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工程热力学课件华北电力大学（北京）动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月工程热力学EngineeringThermodynamics绪论一.热能及其利用人类在生产和日常生活中需要各种形式的能量。能量的开发和利用程度是一个社会发展的重要标志。能源：提供各种能量的物质资源。一次能源：以原始状态存在于自然界，不需要加工或转换，可以直接利用的能源。亦称为天然能源。如原煤、原油、天然气、可燃冰、水能、风能、太阳能等。二次能源：由一次能源加工转换后的能源。主要是是热能、机械能和电能。各种能量之间的转化图我国的能源结构、生产、消费情况我国的能源结构是以煤炭为主，这在世界上也是比较独特的。带来的问题：煤矿的安全问题、环境污染问题等。石油进口的依赖性增加。2000年人均能耗（toe/人）美国8.17中国0.735世界1.50单位产值能耗（toe/百万美元）美国263德国127日本92.3中国892世界264人均发电量（kWh）挪威31890美国13474德国6814中国1063发电量（TWh）美国4609德国567日本1082中国1354世界15360人口（百万）美国312德国82.2日本127中国1262发电煤耗中国363（20013572002356）装机容量（万千瓦）中国200235657.09（水8607046火25664.67核446.80其他48.18）中国已建、在建核电站（万千瓦）秦山一期30国产压水堆1991年秦山二期2*60国产压水堆2002、2003年秦山三期2*70加拿大重水堆2003年广东大亚湾2*90法马通压水堆1994年广东岭澳2*98.4同上2002、2003年江苏田湾2*100俄罗斯压水堆2004、2005年我国已建、在建大型水电站（万千瓦）三峡1820二滩330(1998)广州抽水蓄能240(2000)葛洲坝271.5(1981)李家峡200(1987)我国能源探明剩余可采储量1392亿吨标准煤，58.8%煤炭、3.4%石油、1.3%天然气、36.5%水能石油的储采比15(世界平均为40)，2003年进口约1亿吨，石油的缺口很大。天然气虽有好的前景，但资源量有限。电力与新能源发电组装机容量（万千瓦）2000年2010年2020年总装机容量327405877093000装机容量79301500022000水电所占比例24%25.5%24%装机容量237004000060000煤电所占比例73%68%63%装机容量70020005000气电所占比例2%3.4%5%装机容量21011704000核电所占比例0.6%2%4%装机容量2406002100新能源（风，太阳，生物质，地热等）所占比例0.7%1%2%○装机容量规划建议2010年新增机组5％CFB，15％亚临界，25％超临界，5％超超临界，所以CFB－超临界有前景。2010年煤炭洗选50％，2020年95％以上经加工处理－－煤泥发电。对应我国小康社会水平的主要国家人均发电量国家项目美国日本中国年份1942196719902000201020202050人均发电量kWh/人.年350050005471106212924284502摘自—中国能源战略研究总报告—中国工程院咨询报告97-00-01-01污染控制市场预测到2020年，新装600MW火电机组约700台；新装机组均装置脱硫、脱硝设备。投资成本：SO2=250元/千瓦装机量；NOx：200元/千瓦装机量1050.008400.00200.00400.00600.00800.001000.001200.00亿元SO2NOX至2020年SO2、NOx市场前景预测3.海底天然气水合物为一种白色固体物质,外形象冰,有极强的燃烧力.有水分子和燃气分子,主要是甲烷分子组成,最近二十年才被人们广泛发现.具有能量高,分布广,埋藏浅,规模大等特点。全球天然气水合物中的总含碳量约为地球上所有化石燃料含碳总量的两倍。绝大部分分布在海洋中,水深300～500米海底之下500～1000米的范围内,海洋里天然气水合物的资源量约为1.8亿立方米,约合11万亿吨,是陆地资源量的100倍.天然气水合物形成需要三个条件:1.足够低的温度2.较高的压力3.原始物质-气和水的足够富集天然气水合物的结构中部是甲烷分子，碳1（黄色），氢4（灰色）外部是水分子组成的网笼多个天然气水合物分子的组合天然气水合物可能造成的全球变化和海底灾害天然气水合物的资源量相当于化石燃料（包括煤、天然气和石油）资源量的两倍全球有机碳的分布左图为天然气水合物的外貌右图为天然气水合物呈脉状存在于海底沉积物之中天然气水合物的燃烧过程：1、天然气水合物置于铁罐中；2、点火；3、天然气水合物被点燃；4、熊熊烈火天然气水合物在手中燃烧中国发电的平均耗煤量01002003004005006006070809197中国世界先进g/kW.h二、热力学发展简史1.热力学是研究能量、能量转换及其与物质性质之间关系的普遍学说。2.原始人在争取自己生存条件的自然斗争中学会了取火和用火，这是人类取得的第一个巨大成就，是人类启蒙性地发掘利用热能的第一步。恩格斯曾对此给予了高度评价。但这并不是热力学的开始。3.在人类历史上，水力的利用曾长期占据统治地位。4.1784年，瓦特（J.Watt,1736-1819)对原始蒸汽机进行改造，增加了曲轴、进汽阀、排汽阀。瓦特的发明引发了产业革命。蒸汽机运用到航海也以后，由于船上储煤空间宝贵，，促使人们对如何提高蒸汽机的工作效率、节约用煤问题进行了系统的研究，并在十九世纪中叶开始形成“热力学”这门学科，和“电磁学”一道从牛顿力学上分枝出来。5.热力学第一、二定律的出现标志着热力学的建立1）到十九世纪中叶，焦耳（J.P.Joule.1818-1889)前后用了20多年时间，做过多种多样的实验，测定了热功当量。1850年当焦耳写出第一篇总结论文时，他的各种精确的实验结果的一致性，已经给出了能量守恒定律的实验基础。焦耳：能量守恒定律的发现者之一焦耳，J.P.（JamesPrescottJoule1818～1889）英国物理学家。1818年12月24日生于索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主。焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家。此外，迈尔（JuliusRobertVonMayer1814-1878）和赫姆霍兹（HermannVonHelmholtz1821-1894）等人也都对热力学第一定律作出了贡献。2)1824年，卡诺（SadiCarnot1796-1832）提出了卡诺循环和卡诺定理，发现了热能转变为机械能的根本条件，即必须有温度不同的热源和冷源，这从本质上说明了热力学第二定律。在卡诺研究的基础上，1850~1851年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律。开尔文在1848年根据卡诺定理制定了“热力学温标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了“熵”。卡诺（SadiCarnot）：英年早逝的奠基者卡诺的父亲拉扎尔．卡诺是拿破仑第一执政手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长1812年，萨迪．卡诺考入巴黎理工学院，在那里受教于泊松．盖－吕萨克、安培和阿喇戈这样一批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。28岁时发表《关于火的动力》36岁去世。6.1906年，能斯特（walterNernst1869-1941)根据低温下化学反应的大量实验事实归纳出了新的规律，并于1912年将之表述为绝对零度不能达到，即热力学第三定律。热力学第三定律的建立，使经典热力学理论更加完善。7.热力学的建立与理论研究上的成就反过来又促进了热动力机的不断改进与发展。早期蒸汽机的热效率只有1%~2%，目前蒸汽电站的热效率达40%，燃气蒸汽联合循环的热效率已接近60%十九世纪末，发明了汽轮机：高参数、高效率、大功率。十九世纪末，还发明了内燃机：重量轻、热效率高、能移动。近几十年来，燃气轮机已发展并改进成为适合实际应用的一种重要的热动力设备：军舰、喷气式飞机、燃机电站。三、学习工程热力学的重要意义1.是第一门、也是最重要的一门专业基础课。是众多院校研究生入学的考试科目。2.应用广泛：电厂热能动力工程、建筑环境与设备工程（暖通、空调）、化工、汽车、火箭、核电站等。3.能解决很多专业方面的问题和日常生活方面的问题。例1：革凝汽器的命？我国的能源短缺，而一般蒸汽火电厂的热效率只有40%左右，煤燃烧产生的热量中大约50%由冷却塔（coolingtower)排放到周围环境。为什么不能不要凝汽器（即所谓“革凝汽器的命”）？例二：火力发电原理图为什么要将汽轮机切开？为什么要在汽轮机上打孔？12361kga45αkg(1-α)kg例3：哥伦比亚航天飞机失事2003年2月1日22点（北京时间），美国哥伦比亚航天飞机在返回地面前16分钟解体，7宇航员罹难。失事时，飞行高度为203,000英尺，时速为12,500英里。老化：服务21年。滞止温度：在点火升空时，其巨大的外部燃料箱物体脱落，并且击中了飞机的左翼，隔热瓦脱落。附：隔热瓦绝热瓦是用来保护燃料箱免于高温或低温的损害，图中的样品与怀疑从固体火箭助推器外部燃料箱左侧脱落的绝热瓦属于同一类型。例四：汽化潜热为什么用蒸锅热剩饭剩菜时，没有必要放很多水？例5：酒精灯为什么牙科医生和耳鼻喉医生的诊台上要放一个酒精灯？四：如何学好《工程热力学》？虽然《工程热力学》是一门很重要、很有意思的课，但同时也是公认的很难学的一门课：概念抽象、内容繁多。课前预习，上课认真听讲，做笔记。课后复习，独立、认真完成作业。热力学的直观语言很重要：P-V图、T-s图、h-s图、h-d图。适当地看一些参考书。五、参考书目《工程热力学》朱明善等清华大学出版社《工程热力学》庞麓鸣等高等教育出版社《工程热力学》严家騄编著，高教出版社工程热力学题型分析—朱明善等编，清华出版社六、作业第1章：5，8，10，14，16第2章：1，4，9，10，12第3章：1，3，4，8，9，12，16第4章：6，10，15，17，24，第5章：1，4，6，16，21，28，29第6章：1，3，8，9，12第7章：2，5，8，9，13，14，15第8章：1，5，7，12，13，14第9章：2，3，6，8，10，14第10章：1，4，12，15，18第11章：2，3，4，5，9，10第12章：1，3，9，10第13章：1，3，9，10第14章：2，3，4七、课时安排总课时为72课时，其中讲课68课时；实验4课时，由老师根据实际情况灵活安排。今天就到这里了！