热工基础思维导图

U241939558

2024-12-12

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热工基础

热力过程

绪论，热力学定律，热力过程内容讲解

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思维导图大纲

绪论

自然界的能源及其利用

能源及其分类

定义：可向人类提供各种能量和动力的物质资源

分类

按来源分

1、来自太阳的辐射能:如煤炭、石油、天然气、风能等；

2.来自地球本身:如地热能、铀、钍等；

3.来自月球和其他天体的引力:如潮汐能等；

按形态分

1.一次能源:自然界现成纯在，可以直接取得利用的能源。如煤炭、石油、铀等；

2.二次能源:由一次能源经过加工转化成另外形态的能源。如电力、氢气、高温蒸汽等；

按使用程度和技术分

1.常规能源:如煤炭、石油、天然气、风能等

2.新能源:如地热能、太阳能、核能等

按污染程度分

分清洁能源和非清洁能源

按性质分

含能提能源、过程性能源

能源的利用与社会的发展

能源消费弹性系数（越小越好）：

能源与环境

主要污染

温室效应与热污染；酸雨、臭氧层的破坏、放射性污染、烟尘等

我国的能源事业

（一）储量丰富，种类齐全；（二）多种能源结构；

热能的合理利用

定义

能源的开发和利用就是热能的开发和利用。

形式

直接利用：是指直接用热能加热物体，热能的形式不发生变化。间接利用：是指把热能转换为机械能，以满足人类生产生活对动力的需要

热工基础的研究对象、内容和方法

研究对象

热工基础是研究热能利用的基本原理和规律，以提高热能利用经济性（节能）为主要目的的一门学科。

主要内容

（一）热能间接利用：热力学基本定律、工质的热力性质和热力过程等理论基础。

（二）热能直接利用：三种基本传热方式（热传导、对流换热和辐射换热）基本规律的研究。

（三）对实际工程中的工程热力过程、热力循环、装置和换热设备进行分析研究。

研究方法

热工基础所涉及的两大学科都是采用宏观和唯象的方法进行研究的。

热力学第一定律

热力学第一定律及其实质

热力学第一定律：（1）热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。（2）热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，在它们的传递和相互转换过程中，总量保持不变。

实质：能量守恒和转换定律

热力学能和总储存能

热力学第一定律的一般表达式

公式：进入系统的能量-流出系统的能量=系统能量的增量

闭口系的能量方程——热力学第一定律的基本表达式

稳定流动系统的能量方程

稳定流动系统

稳定流动系统是指热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。

实现条件： (1)进出系统的工质流量相等且不随时间而变； (2)系统进出口工质的状态不随时间而变； (3)系统与外界交换的功和热量等所有能量不随时间而变。

流动功

热能转换的基本概念和基本定律

热力系统、状态及状态参数

热力系统与工质

热力系统

定义：人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。热力系以外的物体称为外界；热力系与外界的交界处称为边界。

分类

按物质交换

闭口系：与外界无物质交换的系统控制质量系统 CM

开口系：与外界有物质交换的系统控制容积系统CV

按热力系与外界的能量交换情况

简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可逆体积变化功的交换。

孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。

绝热系：与外界无热量交换的系统

热源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度变化的热力系统。

工质

定义

用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。

分类

理想气体

实际气体

蒸汽

平衡状态

热力状态

热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。(简称状态)

定义

没有外界影响（重力场除外）的条件下，热力系统的宏观性质（状态参数）不随时间变化的状态。

实现条件

Δp=0 ΔT=0 (Δμ=0)。

热力状态参数，基本状态参数

热力状态参数

状态参数：描述工质热力状态的宏观物理量。

常用状态参数：温度、压力、比体积、焓、熵、热力学能

分类

按是否直接测量

基本状态参数：可以直接或易测的状态参数。如p、v 和T

非基本状态参数：不能直接或易测的状态参数。如H、s、u 等

按与所含工质的量有关否

强度参数：与物质的量无关的参数，如压力p、温度t

广延参数”与物质的量有关的参数-可加性

基本状态参数

1、比体积：比体积就是单位质量的工质所占的体积。

2、压力：压力即物理学中的压强，单位是Pa。

3、温度：俗称是物体冷热程度的标志。

热力学第零定律 :如果两物体和第三个物体处于热平衡，则这两个物体之间必然处于热平衡。

热力过程、功量及热量

热力过程

定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。

（一）准平衡(准静态)过程

（二）可逆过程

可逆过程的功量和热量

体积变化功

热量

热力循环

工质从某一初态出发经历一系列热力状态变化后又回到原来初态的热力过程．即封闭的热力过程,简称循环。

分类

按性质

可逆循环:全部由可逆过程构成。

不可逆循环:只要存在不可逆过程。

按目的

正循环将热能转变为机械能的循环

逆循环是消耗外界提供的工量，将热量从低温热源传递到高温热源的循环

热力学第二定律

热力过程的方向性

常见自发过程与非自发过程

摩擦过程：功可以自发转变为热，但热不能自发转变为功

传热过程：热量只能自发地从高温物体传向低温物体，其逆过程是非自发的

自由膨胀过程：绝热自由膨胀为无阻膨胀，可自发进行，但其逆过程却不能自发进行。混合过程：两种气体间的混合是常见的自发过程，其逆过程是非自发的。

燃烧过程：燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等),只要达到燃烧条件即可自发进行，但其逆过程是非自发的

热力学第二定律的表述

克劳修斯：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。

开尔文：不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。

卡诺循环和卡诺定理

卡诺循环的组成

由两个定温和两个绝热可逆过程组成

卡诺循环热效率

卡诺定理

定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的所有可逆热机，具有相同的热效率，而与可逆循环的种类无关且，与工质的性质无关。

定理2：在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。

状态参数熵

克劳修斯不等式和不可逆过程的熵变

克劳修斯积分不等式

=0时：过程为可逆循环

＜0时：过程为不可逆循环

＞0时：过程为不可能循环

不可逆过程的熵变

熵增原理

使用前提为：“孤立体系”

原理：孤立系统的熵可以增大或保持不变

能量的品质与能量贬值原理

能量的品质：以转变为有用功的能力为判据

能量贬值原理：在孤立系统的能量传递与转换过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，极限条件下保持不变

理想气体的热力性质和热力过程

理想气体及其状态方程

理想气体定义：忽略气体分子间相互作用力和分子本身体积影响,把气体看做是仅具有质量的弹性质点。假定：(1) 气体分子是不占体积的质点； (2) 气体分子间没有任何作用力。

理想气体状态方程

理想气体的比热容

比定容热容：在定容情况下，1kg气体温度升高1K所吸收的热量（用cv表示）

必定压热容：在定压情况下，1kg气体温度升高1K所吸收的热量（用cp表示）

理想气体的比热力学性能、比焓和比熵

理想气体的混合物

理想气体的基本热力过程

理想气体的多变过程

蒸汽的热力性质和热力过程

定压下水蒸气的发生过程

蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。

沸腾——在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。

蒸气热力性质图标

蒸气的热力过程

湿空气

湿空气的状态参数

湿空气：含有水蒸气的空气；干空气：完全不含水蒸气的空气。（湿空气=干空气+水蒸气）

空气达成饱和的途径

温度不变，增大水蒸气分压力

水蒸气分压力不变，温度下降

露点温度

相对湿度：空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比

含湿量：指在湿空气中，1kg 干空气所带有的水蒸气的质量

热量传递的三种基本方式

热传导

定义：温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。

特点

1、必须有温差且物体直接接触； 2、依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量； 3、物体的固有本质（只要存在温差，在固体、液体、气体、等离子体中均会发生导热现象）。

热对流

定义：流体中（气体或液体），温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递现象叫热对流，简称对流

特点

必须有流体的宏观运动，同时必须存在温差；

必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流；

只能发生在流体中；

由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。

热辐射

定义：物体会因为各种原因发出辐射能。其中因热的原因而发出辐射能的现象为热辐射。

特点

依靠电磁波传递能量。

不需要任何介质，真空可以传递能量。

温度高于0K,都有发射辐射粒子的能力。

物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。

复合传热与传热过程

对流与辐射同时存在的传热过程称为复合传热。

导热的基本定律及稳态导热

导热基本定律

温度场、等温面和温度梯度

等温线（面）的特点：

1）物体中的任一条等温线要么形成封闭的曲线，要么终止在物体的表面上； 2）任何两条等温线不相交； 3 ）沿等温线（面）无热量传递； 4）当等温线图上每两条相邻等温线间的温度间隔相等时，等温线疏密可直观反映出不同区域导热热流密度的相对大小。

傅里叶定律-导热基本定律

通过平壁、圆筒壁、肋片的导热（一维稳态导热）

对流传热

概念

是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。

特点

导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；

必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也必须有温差。

热对流：流体中温度不同的各部分间发生宏观的相对位移时所引起的热量传递现象。

热辐射传热

概念

由于热的原因而产生的电磁波辐射，这种辐射称为热辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子热运动状态改变时激发出来的。只要温度高于绝对零度，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。（辐射传热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。）

特点

伴随着热能和辐射能的相互转化

不依赖中间媒介

热量传递是双向的

温度为0K以上就能发射热辐射

温度越高热辐射能力越强

黑体、白体和灰体

黑体是一种理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射和透射。在热辐射研究中，黑体的吸收比等于 1，这意味着它能吸收所有照射到它表面的各种波长的辐射能。

白体是指能将外来的全部辐射能量以漫反射的形式反射出去的物体，其反射率等于 1。也就是说，对于各种波长的入射辐射，白体都能将其均匀地反射，没有吸收和透射。

灰体是介于黑体和白体之间的一种物体。它对不同波长的辐射能有一个相同的吸收率（小于 1），并且它的光谱发射率与波长无关，也等于这个吸收率。也就是说，灰体的辐射和吸收特性不随波长而变化，这是与黑体和白体不同的重要特点。

热源思维导图模板大纲

温度高低

高温热源

低温热源

温度变化

恒温热源

变温热源

导热系数思维导图模板大纲

与物质的种类有关

与物理结构和状态有关

与温度、含水率及疏松物质的密度有关

第1章化工设计基本知识思维导图

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Linux 网络基础知识思维导图

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高校与高等教育

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