机械工程学科介绍

机械工程学科介绍第1页，课件共42页，创作于2023年2月机械工程导论第六章热和能量系统概述机械的能量、功和功率能量的热传导能量的守恒和转换发动机原理及功效本章内容第2页，课件共42页，创作于2023年2月6.1概述能（energy）：物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式，能量也有各种形式，彼此可以互相转换，但总量不变。也称为能量。能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等

。热力学中的能量主要指热能和由热能转换而成的机械能。

第3页，课件共42页，创作于2023年2月与宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能；与分子运动对应的能量形式是热能；与原子运动对应的能量形式是化学能；与带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能；与光子运动对应的能量形式是光能；第4页，课件共42页，创作于2023年2月当运动形式相同时：

两个物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述和比较。例如，两个作机械运动的物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述和比较；两股作定向运动的电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述和比较。当运动形式不相同时：

两个物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量，即能量特性是一切运动着的物质的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。第5页，课件共42页，创作于2023年2月能量的单位能量以各种形式，出现在不同的运动中，并通过作功、传热等方式进行转换。能量的单位为焦、千瓦时、电子伏（特）等。能量在物理中的符号一般是E，其国际单位是焦耳J，量纲M*L^2*T^(-2)。除焦尔外常用的还有千瓦小时kWh和卡cal：第6页，课件共42页，创作于2023年2月质能关系

在狭义相对论中，能量和另一个重要物理概念即质量联系在一起了，建立了质能关系公式：E＝mc2，即质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。爱因斯坦：“质量就是能量，能量就是质量。时间就是空间，空间就是时间。”

第7页，课件共42页，创作于2023年2月工程热力学的概念热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。第8页，课件共42页，创作于2023年2月工程热力学的基本任务

基本任务：通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热功转换效率。第9页，课件共42页，创作于2023年2月工程热力学具体研究内容以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。第10页，课件共42页，创作于2023年2月工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为理论基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。第11页，课件共42页，创作于2023年2月工程热力学的历史发展

古代人类——取火和用火；直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。第12页，课件共42页，创作于2023年2月1798年，朗福德（美国-英国物理学家）观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，德国的迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。第13页，课件共42页，创作于2023年2月英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念；1842年以后用不同方式实测了热功当量；1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。第14页，课件共42页，创作于2023年2月1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。

第15页，课件共42页，创作于2023年2月1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。第16页，课件共42页，创作于2023年2月与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。

第17页，课件共42页，创作于2023年2月二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。第18页，课件共42页，创作于2023年2月工程热物理学学科方向及进展

工程热力学和能源学科热力学基础研究方面，在统计热力学及分子模拟领域有两方面进展：一方面是分形理论等新的分析手段的引进，取得了好的效果；另一方面，统计热力学及分子模拟研究开始向实用化迈进。第19页，课件共42页，创作于2023年2月为满足国家节能减排的重大需求，各种余热驱动、低温余热利用以及大温差的制冷循环研究不断深入，吸收、吸附式制冷循环，复叠式制冷循环以及水基有机混合物相变蓄冷等新型蓄能技术被广泛研究。热声理论得到快速发展的同时，热声制冷和热声发电技术在实验、应用方面的研究进展很快。第20页，课件共42页，创作于2023年2月可再生能源与温室气体控制是能源与环境领域研究的重要主题。我国近年来经历了对各种太阳能热发电形式的关键技术研究，并启动了国家太阳能热发电技术专项研究。太阳能光催化分解水制氢研究在催化剂、制氢设备和制氢系统等方面取得实验室进展。太阳能燃料转换技术的研究有望实现实用化的太阳能燃料开发。第21页，课件共42页，创作于2023年2月在生物质发电、生物质制氢和液体燃料等方面也取得一定进展。我国学者首次提出了能源转换利用与CO2分离一体化原理，实现低能耗甚至无能耗分离CO2，研究制定了适合我国国情的温室气体控制技术路线。

第22页，课件共42页，创作于2023年2月传热传质分学科

在导热研究方面，随着超快速激光加热技术以及MEMS/NEMS（微电子机械系统Micro-electromechanicalSystems/Nano-ElectromechanicalSystem,

）等微纳科技的发展，导热过程在时间尺度、空间尺度、环境温度以及热流密度等都在向极端状况扩展。微纳尺度下的导热规律的研究是传热学发展的新的重要研究方向，它对微纳热电转换装置等高科技产品的研发具有重要的意义。第23页，课件共42页，创作于2023年2月对流传热的研究在保留了经典方向的深化和再认识拓展等内容之外，多趋向复杂和交叉领域。非线性问题，湍流直接模拟，微尺度、跨尺度问题是自然对流研究的主要方向。对流换热过程强化和优化的研究热点是换热器和换热网络中的场协同理论、节能型强化技术的开发，以及污垢形成机理以及新型抗垢技术。

第24页，课件共42页，创作于2023年2月辐射传热目前的发展趋势是研究内容的深化，以及趋向复杂和交叉领域，以符合航空航天、红外探测、目标与环境的红外特性、强激光及应用、功能材料制造以及生物医学等现代高新技术发展对辐射传热的需求。第25页，课件共42页，创作于2023年2月我国工程热物理学科前景展望

学科发展目标：

建立一支结构合理、精干和稳定的基础性研究队伍，扶持与建设一批比较先进的工程热物理与能源利用的研究基地，使我国工程热物理学科基础研究有更多的分支和领域接近或达到国际先进水平；孕育创新思想、积累科学储备，为解决制约我国经济发展的能源重大关键问题确定技术发展方向和奠定科学基础，并为相关的能源高新技术和产业的发展提供科学源泉与支撑。第26页，课件共42页，创作于2023年2月学科发展的重点继续加强工程热物理学科基础研究，注重能源－环境、能源－材料、能源－生物等学科交叉和领域渗透，使我国工程热物理学科适应能源、环境问题的需求，争取在若干有相对优势的学科跻身于世界先进行列；解决化石能源发展和应用中的关键问题，发展与开拓科学的途径与方法，使常规化石能源，特别是煤炭成为高效、洁净、稳定、廉价的能源；第27页，课件共42页，创作于2023年2月为推动可再生能源发展及其关键技术开发，提供科学源泉和支撑，以不断改善我国能源消费结构和加快能源结构多元化，建立可持续发展能源系统；加强能源转换的物理化学生物学基础研究，为煤炭洁净利用、石油战略储备、规模化蓄能、生物质能开拓等奠定科学基础。

第28页，课件共42页，创作于2023年2月功是力在空间上的积累，是一个物体对另一个物体的空间作用力的积累，它不等同于能量。能量既可以是物质所蕴涵的，也可是物质间传递的。能量与功之间存在一定联系，能量的增量就是物质间作用的功。功和能量不是一种东西，但是往往伴随发生。向外做功时，伴随能量的流出；被其他物体做功时，伴随着能量的吸收过程。

能量、功和功率第29页，课件共42页，创作于2023年2月能量是一个静态的概念，可以说一个物体具有多少势能、原子能、化学能等等，但是实际上能量实际上又是一个相对的概念，即一个物体具有多少能量必须通过他能够做多少功来表现出来.譬如我们说水库中的水具有多少势能，实际上就是指将水库中的水全部拿来做功（譬如发电），它能够做多少功。

第30页，课件共42页，创作于2023年2月功是能量转化的量度功是过程量能是状态量第31页，课件共42页，创作于2023年2月热传递热传递:

是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。第32页，课件共42页，创作于2023年2月在热传递过程中，物质并未发生迁移，只是高温物体放出热量，温度降低，内能减少（确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是能量从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。热传递转移的是内能，而不是温度。第33页，课件共42页，创作于2023年2月热传递的方式1、传导

它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量；

a.固体与液体：分子碰撞；

b.固体与固体间：自由电子运动；

c.气体之间：分子热运动；第34页，课件共42页，创作于2023年2月

2、对流

流体中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的过程；（1）自对流：靠物体的密度差，引起密度变化的最大因素是温度；（2）受迫对流：是靠作功，受到机械作用或压力差而引起的相对运动；第35页，课件共42页，创作于2023年2月3、热辐射：

物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。任何物体只要在0K以上，就能发生热辐射。

第36页，课件共42页，创作于2023年2月

影响换热系数的几个因素：

1、流体的流动状态：a.层流：易产生热边界层；b.紊流：破坏热边界