学的两个定律，运用严密的逻辑推理， 对物体的宏观现象进行分析研究，而不涉及物质 的微观结构和微观粒子的运动情况。
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32
HVAC — refrigeration systems, heat pumps, etc. 供热通风与空调工程——制冷系统，热泵等
Cryogenics — gas separation and liquefaction 低温——气体分离及液化
Biomedical applications 生物医学应用
flight invented and built by Wilbur and Orville Wright
flown by them at Kitty Hawk, North Carolina December 17,
1903 .They opened the era of aviation.
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绪论
0-1 能量与能源 0-2 热工基础的研究内容
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0-1 能量与能源
能量
能量是物质运动的度量。 世界是由物质构成的，一切物质都处于运 动状态，所以一切物质都具有能量。
能量是人类社会进步的动力。
ppt能 : 物体的动能与势能； 热能 ：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉
直接利用：将热能直接用于加热物体 如：烘干、蒸煮、采暖、熔化等等；
间接利用：将热能转变为其它形式的能 * 如：热能向机械能的转换 热能向机械能转换后再由机械能转换为电能 热能向电能直接转换
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0－2 热工基础的研究内容
1.工程热力学的研究内容与研究方法 2.传热学的研究内容与研究方法
宏观方法—经典热力学
①根据热力学的两个定律，运用严密的逻辑推理， 对物体的宏观现象进行分析研究，而不涉及物质 的微观结构和微观粒子的运动情况。
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n—等温面法线方向的单位矢量，指向温度增加的方向。 5
在直角坐标系中，温度梯度可表示为
gradttit jtk x y z
t 、 t 、 t 分别为x、y、z 方向的偏导数; i、j、k 分 x y z 别为x、y、z 方向的单位矢量。
（4）热流密度 (heat flux)
q d dA
热流密度的大小和方向可以 用热流密度矢量q 表示
对于各向同性物体, 傅里叶定律表达式为
qgradt t n
n
傅里叶定律表明, 导热热流密度的大小与温度梯度的 绝对值成正比，其方向与温度梯度的方向相反。
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标量形式的傅里叶定律表达式为
q t
n
对于各向同性材料, 各方向上的热导率相等,
qqxiqyjqzk
gradttit jtk x y z
主要内容
（1）与导热有关的基本概念； （2）导热基本定律 ； （3）导热现象的数学描述方法。 为进一步求解导热问题奠定必要的理论基础。
1. 导热的基本概念
（1） 温度场(temperature field)
在 时刻，物体内所有各点的温度分布称
为该物体在该时刻的温度场。
2
一般温度场是空间坐标和时间的函数，在直 角坐标系中，温度场可表示为
4
（3）温度梯度(temperature gradient)
在温度场中，温度沿x方
向的变化率(即偏导数)
t lim t
x
x
x 0
很明显, 等温面法线方向
的温度变化率最大，温度变化
最剧烈。
温度梯度：等温面法线方向的温度变化率矢量：
gradt t n n
温度梯度是矢量，指 向温度增加的方向。
qxt iyt jzt k
qx
t x
qy
t y
qz
t z
由傅里叶定律可知, 要计算导热热流量, 需要知道
材料的热导率, 还必须知道温度场。所以,求解温度场
是导热分析的主要任务。 8
傅里叶定律的适用条件：
（1）傅里叶定律只适用于各
向同性物体。对于各向异性物体， 热流密度矢量的方向不仅与温度
qy
梯度有关,还与热导率的方向性
保温材料（或称绝热材料）：
用于保温或隔热的材料。国家标准规定，温度低于 350℃时热导率小于0.12 W/(mK)的材料称为保温材料。
14
多孔材料的热导率随温度的升高而增大。
多孔材料的热导率与密度和湿度有关。一般情况下密 度和湿度愈大，热导率愈大。
典型材料热导率的数值范围
纯金属
50～415 W/(m·K)
11
温度对热导率的影响：
一般地说, 所有物质的热 导率都是温度的函数,不同 物质的热导率随温度的变化 规律不同。
纯金属的热导率随温度的 升高而减小。
一般合金和非金属的热导 率随温度的升高而增大。
大多数液体（水和甘油除 外）的热导率随温度的升高 而减小。
纯金属的热导率随温度的 升高而减小。
12
在工业和日常生活中常见的温度范围内, 绝大多数 材料的热导率可近似地认为随温度线性变化, 并表示为
01bt
0为按上式计算的0℃下的热导率值，并非热导率
的真实值,如图所示。 b为由实验确定的常数，其数 值与物质的种类有关。
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多孔材料的热导率
绝大多数建筑材料和保温材料（或称绝热材料）都 具有多孔或纤维结构(如砖、混凝土、石棉、炉渣等), 不是均匀介质,统称多孔材料。
多孔材料的热导率是指它的表观热导率, 或称作折 算热导率。
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3. 热导率（导热系数）
热导率表明物质导热能力的大小。根据傅里叶定
律表达式
q
grad t
绝大多数材料的热导率值都可以通过实验测得。
10
物质的热导率在数值上具有下述特点:
(1) 对于同一种物质, 固态的热导率值最大,气态的热 导率值最小； (2)一般金属的热导率大于非金属的热导率 ；
(3)导电性能好的金属, 其导热性能也好 ；
nt
dA q
d
q d n
dA
热流密度矢量的方向指向温度降低的方向。
6
在直角坐标系中，热流密度矢量可表示为
qqxiqyjqzk
qx、qy、qz分别表示q在三个坐标方向的分量的大小。
2. 导热的基本定律
傅里叶（ Fourier）于1822年提出了著名的导热基本 定律，即傅里叶定律，指出了导热热流密度矢量与温度 梯度之间的关系。
3
（2）等温面与等温线
在同一时刻，温度场中温度相同的点连成的线或 面称为等温线或等温面。
等温面上任何一条线都是 等温线。如果用一个平面和一组 等温面相交, 就会得到一组等温 线。温度场可以用一组等温面或 等温线表示。
等温面与等温线的特征：
同一时刻，物体中温度不同的等温面或等温线不能 相交；在连续介质的假设条件下，等温面（或等温线） 或者在物体中构成封闭的曲面（或曲线），或者终止于 物体的边界，不可能在物体中中断。
合金
12～120 W/ /(m·K)
非金属固体
(4)纯金属的热导率大于它的合金 ；
(5)对于各向异性物体, 热导率的数值与方向有关 ；
(6)对于同一种物质, 晶体的热导率要大于非定形态物 体的热导率。
热导率数值的影响因素较多, 主要取决于物质的 种类、物质结构与物理状态, 此外温度、密度、湿度 等因素对热导率也有较大的影响。其中温度对热导率 的影响尤为重要。
有关, 因此热流密度矢量与温度 y y
梯度不一定在同一条直线上。
n
qx
q
x
x
（2）傅里叶定律适用于工程技术中的一般稳态和 非稳态导热问题，对于极低温（接近于0K）的导热问 题和极短时间产生极大热流密度的瞬态导热过程, 如 大功率、短脉冲(脉冲宽度可达10-12～10-15s)激光瞬态 加热等, 傅里叶定律不再适用。
tf x,y,z,
非稳态温度场 ：温度随时间变化的温度场， 其中的导热称为非稳态导热。
稳态温度场 ：温度不随时间变化的温度场， 其中的导热称为稳态导热。
t f x,y,z
一维温度场 t f x,
t f x
二维温度场 t f x,y, t f x, y
三维温度场 tf x,y,z, t f x,y,z
研究方法
从连续介质的假设出发，从宏观的角度来 讨论导热热流量与物体温度分布及其他影响 因素之间的关系。
连续介质
一般情况下，绝大多数固体、液体及气 体都可以看作连续介质。但是当分子的平均 自由行程与物体的宏观尺寸相比不能忽略时， 如压力降低到一定程度的稀薄气体，就不能 认为是连续介质。
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9-1 导热理论基础