热力学与传热学

工程热力学与传热学实验指导书热工实验2013年3月实验一 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一、实验目的1. 快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热。

掌握其测试原理和方法。

2. 掌握使用热电偶测量温差的方法。

二、实验原理图1 第二类边界条件无限大平板导热的物理模型本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。

设平板厚度为2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（见图1）。

求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t (x ，τ)。

导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：0),0( 0),( )0,( ),( ),( 022=∂∂=+∂∂=∂∂=∂∂xt q x t t x t x x t a x t cτλτδτττ方程的解为：⎢⎣⎡+--=-δδδτλτ63),( 220x a q t x t c ⎥⎦⎤-⎪⎭⎫ ⎝⎛-∑∞=+10221)( exp cos 2)1(n n n n n F x μδμμδ (1-1) 式中：τ — 时间；λ — 平板的导热系数；a — 平板的导温系数；n μ— πn ，n = 1，2，3，………； F 0 — 2δτa 傅里叶准则；0t — 初始温度； c q — 沿x 方向从端面向平面加热的恒定热流密度。

随着时间τ的延长，F 0数变大，式(1-1)中级数和项愈小，当F 0> 0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式(1-1)变成⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=-612),( 2220δδτλδτx a q t x t c (1-2) 由此可见，当F 0> 0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。

这种状态称为准稳态。

在准稳态时，平板中心面x =0处的温度为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-61),0( 20δτλδτa q t t 平板加热面x =δ处为：⎪⎭⎫⎝⎛+=-31),( 20δτλδτδa q t t c 此两面的温差为：λδττδc q t t t ⋅=-=∆21),0( ),( (1-3) 如已知c q 和δ，再测出t ∆，就可以由式(1-3)求出导热系数：tq c ∆=2δλ (1-4) 实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。

《热力学与传热学》课程综合复习资料一、判断题：1、理想气体吸热后，温度一定升高。

2、对于顺流换热器，冷流体的出口温度可以大于热流体的出口温度。

3、工程上常用的空气的导热系数随温度的升高而降低。

4、工质进行膨胀时必须对工质加热。

5、工质的熵增就意味着工质经历一个吸热过程。

6、已知湿蒸汽的压力和温度，就可以确定其状态。

7、同一温度场中两条等温线可以相交。

二、简答题:1、夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。

请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？2、有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。

为使稀饭凉的更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？3、一卡诺热机工作于500 ℃和200 ℃的两个恒温热源之间。

已知该卡诺热机每秒中从高温热源吸收100 kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。

4、辐射换热与对流换热、导热相比，有什么特点？hl的形式，二者有何区别？5、Nu数和Bi数均可写成λ三、计算题:1、将氧气压送到容积为2m3的储气罐内，初始时表压力为0.3bar，终态时表压力为3bar，温度由t1=45℃升高到t2=80℃。

试求压入的氧气质量。

当地大气压为P b=760mmHg，氧气R g=260J/(kg⋅K)。

2、2kg温度为25 ℃，压力为2 bar的空气经过一个可逆定压过程后，温度升为200 ℃。

已知空气的比定压热容c p=1.0 kJ/(kg⋅K)，比定容热容c V=0.71 kJ/(kg⋅K)。

试计算：(1)该过程的膨胀功；（2）过程热量。

3、流体受迫地流过一根内直径为25 mm的直长管，实验测得管内壁面温度为120℃，流体平均温度为60 ℃，流体与管壁间的对流换热系数为350 W/(m2⋅K)。

试计算单位管长上流体与管壁间的换热量。

4、在一根外直径为120mm的蒸汽管道外包一厚度为25mm的石棉保温层，保温层的导热系数为0.10 W/(m⋅K)。

工程热力学第一章工质——实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

热力学系统——简称系统、体系，人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。

闭口系统——与外界只有能量交换而无物质交换的热力系统，闭口系统又叫做控制质量。

开口系统——与外界不仅有能量交换而且有物质交换的热力系统，开口系又叫做控制容积，或控制体。

区分闭口系和开口系的关键是有没有质量越过了边界，并不是系统的质量是不是发生了变化。

绝热系统——与外界无热量交换的热力系统。

绝热系是从系统与外界的热交换的角度考察系统，不论系统是开口系还是闭口系，只要没有热量越过边界，就是绝热系。

简单可压缩系——由可压缩流体构成，与外界可逆功交换只有体积变化功（膨胀功）一种形式，没有化学反应的有限物质系统。

对于简单可压缩系，只要有两个独立的状态参数即可确定一个平衡状态，所有其它状态参数均可表示为这两个独立状态参数的函数。

准平衡过程——又称准静态过程，不致显著偏离平衡状态，并迅速恢复平衡的过程。

准平衡过程进行的条件是破坏平衡的势无穷小，过程进行足够缓慢，工质本身具有恢复平衡的能力。

准平衡过程在坐标图中可用连续曲线表示。

可逆过程——工质能沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界回复到原来状态，而不留下任何改变的过程。

过程不可逆的成因一是有限势差的作用，二是物系本身的耗散作用，所以可逆过程，首先应是准平衡过程，同时在过程中没有任何耗散效应。

实际热力设备中所进行的一切热力过程都是不可逆的，可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。

可逆过程可用状态参数图上连续实线表示。

膨胀功——又称“体积功”。

机械功的一种。

由系统体积变化而由系统对环境所做的功或环境对系统所做的功。

第二章热力学能——原称内能，由分子或其他微观粒子的热运动及相互作用力形成的内动能、内位能及维持一定分子结构的化学能和原子核内部的原子能以及电磁场作用下的电磁能等一起构成的内部储存能。

一、基本要求严格遵守考试纪律，绝不做任何有作弊嫌疑的动作。

二、考试需要携带的物品相关身份证件、笔、计算器三、复习要点（一）基本概念（红色粗体部分是热力学与传热学最基本的概念，要求掌握其定义、物理意义、表达式、单位）第一章基本概念工质：热能与机械能之间转换的媒介物质。

热源：热容量很大、并且在吸收或放出有限热量时自身温度及其他的热力学参数无明显变化的物体。

热力系统:人为选取的研究对象（空间或工质）。

外界（环境）：系统以外的所有物质。

闭口系统：与外界无物质交换的系统。

开口系统：与外界有物质交换的系统。

绝热系统：与外界无热量交换的系统。

孤立系统：与外界既无热量交换又无物质交换的系统。

平衡状态：在不受外界影响（重力场作用除外）的条件下，工质或系统的状态参数不随时间而变化的状态。

热力状态：工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。

状态参数：压力、温度、比体积、热力学能、焓、熵等。

基本状态参数：压力、温度、比体积压力（Pa ，mmH 2O ，mmHg ，atm, at 换算）：1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa1 psi=0.006895MPa温度：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量。

（标志冷热程度的物理量） 比体积：单位质量的工质所占有的体积。

密度：单位体积工质的质量。

ρν=1。

状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N =n +1 状态方程式：Ϝ(p ，ν，T)=0。

独立参数数目N =不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量= n +1准平衡过程：系统所经历的每一个状态都无限接近平衡态的过程。

可逆过程：系统经历某一过程后，如果再沿着原路径逆行而回到初始状态，外界也随之恢复到原来的状态，而不留下任何变化。

2022年805热力学与传热学考试大纲参考书目：[1] 沈维道，童钧耕，《工程热力学》（第五版），北京：高等教育出版社，2016[2] 陶文铨，《传热学》（第五版），北京：高等教育出版社，2019考试形式和试卷结构一、试卷满分及考试时间试卷满分为150分（热力学占50%，传热学占50%），考试时间为180分钟．二、试卷内容结构基础概念、简述与辨析、计算分析三、试卷题型结构题型：（1）填空题约占总分的35%（2）简答或论述题约占总分的20%（3）计算题约占总分的45%考试内容及要求一、热力学部分1. 基本概念考试内容热能和机械能相互转换的过程；热力系统；状态及状态参数；平衡状态、状态方程式及坐标图；工质的状态变化过程；过程功和热量；热力循环。

考试要求掌握热力学基本术语和概念、状态参数的特征及基本状态参数的定义和单位、热量和功量的特征及计算。

2. 热力学第一定律考试内容热力学第一定律的实质；热力学能和焓；热力学第一定律基本能量方程；开口系能量方程式；能量方程式应用。

考试要求理解热力学第一定律的实质，熟练掌握第一定律方程式及其应用，掌握能量、功量的概念及计算。

3. 气体和蒸汽的性质考试内容理想气体的概念；理想气体的比热容；理想气体的热力学能、焓及熵；水蒸气的饱和状态和相图；水的汽化过程和临界点；水和水蒸气的状态参数及热力性质图表。

考试要求熟练掌握理想气体状态方程式、比热容及状态参数的计算，掌握蒸汽的相关术语、水定压加热汽化过程特点及状态参数的确定（图和表）。

4. 气体和蒸汽的基本热力过程考试内容理想气体的可逆多变过程；定容过程、定压过程和定温过程；绝热过程；理想气体热力过程综合分析；水蒸气的基本过程。

考试要求掌握理想气体基本热力过程及多变过程状态参数、功量和热量的计算，掌握蒸汽基本过程功量和热量的计算。

5. 热力学第二定律考试内容热力学第二定律概述；卡诺循环和多热源可逆循环；卡诺定理；熵、热力学第二定律数学表达式；熵方程；孤立系统熵增原理；火用概念及计算；能量贬值原理。

工程热力学与传热学概念整理工程热力学第一章、基本概念1.热力系：根据研究问题的需要，人为地选取一定范围内的物质作为研究对象，称为热力系（统），建成系统。

热力系以外的物质称为外界；热力系与外界的交界面称为边界。

2.闭口系：热力系与外界无物质交换的系统。

开口系：热力系与外界有物质交换的系统。

绝热系：热力系与外界无热量交换的系统。

孤立系：热力系与外界无任何物质和能量交换的系统3.工质：用来实现能量像话转换的媒介称为工质。

4.状态：热力系在某一瞬间所呈现的物理状况成为系统的状态，状态可以分为平衡态和非平衡态两种。

5.平衡状态：在没有外界作用的情况下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。

实现平衡态的充要条件：系统内部与外界之间的各种不平衡势差（力差、温差、化学势差）的消失。

6.强度参数：与系统所含工质的数量无关的状态参数。

广延参数：与系统所含工质的数量有关的状态参数。

比参数：单位质量的广延参数具有的强度参数的性质。

基本状态参数：可以用仪器直接测量的参数。

7.压力：单位面积上所承受的垂直作用力。

对于气体，实际上是气体分子运动撞击壁面，在单位面积上所呈现的平均作用力。

8.温度T：温度T是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的参数。

换言之，温度是热力平衡的唯一判据。

9.热力学温标：是建立在热力学第二定律的基础上而不完全依赖测温物质性质的温标。

它采用开尔文作为度量温度的单位，规定水的汽、液、固三相平衡共存的状态点（三相点）为基准点，并规定此点的温度为273.16K。

10状态参数坐标图：对于只有两个独立参数的坐标系，可以任选两个参数组成二维平面坐标图来描述被确定的平衡状态，这种坐标图称为状态参数坐标图。

11.热力过程：热力系从一个状态参数向另一个状态参数变化时所经历的全部状态的总和。

12.热力循环：工质由某一初态出发，经历一系列状态变化后，又回到原来初始的封闭热力循环过程称为热力循环，简称循环。

13.准平衡过程：由一系列连续的平衡状态组成的过程称为准平衡过程，也成准静态过程。

工程热力学与传热学课程设计课程概述工程热力学与传热学是机械工程专业的一门重要课程。

它主要研究热力学基本原理和热力学系统的性质，以及物质内部的热传递、质量传递和动量传递规律。

通过本门课程的学习，学生能够建立并熟练运用热力学和传热学基础理论来解决实际工程问题。

本课程设计旨在帮助学生加深对热力学和传热学的理解，通过实际案例进行分析和解决问题，提高学生的实际操作能力。

设计内容本课程设计分为两个部分：热力学实验和传热学实验。

热力学实验热力学实验是通过实验装置和仪器，测试和分析热力学基础理论在实际中的应用。

本次实验的目的是测量和分析水在不同温度下的物理性质。

实验装置及仪器实验装置主要包括：恒温水浴、测量热电偶、温度计、电源等。

其中恒温水浴用于控制水的温度，测量热电偶和温度计用于测试不同温度下水的物理性质。

实验步骤和数据处理1.准备恒温水浴，测量恒温水浴的温度，保证水浴温度的稳定。

2.准备好测量热电偶和温度计，并将其插入水中进行温度测量。

3.测量并记录不同温度下水的密度、比热容和导热系数。

4.对实验数据进行处理，绘制出水密度、比热容和导热系数与温度的函数关系图。

传热学实验传热学实验是通过实验装置和仪器，测试和分析传热学基础理论在实际中的应用。

本次实验的目的是测量和分析水在不同情况下的传热特性。

实验装置及仪器实验装置主要包括：恒温水浴、传热仪、温度计、电源等。

其中恒温水浴用于使水达到稳定温度，传热仪用于测试传热系数。

实验步骤和数据处理1.准备恒温水浴，将传热仪放入恒温水浴中。

2.调整水浴温度及传热仪温度，使水和传热仪达到稳定温度。

3.测量并记录不同温度差下的传热系数。

4.对实验数据进行处理，绘制出传热系数与温度差的函数关系图。

结束语本次课程设计通过实验测试的方式，增加了学生对工程热力学与传热学的实际操作能力和深入理解。

希望学生们通过本次实验，加深对热力学基础理论的理解，提高科学实验的操作和数据处理能力，增强对传热学应用的理解和创新能力。

传热学和热力学
传热学（Heat Transfer）是研究热量从一个物体传递到另一个
物体的科学，它主要研究热传导、对流和辐射三种传热机制。

传热学研究的主要内容包括热传导介质内部的热量传递、流体中的热量传递、辐射热传递以及这三种传热方式的组合。

传热学可以应用于各种工程领域，如能源系统、飞行器设计和制造、化工过程等。

热力学（Thermodynamics）是研究能量转化与传递的学科，它与物质的宏观性质和宏观运动有关。

热力学的研究对象包括热力学系统、热力学过程和热力学性质。

热力学基本定律是热力学的核心内容，包括能量守恒定律、热力学第一定律和热力学第二定律。

热力学可以应用于工程领域、物质转化过程、热动力系统等，为能源利用、工艺设计和热力设备提供基础理论和分析方法。