2020年高中物理竞赛—传热学基础05相似原理和量纲分析(共22张PPT) 课件

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2020年高中物理竞赛—传热学-第五章对流换热：相似原理的应用等(共27张PPT) 课件

均匀热流边界 Nuf 4.82 0.0185Pef0.827
实验验证范围： Ref 3.6 103 ~ 9.05 105, Pef 102 ~ 104。
均匀壁温边界 Nuf 5.0 0.025Pef0.8
实验验证范围： Pef 100。
特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。
第五章对流换热
❖ 一般在关联式中引进乘数 (f / w )n 或（Prf / Prw )n
来考虑不均匀物性场对换热的影响。
第五章对流换热
17
大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1）迪贝斯－贝尔特修正公式
Nuf 0.023 Ref0.8 Prfn ct
对气体被加热时，
ct
Tf Tw
0.5
当气体被冷却时， ct 1。
目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：
Nu c Ren Nu c Ren Prm Nu c(Gr Pr)n
式中，c、n、m 等需由实验数据确定，通常由图解法和
最小二乘法确定
第五章对流换热
7
幂函数在对数坐标图上是直线
Nu c Ren lg Nu lg c nlg Re
n tg l2 ;
l1
c
Nu Re n
实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算机确定各常量
特征数关联式与实验数据的偏差用百分数表示
第五章对流换热
8
① 回答了关于试验的三大问题：
（1）实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）（2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）（3）实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？ ② 所涉及到的一些概念、性质和判断方法：

2020年高中物理竞赛—普通物理学A版-热力学基础(共43张PPT) 课件

或 Q34 E34 W34 -1310J
W =W12+W23+W34 = 449J Q = Q12+Q23+Q34= 761J
E = Q －W = 312J
或 E=E4－E1= CV(T4－T1)=312J
二. 理想气体的绝热过程
上页下页返回结束
不与外界交换热量的条件下,系统状态的变化过程.
Qbc
C p (Tc
Tb )
7 2
R(Tc
Tb )
7( 2
pcVc
pbVb )
=
-
7.95103J
ca为等体过程
Qca E CV (Ta
W3 Tc
)=052
( RTa
RTc
总过程: 放热 Q2= -Qbc= 7.95103J
过程中, 把氢气压缩为原来体积的1/10需要作的功. (1)等温过程;
(2)绝热过程; (3)经这两过程后,气体的压强各为多少?
解:(1)等温过程
W12
M M mol
RT
ln V2 V1
5 8.31 293 ln
1
2.80 104 J
p2 2 p2 2
(2)绝热过程 W12
10 1
T2 T1 M
实际压缩一次所用时间为 1 秒，
就可以说是准静态过程。
外界压强总比系统压强大一小量 △P ,可以缓慢压缩
上页下页返回结束
例2：系统（初始温度 T1）从外界吸热
系统T1
从 T1
T2 是准静态过程
系统温度 T1 直接与热源
T2接触，最终达到热平衡，
不是准静态过程。
等温过程
T1+△T T1+2△T T1+3△T

2020山大附中高中物理竞赛辅导课件(热学)温度(共15张PPT)

Mmol
气体的摩尔数= M = N
N A
阿伏伽德罗常数 --- N A =6.023
10
23 mol
PV M RT RT N RT NkT
M mol
NA
玻耳兹曼常数
k R 1.381023 J / K NA
理想气体的状态方程
P=nkT
THE END 祝大家竞赛顺利、学业有成
.............................. ..............................
平衡态：处于不变外界条件下的热学系统（系统与外界无质量和能量交换）经过很长时间后达到一个确定的状态，在此状态下系统的宏观状态不随时间改变，称此状态为平衡态。平衡态在PV 图上用一点来表示。
2020 高中物理竞赛
热学
山大附中物理竞赛教研组编
（含物理竞赛真题练习）
热学（Heat）
热学是研究与热现象有关的规律的科学。热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。大量分子的无规则运动称为热运动。
热学的研究方法：
1.宏观法最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) ------称为热
力学。优点：可靠、普遍。缺点：未揭示微观本质。
在体积不变时有
P T 273.16K
P3
摄氏温度 t 与理想气体温度 T的关系 t=T-273.15
热力学温标与任何物质特性无关，但与理想气体温标等价
§1.4 理想气体的状态方程
M
PV =
M
R mol
T
R = 8.31 J. mol -1. K -1
注意：方程中有三个变量 P、V、T , 其中只有两个变量是独立的；方程只适用于平衡态。

高二物理竞赛课件：流体的力学相似(共13张PPT)

动力相似
力成比例
第一节流动的力学相似
表征
流动
按性质分
过程
的物
理量
描述几何形状的
如长度、面积、体积等
描述运动状态的
如速度、加速度、体积流量等
描述动力特征的
如质量力、表面力、动量等
几何
相似流应
运动
动
满足
相似
相
的条
动力似件
相似
第一节流动的力学相似
一.几何相似（空间相似）
定义：模型和原型的全部对应线形长度的比值为一定常数。
第二节动力相似准则
流场中有各种性质的力，但不论是哪种力，只要两个流场动力相似，它们都要服从牛顿相似准则。
一、重力相似准则（弗劳德准则）二、粘性力相似准则（雷诺准则）三、压力相似准则（欧拉准则）四、弹性力相似准则(柯西准则) 五、表面张力相似准则（韦伯准则）六、非定常性相似准则（斯特劳哈尔准则）
Cv
v' v
l'2 t'
l2 t
Cl 2 Ct
ClCv
（4-8）
第一节流动的力学相似
三.动力相似（时间相似）
定义：两个运动相似的流场中，对应空间点上、对应瞬时作用在两相似几何微团上的力，作用方向一致、大小互成比例，即它们的动力场相似。
图4-3 动力场相似
第一节流动的力学相似
力的比例尺：
流体的力学相似
解决流体力学问题
的方法
数学分析实验研究
模型实验
以相似原理为基础
本章主要介绍流体力学中的相似原理，模型实验方法以及量纲分析法。
第一节流动的力学相似
几何相似

2020年高中物理竞赛—传热学-第五章对流换热：外部流动强制对流换热实验关联式等(共37张PPT)

第五章对流换热
28
②对于水平空气夹层，推荐以下关联式：
Nu
0.212(Gr
Pr)1 / 4,
Gr
1 104
~
4.6 105
Nu
0.061(Gr
Pr)1/ 3,
Gr
4.6 105
式中：定性温度均为 (tw 1 tw 2 )/ 2,
长度均为。
Re 数中的特征
对竖空气夹层，H / 的实验验证范围为
❖ 参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。
❖ 在 x 方向， Fx g ，并略去二阶导数。
❖ 由于在薄层外 u v 0 ，从上式可推得
u u x
v
u y
g
1 dp dx
Hale Waihona Puke 2u y 2dp dx
g
第五章对流换热
17
将此关系带入上式得
u u x
v
u y
g
(
)
2u y 2
引入体积膨胀系数：
35
20.比拟和相似之间有什么联系和区别? 21.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法. 22.使用定理推导准则关系式的基本方法. 23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义. 24.在有壁面换热条件时, 管内流体速度分布的变化特点. 25.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法.如何确定
常数C和n的值见下表。
第五章对流换热
22
注：竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下
情况：
d
35
H GrH1 / 4
第五章对流换热
23
习惯上，对于常热流边界条件下的自然对流，往往采用下面方便的专用形式：

传热学基本知识PPT课件

热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区：
充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小,温差小。
第32页/共74页
传热学基本知识
4、对流换热方程
热对流
对流传热计算公式—牛顿冷却定律
Q At
Q A
t 1
t R
一侧对流传热推动力一侧对流传热热阻
t (t1 t2 )
一般为传热壁面的温度与流体主体的平均温度之差。
度再
差乘
⊿以t温均度是t 差先修按正逆系流数计
算
对数平均，即
温
度
t均 t t逆
第18页/共74页
第19页/共74页
③错流和折流时的平均温度差
各种流动情况下的温度差修正系数，可以根据
两个参数查图
R T1 T2 热流体的温降 t2 t1 冷流体的温升
P t2 t1 T1 t1
冷流体的温升两流体的最初温差
3）流体的物理性质对给热系数的影响导热系数、比热容c、密度越大，动力粘度越小，对流传热系数越大
第34页/共74页
传热学基本知识
热对流
2）流体有相变发生时
蒸汽的冷凝液体的沸腾
膜状冷凝滴状冷凝(传热系数大)
自然对流
泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）
膜状沸腾
第35页/共74页
蒸汽冷凝时的对流传热
现2场．测采得用流经体的验流数量据，由流体在换热器进出口的状态变化而求得。
表5-2列出了常见的列管式换热器的传热系数经验值的大致范围。
3．计算法
传热系数的计算公式可利用串联热阻叠加原则导出。对于间壁式换热器，传热过程的总阻力应等于两个对流传热阻力与一个导热阻力之和。传热总阻力的倒数就是传热系数。

2020年高中物理竞赛—传热学基础05外部流动强制对流换热实验关联式(共19张PPT) 课件

流体横掠顺排管束
平均表面传热系数计算关联式（ 16排）
❖
排换热强、阻力损失大并难于清洗。
影响管束换热的因素除 Re、数Pr外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。
这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。
气体横掠10排以上管束的实验关联式为
2020高中物理竞赛第五章
对流换热
§5-8 外部流动强制对流换热实验关联式
外部流动：换热壁面上的流动边界层与热
边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。
横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方
向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。
边界层的成长和脱体 tr (tw t f ) / 2; 特征长度为管外径d； Re数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。
实验验证范围：
Re f 2000 ~ 40000。
C和m的值见下表。
C和m的值
对于排数少于10排的管束，平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排
tw℃ 2。1 ~ 1046
对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式。
注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸 l是计算 N数u及数R时e 用的特征长度。
上述公式对于实验数据一般需要分段整理。
邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管
提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。
Nu
0.3
0.62 Re1/2 Pr1/3 [1 (0.4 / Pr)2/3]1/4
1
Re 282000
5/8

2020年高中物理竞赛—传热学基础05相似原理的应用(共35张PPT) 课件

湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。
（4）特征速度及定性温度的确定
特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后，采用下式确定该截面
定），管内径为特征长度。
实验验证范围为：
l / d 60,
Prf 0.7～16700, Re f 104。
（3）采用米海耶夫公式：
Nu f
0.021Re0f.8
Pr
0.43 f
Prf Prw
0.25
定性温度为流体平均温度 tf，管内径为特征长度。
实验验证范围为： l / d 50，
f 0.0044 ~ 9.75， w
Re f Prf
l/d
1/3 f
w
0.14
2。
（2）入口段入口段的传热系数较高。对于通常的工业
设备中的尖角入口，有以下入口效应修正系数：
cl
1
d l
0.7
（3）螺线管
螺线管强化了换热。对此有螺线管修正系数：
对于气体cr11.3d R3
对于液体
cr
11.77
d R
以上所有方程仅适用于体。
Pr的气0.体6 或液
对数Pr很小的液态金属，换热规律完全不同。
2.使用特征方程时应注意的问题：
❖ 特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；
（1）特征长度应该按准则式规定的方式选取
❖ 如：管内流动换热：取直径 d
❖ 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度：

2020年高中物理竞赛辅导课件：热学(热力学第二定律)(共24张PPT)

S2
S1
R
2 1
dQ T
⒉熵增加原理(Entropy Principle)
——对于孤立系统中发生的任何过程，系统的熵或者增加(如果过程是不可逆的)，或者保持不变(如果过程是可逆的)，即
S 0
Notes: ①该原理可看成是热Ⅱ律的数学表述
②开放系统中的不可逆过程，熵不一定增加。
③结合热Ⅱ律的微观意义可知，熵是系统无序程度的量度。
k——Boltzmann常量
——热力学概率(一个宏观状态中所包含的微观状态数)
热力学概率举例：
计算N个分子空间分布的微观状态数
N左 N右
0 N1
1
N-1 C1N
2
N-2 CN2
………
N
0
C
N N
图形表示(当N很大时):
O N/2
N左
对于均匀分布的那个宏观态，有
N
CNN / 2 2N
可逆过程——仅使外界发生无穷小的变化就能使自身反向进行的过程
不可逆过程——不是可逆的过程
e.g. ①无摩擦的缓慢绝热压缩过程 (可逆)
②有摩擦的缓慢绝热压缩过程 (不可逆) ③快速绝热压缩过程 (不可逆)
一般，可逆过程
无摩擦的准静态过程
Note: 实际的宏观热力学过程都是不可逆的.
§3.2 热力学第二定律 ⒈开尔文表述(Kelvin statement) ——从单一热源吸热并把它全部转变为功的循环过程是不存在的。
*[例3-2] 绝热自由膨胀后的熵变
V
2V
解：初态：(T, V) 末态：(T, 2V)
设计一可逆过程(等温膨胀)以计算熵变.
S 2 dQ Q A 1 M RT ln 2V

传热学理论基础 ppt课件

15
ppt课件
导热问题的数值分析技术
参见 “热分析技术”专题
16
ppt课件
对流换热
定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。条件：a. 质点的宏观位移（流动）； b. 两个物体间有 t 存在。
特点：对流换热是包括对流和导热二个过程同时存在，它既有流体分子之间、流体与固体间的导热作用，又有流体本身的对流作用，受到导热、对流两种规律的支配。
自然对流特征分析
流体内各部分温度的不均匀，引起流体密度的不均匀，流体受热密度减小，形成热流体上升，冷流体下降的对流循环体上升的浮升力。流体自然对流有两种流态，即层流和紊流。
。其动力是受热流
35
ppt课件
自然对流换热计算
不同情况下的自然对流换热
竖平板及竖柱体水平圆柱体水平板热面朝上水平板热面朝下
k
k
29
ppt课件
对流换热—量纲分析法
hc—f (w , , , cp , k , D) = 0
（1，2，3）= 0
如果某个齐次方程的物理变量有7个，其中近4个基本量纲量，则该方程也可以用3个独立的无量纲数组来支配。
任选hc= f (w , , , cp , k , D) 中的D， , , k 为基本变量，可得：
t t 0; 0
4
ppt课件
导热
因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级 →低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必需具备二个条件：t 和相互接触。 1822 年法国数学家 J.Fourier，研究了固体的导热现象后，提出：物质在纯导热时，通过垂直于热流方向的面积（ dA）的热流量（ dQ），与该处的温度变化率（梯度）成正比，方向与温度梯度相反。

高中物理竞赛讲义热学ppt课件

• 应用Dalton Law对所有组分求和：
m n
n
PV PiV
Mi RT
i1
i1 i
2021/5/4
最新版整理pp—t 混合理想气体状态220
其它推论:
若定义混合气体的平均摩尔质量：m M
则可由“混合理想气体状态方程”得到：
M
Mi
mi
PV M RT
m
因此，可以说：混合理想气体好似摩尔质量为 m 的单一化学成分的理想气体。
二、气体的性质
最新版整理ppt
1
1 理想气体状态方程
• 玻意耳—马略特定律 Boyle-Marriot Law (Boyle,
1662; Mariott, 1679) :
“对于一定质量的气体，在温度不变时，其压强P和体积V的乘积是一常数：PV=C ”
• 跟温度T没有关系
• 实际气体并不严格遵守这一定律，因为不同 T时,C不一样
为k的轻弹簧连接如图所示.最初容器
内封闭了压强为P0，温度为T的气体，弹簧不伸长，弹簧部分封闭的体积占
全部容器体积的a。为了使它的体积扩大为两倍，应该对有弹簧部分间隔加热到温度为多少？容器其余部分温度不变，摩擦不计。
最新版整理ppt
31
例13
• 容器内充满氦和氧的混合气，把混合气的温度从T1=300K加热到T2=400K，这样，有一半氦原子离开容器而剩余气体压强如前。求此过程混合气体密度变化了多少？氧的摩尔质量32g/mol，氦的摩尔质量 4g/mol
最新版整理ppt
28
例10
• 据说在克尼菲勋爵档案馆里发现一张有关理想气体循环过程图，由于年代久远，画已褪色且p（压强）和V（体积）坐标轴消失，仅保留两轴交点O。从对画的说明中可知，在A点气体温度最高，从V轴正方向看去沿逆时针向p轴正方向转角最小。试作图重建p和V轴的位置。

2020高中物理竞赛(热学篇)热力学基础(含真题)熵和信息(共15张PPT)

小生灵要耗费一定能量并产生额外的熵，补偿了系统里的熵的减少。
二、熵与信息
信息就是消息，它是用于消除不确定性的东西。
信息往往需要以语言文字或符号系统为载体，在没有得到任何载有信息的载体之前，我们对系统处于何种状态并不确知，如果设法计量了这个不确知的程度有多大，我们也就有可能计量信息。系统的不确定性是和系统所包含的信息有关的。
1、开放系统
d iS由系统内部不可逆过程引起di S 0
开放系统的总熵流
换能量或物质引起的熵变
d eS 可正可负，取决于系统和外界的作用
d eS 0
负熵流
d eS di S dS di S d eS 0
由于负熵流的作用，系统的熵减少了，系统进入
激光器泵浦功率超过某一临界值，发出同频率、同相位和同振动方向的光。
3、B-Z反应
铈离子催化下柠檬酸的溴酸氧化反应
控制反应物和生成物的浓度
混合物颜色周期性地在黄色和白色中变化
铈离子催化下丙二酸的溴酸氧化反应
出现化学振荡
混合物颜色周期性地在红色和蓝色中变化
二、平衡结构与耗散结构自组织系统的组织行为是自发的，即获得的有序结构和功能并非外界强加给系统的。
某些系统在远离平衡态时可以有多种可能的有序结构，从而使系统可以表现复杂的时空行为。系统的瞬时状态完全是偶然的，不可确定。
比原来更加有序的状态。
2、远离平衡态处在平衡态和近平衡态的系统总倾向趋于无序。外界必须驱动开放系统越出线性非平衡区，到达远离平衡态的区域。
3、存在临界值 4、正反馈自我复制、自我放大的机制。
使无数个小分子的微观行为得到协同而产生宏观的有序。
5、非线性—产生稳定的耗散结构分支

传热学基本知识ppt课件

传热学基本知识ppt课件目录•传热学概述•热传导基本知识•热对流基本知识•热辐射基本知识•传热过程与换热器设计•传热学实验方法与测量技术•传热学在工程领域应用案例01传热学概述传热学定义与研究对象传热学定义研究热量传递规律的科学，主要研究物体之间或物体内部热量传递的过程、机理和计算方法。

研究对象包括导热、对流换热和辐射换热三种基本传热方式，以及传热过程与热力学、流体力学、电磁学等学科的交叉问题。

01020304能源与动力工程建筑工程机械工程电子工程传热学应用领域涉及燃烧、锅炉、内燃机、汽轮机、航空发动机等领域的热量传递问题。

研究建筑物的保温、隔热、采暖、通风等热工性能，提高建筑能效。

解决电子设备散热问题，如计算机、手机、电子元器件等的冷却技术。

研究各种机械设备的热设计、热分析和热控制，如散热器、冷却系统、热交换器等。

理论分析实验研究数值模拟传热学研究方法通过建立数学模型和方程，对传热过程进行定量描述和预测。

通过实验手段测量传热过程中的各种物理量，验证理论分析和数值模拟的正确性。

利用计算机进行数值计算，模拟传热过程的详细情况，为优化设计和控制提供依据。

02热传导基本知识热传导定义及物理意义热传导定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。

物理意义热传导是热量传递的三种基本方式之一，对于研究物体的热行为和热设计具有重要意义。

热传导基本定律与公式热传导基本定律傅里叶定律，即单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比。

热传导公式Q = -kA(dT/dx)，其中Q为热量，k为热传导系数，A为传热面积，dT/dx为温度梯度。

热传导系数及其影响因素热传导系数定义表征材料导热性能的物理量，即单位时间、单位温度梯度下，通过单位面积的热流量。

影响因素材料的种类、温度、压力、湿度等都会对热传导系数产生影响。

例如，金属材料的热传导系数通常较高，而非金属材料的热传导系数较低。

03热对流基本知识热对流定义及物理意义热对流定义热对流是指热量通过流体的宏观运动而传递的过程。

2020物理竞赛专题辅导(基础版)·热学 (C版)(共51张PPT)

(A)压强p
(B)体积V
(C)温度T
(D)分子的平均碰撞频率
v
z
1
2d
2n
1
2d 2N
/V
V
2d 2N
N不变
2. 在下面四种情况中，何种将一定能使理想气体分子平均碰撞频率增大?
(a)增大压强，提高温度 (c)降低压强，提高温度 (b)增大压强，降低温度 (d)降低压强，保持温度不变
z 2d 2nv 2d 2 p 8kT p kT M T
vp
4 e1 0.13 10.8%
是恒定值，不随温度而变。
2020物理竞赛专题辅导（基础版）·热学（C版）
8. 真实气体在气缸内以温度 T1 等温膨胀，推动活塞作功，活塞移动距离为L。若仅考虑分子占有体积去计算功，比不考虑时为( a )；若仅考虑分子之间存在作用力去计算功，比不考虑时为( b )。
dQ vR( p 3)
dT
p0 2
c 1 dQ R ( p 3)
v dT p0 2
2020物理竞赛专题辅导（基础版）·热学（C版）
6.一摩尔氮气(设氮气服从范德瓦尔斯方程)作等温膨胀，体积由V1变到V2。试求氮气(a)对外界作的功；(b)内能的改变； (c)吸收的热量。
(a)由范德瓦尔斯方程
分子数占总分子数的百分率为：
N 4 (
m
)
3
2
e
mv 2 2kT
v
2v
N
2kT
4
(
v
( v )2
)2 e vp
v
vp
vp
v p : v 1.41 : 1.59
设 v vp
v v v p
v