《哈工大工程热力学》课件

哈工大工程热力学探索工程领域中热量转化与机械功的复杂过程。涵盖热力系统的原理、分析方法和设计应用,为机械、能源等领域打下坚实的基础。课程简介课程概览本课程系统介绍工程热力学的基本理论和应用知识,涵盖热力学基础、热传递、燃料与燃烧、动力装置等内容。工程视角课程以工程应用为导向,结合实际案例,帮助学生掌握热力学原理在工程中的具体应用。实验实践课程安排多项实验教学,学生可亲自操作,加深对热力学概念和定律的理解。课程大纲1基础理论包括热力学基本概念、热力学定律、内能和焓等基础理论知识。2气体分析涵盖理想气体状态方程、混合气体分析和气体动力学等内容。3各类循环探讨蒸汽功率循环、蒸汽压缩制冷循环、气体功率循环等工程应用。4传热机理包括导热、对流和辐射等传热基本概念和换热器设计。热力学基本概念热力学定义热力学是研究能量转化、热量与温度关系的科学。其基本概念包括物质、能量、热力学系统等。热力学系统热力学研究对象称为热力学系统。系统可分为封闭系统、开放系统和孤立系统。它们各有特点和适用情况。热力学量热力学主要研究热量、温度、压力、体积等基本热力学量及它们之间的关系规律。这些量可以用数学公式表达。热力学定律热力学有四大定律,描述了热量、能量的转换和熵的变化规律,为热力学研究奠定了基础。热力学第一定律热量转化为工作热力学第一定律表明,当热量转化为工作时,并非所有的热量都能转化为工作,会有一部分热量被消耗掉。这就是热力学第一定律的核心内容。能量保证定律热力学第一定律也称为能量保证定律,它规定了能量的形式可以相互转换,但总量保持不变。对于任何系统来说,能量的增加等于输入的热量和输入的功的总和。热量容量公式热力学第一定律还表明,系统的热量容量等于系统内能的微分变化与温度的微分变化之比。这种关系式对于理解热量在系统内部的转化过程非常重要。内能和焓内能内能是物质系统内部各种形式能量的总和,包括分子间相互作用的势能和分子自身的动能。通过改变系统的物理状态,可以改变内能的大小。焓焓是系统的内能与系统所做的功之和。焓反映了系统在恒压过程中储存的热量。焓是一个非常重要的热力学概念,在分析各种热量变化过程中起关键作用。内能与焓的关系内能和焓都是系统能量状态的描述量,但内能是系统自身的一个属性,而焓则包含了系统与周围环境的相互作用。内能变化与焓变化通过热力学第一定律相关联。热力学第二定律1自发过程热能自发地从高温物体流向低温物体,不需要外力推动。这就是热力学第二定律的核心内容。2熵增原理热力学过程中,系统的熵值总是增加。这表明自发过程是不可逆的,即会产生不可逆损失。3工作能的限制热机的热效率低于卡诺循环的效率,这说明热机无法完全转换热能为功。4可逆性与理想性可逆过程是理想的,但实际系统总存在不可逆损失。工程应尽量接近可逆过程。熵和可逆性熵的定义熵是描述物质系统无序程度的热力学量。它反映了系统中微粒的无序状态，是决定系统自发发生方向的关键因素。可逆性与不可逆性可逆过程是系统可以在任何时刻沿着反方向运行的理想过程。不可逆过程则涉及熵的增加，无法完全逆转。熵增原理任何自发过程都会导致系统的熵增加。熵增加表明系统无序程度的提高，是自然界的普遍规律。理想气体状态方程理想气体模型理想气体是一种简化的气体模型,它假设气体分子没有体积,仅存在弹性碰撞,忽略了分子间的引力和排斥力。这种假设可以很好地描述低压和高温下的气体行为。状态方程理想气体状态方程描述了气体压力(P)、体积(V)、温度(T)和物质的量(n)之间的关系。该方程反映了气体分子的运动特性,是热力学分析中的基础。等温过程等温过程是指气体的温度保持不变的过程,此时压力与体积成反比。这种过程常用于描述气体在膨胀或压缩过程中的行为。混合气体分析组分分析确定混合气体中各个组分的浓度和分压是分析混合气体性质的基础。需要利用化学分析手段对组分进行定量测量。状态方程应用Dalton定律和Amagat定律等理论，建立混合气体的状态方程，计算温度、压力、体积等参数。性质预测根据混合气体各组分的物理化学性质，预测混合气体的密度、热容、热导率等工程特性，为设备设计和运行提供依据。气体动力学气体分子运动气体分子以随机方式不断运动,并时常发生碰撞。这种分子间的相互作用影响了气体的压力、温度和体积等宏观性质。动力学理论动力学理论描述了气体分子的运动及其与宏观性质之间的关系。其中包括分子动量、动能和平均自由程等概念。粘性和扩散气体分子的随机运动还导致了流体的粘性和扩散现象,这些性质在工程应用中都很重要。蒸汽功率循环1锅炉产生高温高压蒸汽2汽轮机利用蒸汽的热能做功3冷凝器冷凝和排放蒸汽4泵将冷凝水输送回锅炉蒸汽功率循环是最常见的热力循环之一,主要包括锅炉、汽轮机、冷凝器和泵四个主要部件。锅炉产生高温高压蒸汽,汽轮机利用蒸汽做功发电,冷凝器冷凝和排放蒸汽,泵则将冷凝水输送回锅炉,形成一个闭环循环。通过优化设计,可以提高循环效率,实现更高的能源利用。蒸汽压缩制冷循环1循环过程蒸汽压缩制冷循环包括压缩、冷凝、膨胀和蒸发四个关键过程,通过机械压缩和相变实现制冷功能。2制冷原理制冷剂在循环中吸收热量并释放到外界环境,从而产生温度差和制冷效果。3广泛应用这种循环广泛应用于家用空调、冰箱等电器,以及工业制冷和冷藏系统。气体功率循环燃料加热燃料被点燃并加热到高温,通过压缩缸将其压缩。膨胀高温高压的燃料气体在膨胀缸中膨胀,做功推动活塞。排出废气膨胀后的低温低压废气通过排气阀排出,为下一循环做准备。进气新鲜空气通过进气阀进入压缩缸,为下一循环提供燃料。燃料电池原理能量转换燃料电池通过化学反应直接将化学能转换为电能,效率高于传统发电技术。清洁环保燃料电池运行过程中只产生水和热,不会排放有害废气,是一种清洁能源。高可靠性燃料电池系统无需移动零件,运行平稳可靠,适用于分布式发电和车载应用。多种用途燃料电池可用于发电、输送热量、驱动交通工具等多种应用领域。传热基本概念传热基本类型传热包括三种基本形式:导热、对流和辐射,它们在传热原理和应用中各有不同的特点。传热量测传热量通常用热量、功率或热流密度等单位表示,需要使用专门的测量仪器和方法。传热速率传热速率取决于温差大小、传热路径长度、材料性质等因素,需要根据具体情况进行分析。导热传热热导率导热传热是通过原子和分子的热运动实现的。热导率是衡量物质导热性能的重要参数,反映了物质内部热量扩散的能力。导热方程导热过程可用傅里叶定律描述,热通量与温度梯度成正比。合理选择材料和结构尺寸可优化导热性能。影响因素导热传热受材料性质、结构几何形状、温差大小等多方面因素影响。工程应用中需要综合考虑各种因素。应用实例导热原理广泛应用于工业炉窑、集中供热管网、电子设备散热等领域,对提高能源利用效率具有重要意义。对流传热1对流传热机理对流传热是通过流体流动和温度差来实现热量转移的过程。热量从高温物体传递到低温流体或从低温流体传递到高温物体。2影响因素对流换热过程受流体流动速度、物体表面形状、温度差等多种因素的影响。合理选择这些参数可以提高对流换热效率。3对流换热类型自然对流发生在温度差引起的流体自发流动中,强制对流需要外加推动力,如风扇或泵。两种方式各有优缺点。4换热系数计算可以通过经验公式或无量纲参数来计算对流换热系数,为对流换热过程的设计提供依据。辐射传热能量传播辐射热传递通过电磁波在无介质中传播,不需要热量中介,能量通过辐射直接从热源到热汇。温度依赖辐射热传递速率与物体表面温度的4次方成正比。温度越高,辐射越强。吸收和辐射物体表面吸收和辐射热量的能力与其表面特性有关。表面光滑反射能力强的物体辐射热量较小。换热器设计热量传递通过热交换装置实现热量在不同温度流体之间的有效传递。换热效率提高换热效率关键在于优化换热面积、流体流速和温差。材料选择换热器材料应具备良好的导热性、耐腐蚀性和机械性能。结构设计根据工艺需求选择合适的换热器类型并优化结构参数。相变过程熔融和凝固物质从固态到液态的相变过程称为熔融,反之从液态到固态的过程称为凝固。这些过程涉及内能和焓的变化。沸腾和凝结物质从液态到气态的相变过程称为沸腾,反之从气态到液态的过程称为凝结。这些过程发生在饱和温度和压力下。升华和凝华物质从固态直接转变为气态的过程称为升华,反之从气态直接转变为固态的过程称为凝华。这些过程不经历液态。化学反应热力学反应热化学反应过程中放出或吸收的热量称为反应热。测定反应热有助于理解反应的机制和驱动力。反应熵变反应过程中物质有序程度的变化称为反应熵变。熵变是决定反应自发性的重要因素。吉布斯自由能结合反应热和熵变的吉布斯自由能可以预测反应的自发性和反应方向。它是化学反应热力学的核心概念。反应动力学基础1反应速率反应速率是指反应物转化为产物的速度,主要取决于温度、压力等因素。2反应级数反应级数描述了反应物浓度对反应速率的影响程度,分为零级、一级、二级等。3活化能活化能是反应物必须克服的能量障碍,决定了反应的快慢。温度越高,活化能越容易克服。4动力学模型根据反应级数和活化能,可以建立反应动力学模型,预测反应的进程和速率。相图与相平衡相图介绍相图是物质的状态和组成随压力和温度变化而变化的图表。它可以帮助我们预测和理解物质在不同条件下的行为。相平衡条件相平衡是指不同状态的物质共存时,它们的化学势相等。相平衡条件包括压力、温度和化学成分三个因素。相变过程物质的相变是指由一种状态转变为另一种状态,如固、液、气三相之间的转变。相变吸收或释放大量的潜热。二元相图二元相图描述了两种成分物质在压力和温度条件下的相平衡关系。它可用于预测相变和相分离行为。燃料和燃烧燃料类型常见燃料包括固体(木材、煤炭)、液体(汽油、柴油)和气体(天然气、液化石油气)等。每种燃料都有其独特的性质和化学成分。燃烧过程燃烧是一种快速的氧化反应,释放出热量和光。这需要三要素:燃料、氧化剂和点火源。反应过程复杂,涉及多种化学反应。燃烧效率燃料的热值、燃烧温度和反应速度等都影响燃烧效率。提高效率可以节约资源,减少排放,提高能源利用率。内燃机循环1进气通过活塞下降吸入空气和燃料混合物2压缩活塞上升压缩混合气体3爆燃燃料点火并迅速燃烧膨胀4排气活塞下降时将废气排出内燃机循环包括四个主要步骤:进气、压缩、爆燃和排气。通过这个循环,活塞运动驱动曲轴转动,从而产生动力。这种高效的能量转换机制是内燃机广泛应用的基础。汽轮机循环1工质蒸汽汽化在锅炉中通过加热将水蒸汽化2汽轮机膨胀蒸汽通过汽轮机做功，实现能量转换3冷凝和泵送蒸汽在冷凝器中冷却凝结，然后泵送回锅炉汽轮机循环是一种常见的动力循环。通过锅炉加热水蒸汽化后进入汽轮机做功,再经过冷凝器冷却和水泵的加压,最后返回锅炉形成闭环循环。这种循环过程能够有效转换热能为机械能,广泛应用于发电厂和工厂。制冷循环1制冷工质的循环制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器之间循环流动2制冷过程制冷剂通过吸收热量实现制冷3能耗优化合理设计和操作可提高制冷系统的能源效率制冷循环是利用制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器之间的循环流动实现制冷的过程。通过制冷剂吸收热量并在压缩机和膨胀阀之间转换实现制冷。通过优化系统设计和操作可以提高制冷系统的能源效率。热电制冷原理概述热电制冷利用塞贝克效应,通过施加电压产生温度差,实现对物体的制冷。与传统的压缩式制冷系统相比,它无需使用化学冷媒,更加环保节能。应用领域热电制冷广泛应用于小型电子设备、汽车空调、医疗器械等领域,为用户提供安静、可靠的制冷解决方案。性能优势热电制冷系统体积小巧、无运动部件、噪音低,并且可以精确控制温度,适用于对噪音和体积有严格要求的场合。热泵系统能源效率高热泵系统利用环境热量为热源或冷源,可以实现高达4倍的能源转换效率。相比于传统供热和制冷系统,大幅降低了能耗。环境友好热泵系统不需要燃烧化石燃料,只需利用环境中的热量,可以有效减