熱工與流體力學基礎(第二版)（簡體書）

本書是將工程熱力學、流體力學和傳熱學的經典內容及最新成果以能量轉換和傳遞為主線，優化組合而成，是一門課程改革綜合化教材。
全書共分三篇：第一篇為工程熱力學，包括熱力學的基本概念、熱力學第一定律、熱力學第二定律、理想氣體的熱力性質和熱力過程、水蒸氣和蒸汽動力迴圈、混合氣體和濕空氣、氣體和蒸汽的流動；第二篇為流體力學，包括流體性質和流體靜力學基礎、一元流體動力學基礎、流動阻力和能量損失、管路計算；第三篇為傳熱學，包括穩態導熱、對流換熱、輻射換熱、傳熱與換熱器。
本書可供高職高專能源動力類、機電設備類和建築設備類等專業使用，也可供相關專業的工程技術人員參考。

作為高等教育的重要組成部分，高等職業技術教育旨在培養在管理、服務、生產第一線工作的高素質勞動者和技術技能人才，其顯著特徵是具有應用多種知識和技能解決現場實際問題的能力，即技術應用能力。為實現這一宏觀培養目標，專業課程設置需要做出相應的調整，課程內容的優化、組合和重構也勢在必行。
打破傳統課程結構的封閉性，進行課程門類相對集中的綜合化是目前高職教學改革的重要手段之一。通過綜合，減少了課程間的不必要重複，避免了知識的相互割裂和脫節，突出了專業能力的培養，促進了理論與實踐、基礎與專業之間的緊密結合，有利於學生綜合能力的培養，有助於今後發展他們的潛能。
工程熱力學、流體力學、傳熱學是熱工三大基礎課程，內容十分豐富，是物理學中熱學和力學部分在工程領域的延伸、擴展和細化。但其核心部分，也是高職高專能源動力類專業選擇的部分，是能量轉換與傳遞的理論和工程應用的三個分支。工程熱力學主要研究熱能與機械能相互轉換的規律、方法及提高轉化率的途徑，比較集中地表現為能量方程。該方程反映轉換中總能量的守恆關係。流體力學研究流體的平衡和運動規律，並據此計算工程中所需流體壓力和速度。其主要理論依據為穩定流動能量方程，該方程展示流動過程中上下游截面間的機械能守恆規律。傳熱學則集中地研究熱量傳遞的規律、方法及其工程應用，以計算溫度、熱流密度等參數。上述內容因能量轉換和傳遞這條主線而在知識能力方面產生緊密的聯繫，由此可以綜合為一門課——“熱工與流體力學基礎”。
近幾年，許多高職高專院校的製冷與空調技術、供熱通風與空調工程技術、電廠熱能動力裝置等專業在分析人才知識、能力和素質結構，構建教學內容和課程體係時，將工程熱力學、流體力學、傳熱學整合為“熱工與流體力學基礎”一門課程。
本書是將工程熱力學、流體力學和傳熱學的經典內容及最新成果，按照知識、能力、素質的內在聯繫和人們的認識規律，按照教學的科學性、自然適應性、可接受性和循序漸進性等教育教學規律優化組合而成。
在編寫方面，本書力求注意以下幾點：
①內容以必需、夠用，同時兼顧學生終生髮展和職業崗位遷移能力的培養為原則，舉例盡量與工程實際相結合，文字表達上力求簡單易懂；
②簡化甚至捨去一些數學要求高的公式推導過程，強調從物理概念入手，加深對基本定理的理解和應用，突出工程計算技能的訓練；
③突出基本理論、基本概念和基本方法，側重於基礎知識、基本理論在實際應用中的分析討論，注意培養和啟發學生解決問題的思路、方法及能力；
④每章之前有學習導引，每章之後有習題，以使學習者對各部分內容的脈絡有一個清晰的了解，同時也有利於學生的自主學習。
本書適用學時為70～90，少學時的教學內容可根據需要刪去部分內容。本書供高職高專能源動力類、機電設備類和建築設備類等專業使用，也可供相關專業的工程技術人員參考。
本書的教學資源包括：用於多媒體教學的PPT課件及習題答案，將免費提供給採用本書作為教材的院校使用。如有需要，請發電子郵件或登錄出版社網站免費下載。
本書由魏龍任主編，劉星任副主編。各章的編寫分工為：魏龍編寫緒論、第一章、第二章、第三章、第四章、第八章；李冬梅編寫第五章、第七章；馮飛編寫第六章、第十三章；劉星編寫第九章、第十章、第十一章；李俊仙編寫第十二章、第十四章、第十五章。
隋繼學教授在百忙中抽出時間，主審了本書，並為全書的修改提出了不少寶貴意見；杜存臣、滕文銳、鄭光文、杜娟麗、申小中參加了審稿。本書在編寫過程中，還得到了孫見君、李曉東、常新中、張國東、蔣李斌、黃建、房桂芳等的大力幫助，在此一併表示感謝。
限於編者的水平，書中不妥之處懇請廣大讀者批評指正。

編者
2017年1月

主要符號1
緒論3
一、能源概述3
二、本課程的研究對象及主要內容6
三、學習本課程的幾點要求7
第一篇工程熱力學
第一章熱力學基本概念10
學習導引10
第一節工質和熱力系10
一、工質10
二、熱力系、外界與邊界11
三、熱力系的分類11
第二節工質的熱力狀態和基本狀態參數12
一、熱力狀態和狀態參數12
二、基本狀態參數12
第三節平衡狀態和熱力過程15
一、平衡狀態、狀態方程式及狀態參數坐標圖15
二、熱力過程16
習題17
第二章熱力學第一定律18
學習導引18
第一節熱力系統儲存能19
一、熱力學能19
二、外部儲存能19
三、熱力系統的總儲存能19
第二節熱力係與外界傳遞的能量20
一、熱量20
二、功量20
三、隨工質流動傳遞的能量22
四、焓及其物理意義23
第三節熱力學第一定律23
一、熱力學第一定律的實質23
二、封閉熱力系的能量方程24
三、開口熱力系的穩定流動能量方程25
四、技術功26
五、穩定流動能量方程的應用27
習題29
第三章理想氣體的熱力性質和熱力過程31
學習導引31
第一節理想氣體及狀態方程32
一、理想氣體與實際氣體32
二、理想氣體狀態方程32
第二節理想氣體的比熱容及熱量計算33
一、比熱容的定義和單位33
二、影響比熱容的主要因素34
三、利用比熱容計算熱量35
第三節理想氣體熱力學能和焓變化量的計算37
一、理想氣體熱力學能變化量的計算37
二、理想氣體焓變化量的計算38
第四節理想氣體的熱力過程39
一、基本熱力過程39
二、多變過程44
習題46
第四章熱力學第二定律48
學習導引48
第一節熱力循環48
一、正向循環和熱效率49
二、逆向循環和工作係數49
第二節熱力學第二定律50
一、過程的方向性與不可逆性50
二、熱力學第二定律的實質和表述50
第三節卡諾循環與卡諾定律52
一、卡諾循環及熱效率52
二、逆卡諾循環53
三、卡諾定律53
第四節熵與熵增原理54
一、熵的基本概念54
二、熵增原理55
習題56
第五章水蒸氣和蒸汽動力循環58
學習導引58
第一節水蒸氣的定壓發生過程58
一、基本概念59
二、水蒸氣定壓發生過程的三個階段和五種狀態60
三、水蒸氣定壓發生過程在p-v圖與T-s圖上的表示61
第二節水蒸氣表和圖62
一、零點的規定63
二、水和水蒸氣表63
三、水蒸氣的焓熵圖64
四、水蒸氣的基本熱力過程65
第三節蒸汽動力循環68
一、朗肯循環及熱效率68
二、蒸汽參數對朗肯循環熱效率的影響69
三、提高蒸汽動力循環熱效率的其他途徑70
習題73
第六章混合氣體和濕空氣75
學習導引75
第一節混合氣體75
一、混合氣體的分壓力和分體積75
二、混合氣體的成分錶示方法與換算76
三、混合氣體的折合摩爾質量和折合氣體常數77
四、分壓力的確定78
五、混合氣體的比熱容78
第二節濕空氣79
一、濕空氣的總壓力和分壓力79
二、濕空氣的濕度80
三、濕空氣的溫度82
四、濕空氣的焓83
五、濕空氣的焓濕圖84
習題87
第七章氣體和蒸汽的流動89
學習導引89
第一節絕熱穩定流動基本方程90
一、絕熱穩定流動90
二、絕熱穩定流動基本方程90
三、聲速和馬赫數91
第二節氣體和蒸汽在噴管和擴壓管中的定熵流動91
一、流速變化與壓力變化的關係91
二、管道截面變化的規律92
第三節噴管中流速及流量的計算92
一、噴管出口流速的計算92
二、臨界壓力比與臨界流速93
三、噴管流量的計算95
四、噴管內有摩阻的絕熱流動97
第四節絕熱節流97
習題99
第二篇流體力學
第八章流體性質和流體靜力學基礎102
學習導引102
第一節流體的主要力學性質102
一、流體及其基本特性102
二、流體連續性假定103
三、流體的主要力學性質103
四、作用於流體上的力107
第二節流體靜力學基礎108
一、流體靜壓力及其特性108
二、流體靜力學基本方程108
三、流體靜力學基本方程式的應用110
習題115
第九章一元流體動力學基礎119
學習導引119
第一節流體流動的基本概念119
一、流量和流速119
二、穩定流動與非穩定流動121
三、三元、二元、一元流動121
第二節穩定流動的物料衡算——連續性方程121
一、穩定流動連續性方程的基本形式121
二、有分流和合流時的連續性方程122
第三節穩定流動的能量衡算——伯努利方程124
一、理想流體穩定流動時的機械能衡算124
二、實際流體穩定流動時的機械能衡算126
三、伯努利方程的討論126
四、伯努利方程的應用127
習題131
第十章流動阻力和能量損失134
學習導引134
第一節沿程損失和局部損失135
一、沿程阻力與沿程損失135
二、局部阻力與局部損失135
三、能量損失的計算公式135
第二節流體的兩種流態136
一、雷諾實驗和流態136
二、流態的判斷依據137
第三節圓形管內的速度分佈和邊界層概念138
一、流體在圓形管內的速度分佈138
二、邊界層的概念140
第四節流體在管內流動阻力損失的計算141
一、沿程損失計算141
二、局部損失計算147
三、減少流動阻力的措施150
習題151
第十一章管路計算154
學習導引154
第一節簡單管路計算154
一、基本概念154
二、簡單管路計算的基本公式156
三、簡單管路計算示例157
第二節串聯與並聯管路計算159
一、串聯管路159
二、並聯管路161
第三節管網計算基礎162
一、枝狀管網162
二、環狀管網164
習題165
第三篇傳熱學
第十二章穩態導熱170
學習導引170
第一節導熱的基本定律170
一、基本概念170
二、導熱基本定律172
三、熱導率172
第二節平壁的穩態導熱174
一、單層平壁的穩態導熱174
二、多層平壁的穩態導熱175
第三節圓筒壁的穩態導熱177
一、單層圓筒壁的穩態導熱177
二、多層圓筒壁的穩態導熱178
三、圓筒壁穩態導熱的簡化計算179
習題181
第十三章對流換熱183
學習導引183
第一節對流換熱概念及牛頓冷卻公式183
一、對流換熱的概念183
二、對流換熱過程分析184
三、牛頓冷卻公式185
四、影響表面傳熱係數的主要因素186
第二節流體無相變時的對流換熱計算187
一、表面傳熱係數的一般關聯式187
二、管內流體強制對流換熱計算188
三、管外流體強制對流換熱計算191
四、自然對流換熱計算193
第三節流體有相變時對流換熱197
一、凝結換熱197
二、沸騰換熱200
習題203
第十四章輻射換熱205
學習導引205
第一節熱輻射的基本概念和基本定律205
一、熱輻射的基本概念205
二、熱輻射的基本定律207
第二節固體壁面之間的輻射換熱209
一、角係數209
二、兩固體間的輻射換熱210
第三節氣體輻射212
一、氣體輻射和吸收的特點213
二、火焰輻射214
第四節太陽輻射214
習題216
第十五章傳熱與換熱器217
學習導引217
第一節傳熱過程及特點217
一、傳熱過程217
二、傳熱過程特點218
第二節熱負荷和傳熱基本方程218
一、熱負荷218
二、傳熱基本方程220
三、傳熱係數的計算221
第三節換熱器227
一、換熱器的基本結構與工作原理227
二、間壁式換熱器的主要類型228
三、換熱器的傳熱計算231
四、傳熱過程的強化和削弱236
習題237
附錄239
附表1常用氣體的平均比定壓熱容cpt0239
附表2常用氣體的平均比定容熱容cVt0240
附表3一些氣體的摩爾質量、氣體常數、低壓下的比熱容和摩爾熱容240
附表4飽和水與飽和水蒸氣的熱力性質（按溫度排列）241
附表5飽和水與飽和水蒸氣的熱力性質（按壓力排列）242
附表6未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質244
附表7在0.1MPa時的飽和空氣狀態參數248
附表8幹空氣的熱物理性質（p=1.01325×105Pa）249
附表9煙氣的熱物理性質(p=1.01325×105Pa)250
附表10飽和水的熱物理性質250
附表11幹飽和水蒸氣的熱物理性質251
附表12過熱水蒸氣的熱物理性質(p=1.01325×105Pa)251
附表13常用管件的局部阻力係數252
附表14常用金屬材料的密度、比熱容和熱導率253
附表15保溫、建築及其他材料的密度和熱導率253
附表16幾種保溫、耐火材料的熱導率與溫度的關係254
附表17常用材料表面的黑度值254
附圖1水蒸氣h-s圖256
附圖2濕空氣的h-d圖(大氣壓力為105Pa)257
參考文獻258

三、濕空氣的溫度
1.幹球溫度
幹球溫度可以直接由普通溫度計在空氣中測得，是指將溫度計的測溫頭（感溫部分）直接暴露於空氣中所測得的溫度，也稱為濕空氣的真實溫度，以符號t表示。
幹球溫度只能反映濕空氣的測量溫度，並不能反映出濕空氣中水蒸氣含量的多少和濕空氣是否還具有吸收水蒸氣的能力。
2.濕球溫度
如圖6—4所示為一千濕球溫度計。其中沒有包紗布的溫度計是乾球溫度計，它所測的是濕空氣的干球溫度t。另一支溫度計的感溫部分包有浸於水中的濕紗布，該溫度計稱為濕球溫度計。將濕球溫度計置於溫度和濕度均不變的空氣流中，且保持紗布的濕潤狀態，當達到穩定狀態時，溫度計指示的溫度稱為濕球溫度，以符號tw表示。
濕球溫度的測量原理如下：如果濕空氣是未飽和的，濕紗布中的水將向空氣中蒸發而吸收水的熱量使水溫降低，形成空氣與水之間的傳熱溫差，熱量將由空氣傳給濕紗布中的水，若水蒸發所需的熱量大於空氣向水傳遞的熱量時，則水溫繼續下降，直到紗布表面水蒸發所需的熱量正好等於空氣向水傳遞的熱量時，紗布中的水溫則不再下降，達到平衡，這個穩定的溫度就稱為濕球溫度。整個蒸發和傳熱過程可以近似看作是定焓過程。由此可以看出，濕球溫度的高低取決於濕空氣的溫度和濕度。當空氣的溫度一定時，濕度越大，測得的濕球溫度越接近空氣的干球溫度，當空氣中的水蒸氣達到飽和狀態時，測得的濕球溫度與乾球溫度相等。
為保證測量準確，空氣的流速不應低於5m／s。
……