工程热力学绪论

周亚苹zyaping源与动力工程学院工程热力学EngineeringThermodynamics课程教材：《工程热力学》（第6版），童钧耕王丽伟叶强主编参考教材：《工程热力学（ThermodynamicsanEngineeringApproach）》，尤努斯A.切盖尔迈克尔A.博尔斯著《工程热力学》（第六版），谭羽非吴家正朱彤编著《高等数学》、《大学物理》课程类别：专业基础课、必修课考核方式：闭卷考试成绩比例：平时考核+期末考试（比例待定）工程热力学专业课什么是工程热力学？热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。工程热力学是热力学的工程分支，着重研究热能与其他形式能量之间的转换规律及其工程应用。为什么要学习工程热力学？世界上经过热能形式利用的能量平均超过85%，我国则占90%以上。第1章第2/6章第3/4/5/12章第7/8章第9-11章基本概念及定义热力学第一与第二定律工质的基本热力学性质/热力过程：理想气体、蒸汽、湿空气工质在热工设备工作过程：管路设备、压气机工程实际热力循环分析与计算：气体动力循环、蒸汽动力循环、制冷循环课程内容课程逻辑：基本概念工质性质热力循环课程主要内容点线面课程特点：（1）系统性强、研究对象（气体）复杂；（2）课程概念多、内容抽象；（3）计算简单、需要数学和物理基础。学习方法要点（1）对基本概念和基本定律的理解要清楚；（2）切忌死记硬背，多思考揣摩；（3）具备一定的综合及工程分析问题的能力，将实际工程问题转化为物理或数学模型进行求解；（4）提前预习、提高课堂学习效率、及时复习巩固；（5）理论联系实际、按时独立完成作业。如何学习工程热力学？工程热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。作业要求：（1）按时独立完成作业，在规定时间交作业；（2）表达规范、清晰，对于计算题：①写出物理表达式及必要文字说明；②带入原始数据；③给出相对准确结果及单位。（3）找一、两本参考书，进一步提高。如何学习工程热力学？绪论0-1热能及其利用0-2热能和机械能相互转换的过程0-3热力学发展简史0-4工程热力学的主要内容及研究方法能源是指提供各种有效能量的物质资源。一次能源—自然界以自然形态存在的、可资利用的能源。如：风能、地热能、太阳能、水能、核能、化学能等。风力发电地热能发电塔式太阳能发电水利发电核能发电电池1热能及其利用-概念能源是指提供各种有效能量的物质资源。二次能源—由一次能源加工转换后的能源。如：热能、机械能、电能。热电厂（热能→电能）飞机（热能→机械能）1热能及其利用-概念能量利用过程实质是能量的传递和转换过程，世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过85%，我国则占90%。汽车（热能→机械能）1热能及其利用-能量的转换和传递过程热机太阳能电能光电转换热用户风车燃料电池传热光热水力机械水车燃烧聚变裂变电动机发电机核能地热能水力能热能机械

能风能一次能源二次能源化学能直接利用转换电热装置直接利用—将热能直接用于加热物体，满足采暖、烘干、熔炼等需求。采暖烘衣服1热能及其利用-利用方式冶金间接利用—通过热能动力装置将热能转换为机械能或电能加以利用。蒸汽机热电厂1热能及其利用-常见热能转换装置锅炉水泵冷凝器汽轮机简单蒸汽动力装置流程过热器汽锅1热能及其利用-常见热能转换装置汽轮机1热能及其利用-常见热能转换装置双曲线冷却塔1热能及其利用-常见热能转换装置煤燃烧火力发电站1热能及其利用-常见热能转换装置进气阀出气阀火花塞气缸活塞曲柄连杆机构内燃机示意图燃气轮机装置系统简图1热能及其利用-常见热能转换装置蒸汽压缩制冷系统简图1热能及其利用-常见热能转换装置热能动力装置是指从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备。2热能和机械能相互转换的过程分类：（1）蒸汽动力装置（2）燃气动力装置：内燃机、燃气轮机、喷气发动机等工作过程的共同点:（1）从高温热源吸热(吸热过程)（2）将其中一部分转变为功(对外膨胀作功过程)（3）将其余部分传给低温热源(对外放热过程)（4）工质提高压力需要耗功(消耗外功)（5）将热能转换为机械能进气阀出气阀火花塞气缸活塞曲柄连杆机构内燃机示意图工作过程：吸气压缩排气燃烧、膨胀工作物质：燃气能量转换：燃料

化学能燃气热能机械能环境以内燃机为例2热能和机械能相互转换的过程过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水汽轮机发电机Q1Q2高温高压蒸汽Wp蒸汽动力装置流程简图2热能和机械能相互转换的过程汽轮机水泵冷凝器锅炉简单蒸汽动力循环过程图（1）锅炉(热源):燃料燃烧产生热量,将水变成蒸汽(吸热过程)（2）汽轮机:将蒸汽携带的热能→动能→转子旋转机械能(对外作功过程)（3）冷凝器(冷源):将作功后的低温低压蒸汽凝结成水(对外放热过程)（4）水泵:提高水的压力,将水送入锅炉(消耗外功)2热能和机械能相互转换的过程P另一类能量转换装置，如制冷装置和热泵，通过消耗外部机械能或电能，以实现热能由低温物体向高温物体转移。压缩蒸气制冷装置流程简图2热能和机械能相互转换的过程另一类能量转换装置，如制冷装置和热泵，通过消耗外部机械能或电能，以实现热能由低温物体向高温物体转移。夏季制冷循环2热能和机械能相互转换的过程冬季制热循环对工质的要求:（1）膨胀性（2）流动性（3）热容量（4）稳定性、安全性（5）对环境友好（6）廉价、容易大量获取工质是指实现热能和机械能相互转化的媒介物。物质三态中气态最适宜，如空气、水蒸气等。热源是指与工质进行热交换的物质系统。把从工质中吸取热能的物系称为热源或高温热源；把接受工质排出热能的物系称为冷源或低温热源。根据温度是否恒定，将热源分为恒温热源、变温热源。热功转换通常通过体积膨胀实现。热源与冷源是相对的。2热能和机械能相互转换的过程第1章第2/6章第3/4/5/12章第7/8章第9-11章基本概念及定义热力学第一与第二定律工质的基本热力学性质/热力过程：理想气体、蒸汽、湿空气工质在热工设备工作过程：管路设备、压气机工程实际热力循环分析与计算：气体动力循环、蒸汽动力循环、制冷循环课程内容主要内容3热力学发展简史热力学（thermodynamics）—将热（thermo）和动（dynamics）结合起来,反映出热力学起源于对热机的研究。1763-1784年间，英国人瓦特对当时用来带动煤矿水泵的原始蒸汽机进行重大改进。第一次工业革命1824年，卡诺出版了《论火的动力及与产生该动力相适应的机器》一书。通过构想的理想热机的分析得出结论：理想热机的效率只取决于两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都不超过可逆热机，且热机效率也不可能达到百分之百。1850年，焦耳（JamesJoule）通过热功当量实验结果分析，论述了能量守恒和转化定量，也是热力学第一定律的实验基础。热变功效率最高的循环3热力学发展简史1847年，德国物理学家和生物学家赫姆霍兹发表了“论力的守衡”一文，全面论证了能量守恒和转化定律，从理论上把力学中的能量守恒原理应用到热力学上，全面阐明了能、功和热量之间的关系。1850年，德国物理学家克劳修斯指出，热不可能独自地、不付任何代价地从冷物体转向热物体，并将这个结论成为热力学第二定律。同时给出热力学第二定律的数学表达式，并于1865年提出“熵”的概念。3热力学发展简史1851年，英国物理学家开尔文指出，不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响。这是热力学第二定律的另一种说法。克劳修斯和开尔文先后从热量传递和热转变为功的角度提出了热力学第二定律，指明了热过程的方向性。1875年，美国数学物理学教授吉布斯发表了“论多相物质之间平衡”的论文。在熵函数的基础上，引出了平衡的判据，提出了热力学势的重要概念，将热力学和化学在理论上紧密结合，奠定了化学热力学的重要基础。3热力学发展简史研究对象主要是能量转换，特别是热能转化成机械能的规律和方法，以及提高转化效率的途径，以提高能源利用的经济性。4工程热力学的主要内容及研究方法主要内容1、基本概念与基本定律状态参数、可逆过程、热力学第一、二定律等。2、能量的转化过程和循环的分析研究及计算方法热工设备工作过程、工程实际循环等。3、常用工质的性质（宏观特性）工质是实现热能和机械能相互转化的媒介物质，工程热力学主要研究气体以及液体。4、化学热力学针对燃烧、燃料电池等过程。研究方法1、宏观研究方法应用宏观研究方法的热力学称为宏观热力学，也称为经典热力学。以热力学第一定律、第二定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、简化等方式，突出本质，建立分析模型，推到一系列有用的公式，得到若干重要结论。2、微观研究方法应用微观研究方法的热力学成为微观热力学，也成为统计热力学。气体分子运动学说和统计热力学认为大量气体分子的杂乱运动服从统计法则和概率法则，能阐明热现象的本质。由于分子微观结构假设只能近似，其理论结果不够精确。工程热力学主要应用宏观研究方法。4工程热力学的主要内容及研究方法二、建设能源强国首先要和国际能源情况有一个比较。拿到国际上来看，我国现在的能源是一个什么情况，通过比较看，应该说我国现在是一个能源大国，我国现在的能源生产消费总量和发用电量已经排在世界的首位，这是已经实现了一个能源大国的体现。但是不是能源强国呢？通过几个数据来看，我国还有一定的差距，比如我国煤炭的消费总量现在已经超过世界煤炭消费总量的50%，全世界一半的煤炭是在中国消费的。能源自给率，2019年我国能源自给率大概是在80%，美国大概是97.4%，俄罗斯更高，差不多200%，它是一个能源输出国，我国现在总体上是80%，主要是油和气的对外依存度高。现在油的对外依存度大概70%以上，天然气对外依存度大概是在40%以上。我国的碳排放量也居在高位，按照现在的数据大概占到1/3，大概100亿吨，全世界就300多亿吨。我国的能耗水平现在也是高于世界平均水平，和发达国家相比差距更大。所以从能源大国向能源强国的转化过程当中，这都是制约或者需要加以认真解决的一些问题。三、建设能源强国应有以下六个方面的基本特征。一是要有一个安全的能源保障基础。保障能源安全很重要，在发展和在实现“双碳”目标的情况下，能源需求还是要有一定的增长，保障安全应放在首位。二是应根据国家的资源禀赋。有一个比较优化的能源结构，提高能源开发的整体效率。三是要有一个可控的能源自给率。我国目前是80%，特别是石油和天然气的自给率