华中科技大学工程热力学课件-绪论

工程热力学

Thermodynamics主讲老师：方海生问题一：关于能量你知道多少？能量的来源？能量的形式？能量的来源与形式常规能源：化石燃料生物质能水能新能源：海洋能地热能太阳能核能风能人们由自然界获得能量的主要形式是：热能！据统计，经过热能形式而被利用的能量在我国占90％以上，世界上其它国家也超过85％。问题二：热能与机械能、电能的区别在哪里？本质？利用方式？机械能机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能。电能电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。热能构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的上下，它反映了分子运动的剧烈程度。机械能电能无序能热能有序能热能的利用两种根本方式直接利用：即将热能直接用于加热物体如：烘干、蒸煮、采暖、熔化等等；间接利用：将热能转变为其它形式的能量如：热能向机械能的转换热能向机械能转换后再由机械能转换为电能热能向电能直接转换关键问题：能量转换！问题三：能量在使用过程中会消失吗？热力学第一定律：能量守恒系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功JamesJoule(1818~1889)能量相互转换JamesJoule–PhysicistBorn：24December1818，Salford,Lancashire,

England,UKDied：11October1889(aged

70)

Sale,Cheshire,England,UKCitizenship：BritishFields：Physics,Known

for

FirstLawofThermodynamicsInfluences:JohnDalton

JohnDaviesThesonofBenjaminJoule(1784–1858),awealthybrewer,andAlicePrescottJoule,JamesPrescottJoulewasborninthehouseadjoiningtheJouleBreweryinNewBaileyStreet,Salford,24December1818Hereceivedtwoyears'educationinarithmeticandgeometrybeforeDaltonwasforcedtoretire.JoulewassubsequentlytutoredbyJohnDavies.Joulebecameamanagerofthebreweryandtookanactiveroleuntilthesaleofthebusinessin1854.Sciencewasahobbybuthesoonstartedtoinvestigatethefeasibilityofreplacingthebrewery'ssteamengineswiththenewlyinventedelectricmotor.In1838,hisfirstscientificpapersonelectricitywerecontributedtoAnnalsofElectricity,thescientificjournalfoundedandoperatedbyDavies'scolleague,WilliamSturgeonHeformulatedJoule'slawsin1840andhopedtoimpresstheRoyalSocietybutfound,notforthelasttime,thathewasperceivedasamereprovincialdilettanteWhenSturgeonmovedtoManchesterin1840,Jouleandhebecamethenucleusofacircleofthecity'sintellectuals.Thepairsharedsimilarsympathiesthatscienceandtheologycouldandshouldbeintegrated.However,Joule'sinterestdivertedfromthenarrowfinancialquestiontothatofhowmuchworkcouldbeextractedfromagivensource,leadinghimtospeculateabouttheconvertibilityofenergy.In1845,JoulereadhispaperOnthemechanicalequivalentofheattotheBritishAssociationmeetinginCambridge.Inthiswork,hereportedhisbest-knownexperiment,involvingtheuseofafallingweighttospinapaddle-wheelinaninsulatedbarrelofwater,whoseincreasedtemperaturehemeasured.Henowestimatedamechanicalequivalentof819

ft·lbf/Btu(4.41J/cal).AstatueofJouleintheManchesterTownHallJoule'sgravestoneinBrooklandscemetery问题四：既然能量守恒，何来能源消耗、能源危机？能量贬值原理能量不仅有量的多少，还有质的上下。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在“质〞方面的上下。热力学第二定律的实质就是能量贬值原理。热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的方向、条件及限度。水总是从高处向低处流动气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向低温物体传递会引起可用能损失的几种情况热量从高温传向低温，直至接近环境温度流体从压力高处流向压力低处，直至接近与环境相平衡的压力。物质从浓度高处流向压力低处直至接近与环境相平衡的浓度物体从高的位置降落到稳定的位置。电荷从高电位迁移到接近于环境的电位。自然界当中，任何实际过程都会引起能量损失能量使用的过程就是能量被贬值、被消耗的过程Energyefficiencyofsomecommonenergyconversiondevice火电站的能量转换效率是多少？MechanicalenergyInturbineChemicalenergyIncoalThermalenergyinsteamelectricitycombustion88%Steamturbine88%46%98%Overallefficiency:88%×46%×98%=40%问题四：热力学的任务是什么？？热力学重要内容研究能量转换规律〔其实质就是热能向其它有序能的转换〕，以及如何提高能量转换效率的学科。根本内容：根本概念和定律；工质的性质和过程；工程应用〔各种循环〕。热力学涉及应用领域Combustionsystems燃烧系统Powerproduction—engines,powerplants,etc.

动力的产生——发动机，电厂等。Propulsionsystems—aircraft,rockets,etc.

驱动系统——航行器，火箭等。Alternativeenergysystems—fuelcells,solarheating,geothermal,windenergy,oceanthermal,etc.

可再生能源的利用——燃料电池，太阳能加热系统，地热系统，风能，海洋能热力学涉及领域〔二〕Fluidcompressionandmovement—fans,pumps,compressors,etc.流体压缩和运动——风机，泵，压缩机等。HVAC—refrigerationsystems,heatpumps,etc.供热通风与空调工程——制冷系统，热泵等。Cryogenics—gasseparationandliquefaction低温——气体别离及液化Biomedicalapplications生物医学应用SteamPower:1800

Transportation-RailRoadTransportation-AutomobilesThefirstcarthatevermasteredadrivewasbuiltbytheGermanengineerandinventorCarlBenzin1885Transportation-AutomobilesFordModelT1910Aviation:1900Theworld'sfirstpower-driven,controlledandsustainedflightinventedandbuiltbyWilburandOrvilleWrightflownbythematKittyHawk,NorthCarolinaDecember17,1903byoriginalscientificresearchtheWrightBrothersdiscoveredtheprinciplesofhumanflightasinventors,builders,andflyerstheyfurtherdevelopedtheaeroplane,taughtmantofly,andopenedtheeraofaviation."

AviationPiston,GasTurbine&RocketEnginesJetEngines

PowerPlantsAirConditioningGlobalClimateWaterVaporSystemBiologicalSystems问题五：热力学研究方法及特点？蒸汽动力装置三要素:热源、工质、来源提高循环效率的途径在哪里？内燃动力装置

燃气进口排入大气三要素:热源、工质、来源提高循环效率的途径在哪里？循环热效率公式Ts023451问题六：热力学和传热学有什么关系？热力学第一定律：能量守恒系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功JamesJoule(1818~1889)That’sthemissionofheattransfer热力学：理想情况下，热电厂如何提高效率尽可能提高高温热源温度尽可能降低低温热源温度采用再热、回热等提高平均吸热温度的方法采用燃气、蒸汽联合循环等等传热学：如何尽可能接近理想情况怎样使燃料释放的热量尽可能被工质吸收换热器〔凝汽器、再热、回热〕如何实现最大传热效率的换热某一瞬间物质之间热量交换情况工程热力学与传热学？？热力学研究：热力学循环和能量转换效率;传热学的根本任务:求解温度分布;计算热量传递的速率;热力学+传热学=热科学(ThermalScience)

系统从一个平衡态到另