严家騄版工程热力学绪论ppt课件

1、工程热力学绪论2022-3-71.工程热力学Engineering ThermodynamicsPatrick Young）北教3210College of Aeronautical EngineeringCivil Aviation University of China工程热力学绪论2022-3-72.课程介绍 总学时72，课堂讲授62实验学时10 学分 4,平时15实验15考试70 星期一交作业 前续课程：大学物理，高等数学 后续课程：航空发动机原理；气体动力学 Textbook：1、工程热力学严家录等编；高教出版社 2、传热学-理论基础及工程应用曹红奋编；人民交通出版社Online l

2、earning: 工程热力学绪论2022-3-73.Preface Thermodynamics can be defined as the science of energyheatThermedynamispower(Greek words)热能热能 Thermal Energy工程热力学绪论2022-3-74.绪绪 论论工程热力学工程热力学 是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及 热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律 的科学的科学工程热力学绪论2022-3-75.能源转换利用的关系能源转换利用的关系热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水能能化化学学能

3、能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源( (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光电转换光电转换燃料电池燃料电池光热光热聚变聚变裂变裂变燃烧燃烧水车水车水轮机水轮机风车风车热机热机电动机电动机发电机发电机90%转转换换直接利用直接利用供暖供暖工程热力学绪论2022-3-76.工程热力学与节能工程热力学与节能工程热力学工程热力学 是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及 热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律转换规律 的科学的科学建立节能的理论基础建立节能的理论基础工程热力学绪论2022-3-77.能源能源energy sources的资源的资源2000.12.30

4、世界能源报道世界能源报道 我国我国探明可开采储量探明可开采储量32.74亿吨亿吨 可开采可开采1520年年石油石油 Petroleum世界世界40-50年年工程热力学绪论2022-3-78.能源的资源能源的资源2000.12.30世界能源报道世界能源报道 我国我国探明可开采储量探明可开采储量1170411704亿亿m m3 3 可开采可开采2858年年 天然气天然气 Natural Gas世界世界60年年工程热力学绪论2022-3-79.能源的资源能源的资源2000.12.30世界能源报道世界能源报道 我国我国探明可开采储量探明可开采储量1145亿吨亿吨 可开采可开采5481年年 煤煤炭炭 C

5、oal世界世界220年年能源短缺能源短缺工程热力学绪论2022-3-710.能源消费水平能源消费水平 日、德、日、德、俄俄等等 5 6吨标煤吨标煤/ 人人年年 美国美国11吨标煤吨标煤/ 人人年年我国规划：我国规划：2030 2050 年年 2.5 3吨标煤吨标煤/ 人人年年 我国我国 1吨标煤吨标煤/ 人人年年工程热力学绪论2022-3-711.发电为例发电为例我国电力我国电力 2 亿亿 5 千万千瓦千万千瓦 中等发达国家中等发达国家 1 kW/人人 发达国家发达国家 6 kW/ 人人2050 年年 1 kW/人人 15 亿千瓦亿千瓦 我国我国 0.2 kW/ 人人工程热力学绪论2022-3

6、-712.电的来源电的来源 煤煤： 9 亿亿 kW 2050 年年 1 kW/人人 15 亿千瓦亿千瓦 水能水能： 3 亿亿 7 千千 6 百百 kW 核能核能： 2 亿亿 kW 风能、太阳能风能、太阳能： 1 亿亿 kW工程热力学绪论2022-3-713.Energy and Environment SO2、 粉尘、粉尘、 CO2 （酸雨）（酸雨） （温室效应）（温室效应）acid rainGreenhouse effect燃煤：燃煤：车辆：车辆： NOx、 HC 、 COO3雾雾SmogSUN缺氧缺氧工程热力学绪论2022-3-714.全球温室气体排放及运输业温室气体排放比例 民航温室气体

7、排放占2%；IPCC预计到2050年会占到3%工程热力学绪论2022-3-715.中国平均供电耗煤量的变化中国平均供电耗煤量的变化工程热力学绪论2022-3-716.中国与日本工业能耗比较中国与日本工业能耗比较00.511.522.533.5吨吨煤煤 /吨吨钢钢吨吨煤煤 /吨吨合合成成氨氨总总利利用用率率中中国国日日本本工程热力学绪论2022-3-717. 节节 能能 Energy Saving节能是近年来的基本国策节能是近年来的基本国策“开发和节约并重开发和节约并重”节能任重道远节能任重道远是我们的责任是我们的责任工程热力学绪论2022-3-718. 热力学的分类热力学的分类工程热力学工程热

8、力学：热能与机械能：热能与机械能物理热力学物理热力学化学热力学化学热力学生物热力学生物热力学溶液热力学溶液热力学热热力力学学工程热力学绪论2022-3-719. 热热 机机 种种 类类 发电（火力、核能）发电（火力、核能） 40% 车辆发动机（内燃机）车辆发动机（内燃机） 2535% 轮船发动机轮船发动机 2535% 航空发动机航空发动机 2030% 制冷空调制冷空调(非热机，同理）非热机，同理） 200% 能量利用率能量利用率heat engineEnergy efficiency工程热力学绪论2022-3-720.火力发电装置基本特点火力发电装置基本特点锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机

9、给水泵给水泵 凝凝汽汽器器过热器过热器 1、热源，冷源热源，冷源2、工质（水，蒸工质（水，蒸 汽）汽）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )工程热力学绪论2022-3-721.燃气装置基本特点燃气装置基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气） 3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气工程热力学绪论2022-3-722.内燃机内燃机装置装置空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气in

10、ternal combustion engine工程热力学绪论2022-3-723.内燃机内燃机装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（燃气）工质（燃气）3、膨胀做功膨胀做功4、循环循环 (加压、加热、加压、加热、 膨胀做功、放热膨胀做功、放热)工程热力学绪论2022-3-724.制冷空调制冷空调装置装置基本特点基本特点1、热源，冷源热源，冷源2、工质（制冷剂）工质（制冷剂）3、得到容积变化功得到容积变化功4、循环循环 (加压、放热、加压、放热、 膨胀、吸热膨胀、吸热)工程热力学绪论2022-3-725.热力热力装置装置共同基本特点共同基本特点 1、热源，冷源热源，冷源 he

11、at reservoir 2、工质工质 medium 3、容积变化功容积变化功 moving boundary work 4、循环循环 cycle工程热力学绪论2022-3-726.热机热机 高温热源高温热源 低温热源低温热源 Q1Q2W1WQ收 益代 价动力循环简图动力循环简图热效率热效率 Thermal efficiency工程热力学绪论2022-3-727.思思 考考 题题 ？2、为何要有两个热源，能否不要低、为何要有两个热源，能否不要低 温热源温热源, 不放热，不放热，W=Q是否可以是否可以 进行？进行？3、发电厂效率高的只有、发电厂效率高的只有40%左右，可否左右，可否 有途径提高，

12、最高效率是否有极有途径提高，最高效率是否有极 限？极限为多少？限？极限为多少？1、为什么永动机不能实现？、为什么永动机不能实现？ Perpetual motion machine4、热能和机械能通过什么介质转换、热能和机械能通过什么介质转换工程热力学绪论2022-3-728.工程热力学的研究内容工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础化学热力学基础工程热力学绪论2022-3-729.过程过程过程过程化学反应过程化学反应过程热力过程热力过程闭闭口口系系热热

13、力力过过程程开开口口系系热热力力过过程程循环循环制冷制冷热泵热泵内燃机内燃机外燃机外燃机柴柴油油汽汽油油燃气燃气轮机轮机空空气气压压缩缩蒸蒸气气压压缩缩吸吸收收热机热机蒸汽蒸汽动力动力工程热力学绪论2022-3-730.工质工质工质工质种类种类研究方法研究方法状态参数全状态参数全微分特征微分特征MaxwellMaxwell式式理想理想气体气体实际实际气体气体混混合合气气体体比热关系式比热关系式湿湿空空气气水水蒸蒸气气制制冷冷工工质质微分关系式微分关系式状态方程状态方程工程热力学绪论2022-3-731.1、宏观方法宏观方法：连续体连续体(continuum)，用宏观，用宏观物理量描述其状态，其

14、基本规律是无数经验物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结的总结 特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广 经典经典 （宏观宏观,平衡平衡）热力学热力学 classical (macroscopic, equilibrium) 工程热力学研究方法工程热力学研究方法工程热力学绪论2022-3-732.2、微观方法微观方法：从微观粒子的运动及相互作从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律用角度研究热现象及规律 特点：特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynam

15、ics工程热力学研究方法工程热力学研究方法工程热力学绪论2022-3-733.工程热力学工程热力学传热学传热学 Heat Transfer流体力学流体力学 Hydrodynamics燃烧学燃烧学 Combustion热物性学热物性学 Thermophysical property工程热力学所属学科工程热力学所属学科工工程程热热物物理理Engineering thermophysics工程热力学绪论2022-3-734.五个定律五个定律 能量转化及使用 热力学第一定律 热力学第二定律 热力性质 热力学 第零定律 热力学第三定律 状态公理工程热力学绪论2022-3-735.1、有几位科学家在热力学

16、作出了贡献，、有几位科学家在热力学作出了贡献， 获诺贝尔奖？获诺贝尔奖？小小 知知 识识2、中国哪位教授与美国教授合作提出、中国哪位教授与美国教授合作提出 的状态方程得到普遍认可？的状态方程得到普遍认可？3、Maxwell 妖是什么？妖是什么？4、“吉布斯佯谬吉布斯佯谬”又是什么？又是什么？工程热力学绪论2022-3-736.热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1）RTpv J.D.范范.德瓦尔斯德瓦尔斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷兰荷兰 气体和液体状态方程气体和液体状态方程:如果压强表示成临界如果压强表示成临界压强的单调函

17、数，体积表示成临界体积的单调函数，压强的单调函数，体积表示成临界体积的单调函数，温度表示成临界温度的单调函数，、就可得到适用温度表示成临界温度的单调函数，、就可得到适用于所有物质的物态方程的普遍形式于所有物质的物态方程的普遍形式. 1910年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖工程热力学绪论2022-3-737.热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2） M.普朗克普朗克 Max Planck (1858-1947) 德国德国 发现能量子（量子理论）发现能量子（量子理论）物质辐射（或物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行

18、的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是值就叫能量子，辐射频率是的能量的最小数值的能量的最小数值=h。其中。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数。现在叫做普朗克常数。 1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖工程热力学绪论2022-3-738.热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3） W.H.能斯脱能斯脱 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德国德国 热化学，熵基准热化学，熵基准:绝对零度不可达到绝对零度不可达到但可

19、以无限趋近但可以无限趋近 . 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零 1920年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖工程热力学绪论2022-3-739.热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4） L.昂萨格昂萨格 Lars Onsager (1903-1976) 美国美国 不可逆过程热力学理论不可逆过程热力学理论:在描述各种不可在描述各种不可逆过程的流（速率）和力（推动力）之间的线性唯象逆过程的流（速率）和力（推动力）之间的线性唯象关系中的唯象系数之间满足一种对称关系，这就是著关系中的唯象系数之间满足一种对称关系，这就是著名的昂萨格倒易关系。名的昂萨格倒易关系。 1968年诺贝尔化学奖年

20、诺贝尔化学奖工程热力学绪论2022-3-740.热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5） I.普里戈金普里戈金 Ilya Prigogine (1917-) 比利时比利时 热力学的耗散结构理论热力学的耗散结构理论:封闭没有发展，平衡封闭没有发展，平衡也没有发展，这是耗散结构理论的基本结论。也没有发展，这是耗散结构理论的基本结论。基本公式：dS=deS+diS。一个远离平衡的开放系统（不论它是物理、化学的，还是生物学、生态学的，乃至是社会、经济或精神的），通过与环境进行物质、能量和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，从而就可能自发组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。 1977年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖工程热力学绪论2022-3-741.热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6） K.G.威尔逊威尔逊 Kenneth G. Wilson (1936-) 美国美国 临界重整化群理论临界重整化群理论:临界点现象具有标度变换不临界点现象具有标度变换不变变这