工程热力学(1)

11工程热力学EngineeringThermodynamics2答疑„时间：每周一晚19：30-20：30„地点：济阳楼312室„作业：每章讲解后交，请准备两个作业本23蒸汽机示意图汽缸活塞曲柄连杆锅炉冷凝器曲轴箱泵4蒸汽动力循环装置系统简图35原子能蒸汽动力装置系统简图反应堆(浓缩铀)换热器泵冷凝器发电机汽轮机泵载热质(重水、碱性金属蒸汽)冷却水6废气燃烧室燃气轮机空气压气机燃料泵燃料燃气轮机装置系统简图47内燃机的工作原理图内燃机的工作原理图活塞曲柄连杆机构气缸8地源热泵59各种热工装置的热力学共性内容归纳内燃机装置燃气轮机装置蒸汽动力装置装置名称工作物质热源冷源功水蒸汽高温物体冷却水对外输出功燃气燃烧产物(自身)大气对外输出功燃气燃烧产物(自身)大气对外输出功压缩制冷装置制冷剂被冷却物体大气消耗功10热力学的发展热力学是研究能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。热力学(thermodynamics)一词的意思是热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器作工成为重要的研究课题。6111798年，英国物理学家和政治家BenjaminThompson(1753-1814)通过炮膛钻孔实验开始对功转换为热进行定量研究。1799年，英国化学家HumphryDavy(1778-1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。121824年，法国陆军工程师NicholasLéonardSadiCarnot发表了“关于火的动力研究”的论文。他通过对自己构想的理想热机的分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决与两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都超不过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。Carnot(1796-1832)713卡诺的论文发表后，没有马上引起人们的注意。过了十年，法国工程师BenôltPaulEmileClapeyron(1799-1864)把卡诺循环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。141842年，德国医生JuliusRobertMayer(1814-1878)主要受病人血液颜色在热带和欧洲的差异及海水温度与暴风雨的启发，提出了热与机械运动之间相互转化的思想。Mayer(1814-1878)8151847年，德国物理学家和生物学家HermannLudwigvonHelmholtz(1821-1894)发表了“论力的守衡”一文，全面论证了能量守衡和转化定律。Helmholtz(1821-1894)161843-1848年，英国酿酒商JamesPrescottJoule(1818-1889)以确凿无疑的定量实验结果为基础，论述了能量受恒和转化定律。焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。Joule(1818-1889)917根据热力学第一定律热功可以按当量转化，而根据卡诺原理热却不能全部变为功，当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾。1850年，德国物理学家RudolfJ.Clausius(1822-1888)进一步研究了热力学第一定律和克拉佩隆转述的卡诺原理，发现二者并不矛盾。他指出，热不可能独自地、不付任何代价地从冷物体转向热物体，并将这个结论称为热力学第二定律。克劳胥斯在1854年给出了热力学第二定律的数学表达式，1865年提出“熵”的概念。Clausius(1822-1888)181851年，英国物理学家LordKelvin(1824-l907)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。1853年，他把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第一定律的数学表达式。10191875年，美国耶鲁大学数学物理学教授JosiahWillardGibbs发表了“论多相物质之平衡”的论文。他在熵函数的基础上，引出了平衡的判据；提出热力学势的重要概念，用以处理多组分的多相平衡问题；导出相律，得到一般条件下多相平衡的规律。吉布斯的工作，把热力学和化学在理论上紧密结合起来，奠定了化学热力学的重要基础。Gibbs(1839-1903)209课程特点：系统性强、概念抽象、计算简单。9学习要求：1.提高课堂学习效率。2.课后及时整理学习笔记，复习巩固提高。3.按时、独立完成作业。4.有问题及时答疑。5.独立完成实验。1121如何学好工程热力学：上课认真听讲并积极思索自己完成作业看一、二本参考书积极参加实验,撰写小论文理论联系工程实际22本课程的主要教学环节ƒ课堂学习(预习,听课,课后复习)ƒ做练习题ƒ完成课程实验,鼓励大家完成一些研究性实验ƒ撰写小论文,课堂讨论12231．曾丹苓等.工程热力学（第三版）.北京:高教出版社,20022．朱明善，刘颖，林兆庄，彭小峰合编．工程热力学(第一版)．北京：清华大学出版社，19993.严家騄.工程热力学（第三版）.北京:高教出版社,20004.童钧耕等.工程热力学总复习——理论概要和习题.上海:上海交通大学出版社,20015.何雅玲.工程热力学精要分析及典型题精解.西安:西安交通大学出版社,20006.M.C.波特尔,C.W.萨默顿.工程热力学.北京:科学出版社,20027.MichaelJ.MORANHowardN.SHAPIROFundamentalsofEngineeringThermodynamics4th.EditionJOHNWILEY&SONS,INC.2000参考书24《工程热力学》知识框架工程热力学基础理论工质的性质热力循环基本概念基本理论理想气体实际气体（水蒸气、湿空气）压缩机、喷管动力循环、制冷循环1325绪论内容提要„一、能源及热能利用„二、工程热力学的研究对象及主要内容„三、热力学的研究方法26能源及热能利用„能源定义：用来产生各种所需能量的自然资源„能源作用：运动、供暖、烹饪、照明、通讯...„能源种类：风能、水力能、化学能、太阳能、地热能、原子能、机械能、热能、电能等等；„能源消费水平正比于社会生产力的发展水平1427常用能源种类煤炭石油天然气生物质能利用燃料燃烧释放化学能，并转换为燃烧产物的热能，为人类所利用。可再生能源水利能太阳能风能生物质能海洋能地热能能源分类28热热机机太太阳阳能能电电能能光光电电反反应应热热用用户户风风车车燃燃料料电电池池传传热热传传热热能量的转换和传递过程水水力力机机械械水水车车燃燃烧烧聚聚变变裂裂变变磁磁流流体体发发电电温温差差发发电电电电动动机机发发电电机机核核能能地地热热能能水水力力能能热热能能机机械械能能风风能能一次能源二次能源化化学学能能1529热能发生的两种途径„直接产生（如地热能和海洋表层的温水热能）„通过转换产生„化学能的转换„电能的转换„辐射能的转换„核能的转换„机械能的转换30热能利用的领域„生活需要„电力工业„钢铁工业„有色金属工业„化学工业„石油工业„建材工业„机械工业„轻纺工业„交通运输„农业及水产养殖业1631利用燃料热能的方式„通过各种类型的发动机（热机）及发电机，使热能转变为机械能或电能；„热能的直接利用，如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥及分馏等，热水供应及采暖等；32热能间接利用„设备：蒸汽动力装置、燃气动力装置、火箭发动机、内燃机；„——热能利用的重要方式，人类文明及生产发展的物质基础„能源转换效率问题和环境保护问题：1733能源直接利用„设备：各种工业炉窑、工业锅炉、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等„——换热效率问题34工程热力学的研究对象„热力学：研究物质的热力性质，能量和能量之间相互转换的一门基础理论学科；„工程热力学：从工程的观点出发，研究物质的热力性质、能量转换以及热能的直接利用等问题。„设计计算和分析各种动力装置、制冷机、热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理论基础——各个热力过程的能量变化。1835主要内容„热力学第一定律——能量守恒与转换定律„热力学第二定律——判断过程方向性„工质的性质——理想气体、真实气体（水蒸气、湿空气）„热力装置的工作过程——气体和蒸汽动力循环、制冷循环、热泵循环、喷管及扩压管、压缩机36能量具有量与质的双重属性„热力学第一定律从能量的数量出发——能量转换过程中能量的总量守恒„热力学第二定律从能量的质的属性出发——能量转换过程中，能量的品质要降低、贬值„孤立系统中的能量总和守恒，但能量的品质不断下降，可用能贬值为无用能1937热力学基本理论„能量转换具有方向性与不可逆性——微观物质运动的形态由有序运动向无序运动的不可逆转性„无序运动的能量与有序运动的能量在本质上是不同的„无序运动的热能不能无条件地转变为有序运动的能量„有序运动能量的转换不存在前提条件问题„热力学基本理论研究无序运动的热能与有序运动能量之间的转换条件及转换限度38无序与有序2039热力学研究方法„宏观方法——经典热力学方法„微观方法——统计热力学方法40宏观方法„连续的整体„直接观察和实验„归纳、演绎、推论„可靠、具有普遍意义„缺点：无法解释热现象本质，微观物质结构中个别分子的个别行为2141微观方法„从物质内部微观结构出发，借助物质的原子模型及描述物质微观行为的量子力学，利用统计方法去研究大量随机运动的粒子，从而得到物质的统计平均性质，并得出热现象的基本规律。„可解释比热理论、熵的物理意义、孤立系统熵增原理42第一章基本概念„内容提要：„热力系统„工质的热力状态及其基本状态参数„平衡状态、状态公理及状态方程„准静态过程与可逆过程„热力循环2243第一节热力系统„明确研究对象——人为地分析„研究对象所包含的范围和内容„热力系统与周围事物的相互关系建立定性和定量的关系44简单蒸汽动力装置流程简图蒸汽动力装置流程简图550C0过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水汽轮机发电机QQ12W20C0高温高压蒸汽Wp2345一、系统、边界与外界„系统：人为分隔出来的研究对象„人为作用、同一问题可存在不同系统„边界：分隔系统与外界的分界面„可实际存在、也可以虚拟存在„可以固定不动、也可以运动或变形„外界或环境：边界以外与系统相互作用的物体46界面热源外界外界热力系统2447界面热源外界外界热力系统续448界面热源外界外界热力系统续42549界面热源外界外界热力系统续450界面热源外界外界热力系统续42651系统界面界面52系统系统界面界面2753系统系统界面界面54系统系统界面界面2855系统与工质的关系„系统既然是人为分隔出来的研究对象，那么系统内可以有多个物体„其中起到能量输运或转换的物体为工质„在热力学中，工质可以为气体、液体、固体等，„工质可用某几个物理量描述其所处状态56系统与外界相互作用形式„功、热和物质的交换外界存在能够分别接受或给予系统功量、热量和质量的功源、热力源和质量源9系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源9不会因为接受或放出热量、功量而增加其总能量9也不会因为接受或给与系统质量而改变其总质量大小2957二、闭口系统与开口系统„没有物质穿过边界的系统——闭口系统（控制质量系统）„系统质量保持恒定，应把所研究的物质都包括在边界内，系统边界可变形„有物质穿过边界的系统——开口系统（控制体积系统）„只需把所要研究的空间范围用边界与外界分隔开来，可以有一股或多股工质流过可通过边界与外界发生能量（功和热）的传递58闭口热力系闭口热力系闭口热力系阀门关闭3059开口热力系开口热力系开口热力系60管管道道开口举例热力系（管道）3161开口热力系开口热力系续1562开口热力系开口热力系（锅炉示意图）（锅炉示意图）来自水泵过热器炉墙蒸发管去汽轮机燃料与空气3263三、绝热系统与孤立系统„系统与外界之间没有热量传递的系统——绝热系统„系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统——孤立系统一切热力系统连同与之相互作用的外界都可以抽象为孤立系统绝对这