1、工程热力学绪论本讲内容CH0 绪论1 工程热力学简介工程热力学简介2 热力学发展史热力学发展史3 教学安排与学习要求教学安排与学习要求思考题CH0 绪论 1 了解工程热力学发展简史； 2 理解热能和机械能连续转换需要满足的条件。CH0 绪论0.1 工程热力学简介课程性质研究对象研究内容研究方法0.2 热力学发展史理论热力学四大定律 实践热机热力学领域的科学大家0.3 教学安排与学习要求0.1 工程热力学简介 工程热力学： 是一门从工程观点来论述热力学普遍原理及其各种应用的基础性应用学科。 本课程的性质： 专业基础课 节能分析的理论基础 过程装备设计的理论基础之一工程热力学：工程热力学： 热能与
2、机械能转换热能与机械能转换物理热力学物理热力学化学热力学化学热力学生物热力学生物热力学溶液热力学溶液热力学热热力力学学传热传热学学热热工工基基础础世界能源状况全球能源消费增长迅速 全球能源危机石油价格波动热力学第二定律 18541855年 S汽车工作介质气体或者蒸汽内燃机：煤气机、汽油机、柴油机从微观粒子的运动及相互作用角度以研究热现象及规律。最早的内燃机煤气机Kenneth G.他还提出热力学能U和熵S的概念。1920年诺贝尔化学奖1862年，法国工程师德罗沙提出等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。理论热力学四大定律1897年提出了实用的Diesel 内燃机循环。中国平均供电耗
3、煤量的变化常见能量转换设备的能量利用率热力学领域的科学大家：发现能量子（量子理论） 热二律1924年，美国康明斯公司正式采用了泵喷油器，这一发明有效地降低了柴油机的质量 。常见能量转换设备的能量利用率原则:检查参与教学活动的情况勾股定理 微生物的存在 血液循环 物种进化 基因1924年，在柏林汽车展览上，MAN公司展示了一台装备柴油机的卡车，这是第一台装有柴油机的汽车。（开尔文说法）不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响。工程热力学主要研究热能的有效利用以及热能和其它形式能量转换规律。热力学领域的科学大家：汽车 制冷空调 (非热机） 200%热力学第一定律 18401850年
4、 E1968年诺贝尔化学奖从微观粒子的运动及相互作用角度以研究热现象及规律。本质：在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性。中国能源需求与生产差额中国与世界工业能耗比较中国平均供电耗煤量的变化冶金化肥耗煤量比较节能是我们的责任我国主要部门节能潜力：钢铁工业钢铁工业 24%建材工业建材工业 13-22%石化石化 10-24%合成氨合成氨 6-18%有色金属有色金属 4-10%交通部门交通部门: 公路公路 20-50% 铁路铁路 10-30% 民航民航 16-34% 政府机构：政府机构： 15-20%节能是近年来的基本国策节能是近年来的基本国策“开发和节约并重开发和节约并重
5、”节能任重道远！节能任重道远！节能是我们的责任！节能是我们的责任！0.1 工程热力学简介 工程热力学的研究对象： 工程热力学主要研究工程热力学主要研究热能的有效利用热能的有效利用以及以及热能和其它热能和其它形式能量转换规律形式能量转换规律。 热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。的源泉。 恩格斯恩格斯能源转换利用的关系热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源( (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光电转换光电转换燃料电池燃料电池光热光热聚变聚变裂变裂变燃
6、烧燃烧水车水车水轮机水轮机风车风车热机热机电动机电动机发电机发电机85%转转换换直接利用直接利用利用利用生物质生物质生活中常见的能量转换设备锅炉 冰箱 汽车汽轮机 空调 飞机蒸汽动力装置 热电厂蒸汽机车(化学能热能机械能电能)1、热源，冷源2、工质（水，蒸汽）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热)燃气轮机装置 飞机坦克(化学能热能机械能）1、热源，冷源2、工质（燃气） 3、膨胀做功4、循环 (加压、加热、膨胀做功、放热)内燃机装置 汽车火车(化学能热能机械能）空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气1、热源，冷源2、工质（燃气）3、膨胀做功4、循环 (加压、
7、加热、膨胀做功、放热)制冷装置 冰箱 空调 (电能机械能热能) 1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环 (加压、放热、膨胀、吸热)热能与其他形式能之间转换的条件热源、冷源工作介质气体或者蒸汽容积变化循环 吸热（蒸发）膨胀（节流）压缩 冷凝（放热）常见能量转换设备的能量利用率 发电（火力、核能） 40% 车辆发动机（内燃机） 2535% 轮船发动机 2535% 航空发动机 2030% 制冷空调 (非热机） 200%(18321891)应用：有效解决了计算平衡常数问题和许多工业生产难题。本质：在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性。常见能量转换设备的能
8、量利用率过程装备设计的理论基础之一中国中文版机械工程教材的奠基者。1830年，法国萨迪卡诺：“准确地说，能量既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。3工程热力学教学安排与学习要求1876年，德国人奥托(Nicolaus Auguest Otto) 发明了四冲程煤气机，热效率相当于当时蒸汽机的两倍 。本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用。热力学领域的科学大家：1847年，亥姆霍兹（H.内燃机：煤气机、汽油机、柴油机1897年，狄塞尔制成了第一台压缩点火的“狄塞尔”内燃机，即柴油机。(17961832)0.1 工程热力学简介 工程热力学的研究内容：1）基本概念、基本定律；2）工质的热
9、力性质；3）热力过程、热力循环；4）热功转换设备、工作原理；5）节能分析。6）溶液热力学！7）化学热力学！0.1 工程热力学简介 工程热力学的研究方法：1、宏观方法： 将研究对象看作连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。 特点：可靠，普遍，不能任意推广 应用：经典 （宏观,平衡）热力学 化工装备及过程领域2、微观方法： 从微观粒子的运动及相互作用角度以研究热现象及规律。 特点：揭示本质，模型近似 应用：微观（统计）热力学 宏观基本实验规律宏观基本实验规律热现象规律热现象规律逻辑推理逻辑推理对微观结构提出模型、假设对微观结构提出模型、假设统计方法统计方法热现象规律热现象规律
10、0.2 热力学发展史 理论发展热力学四大定律：热力学第零定律 1931年 T热力学第一定律 18401850年 E热力学第二定律 18541855年 S热力学第三定律 1906年 S 基准人类最伟大的十个科学发现：勾股定理 微生物的存在 血液循环 物种进化 基因牛顿运动定律物质的结构电流热力学四大定律 光的波粒二象性热力学第零定律（R.W. Fowler in 1931）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论基础。 B 温度计热力学第零定律对温度的研究 1593年，伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计的雏形。 1702年，阿蒙
11、顿制成空气温度计，但不准确。 1724年，荷兰工人华伦海特在他的论文中，建立了华氏温标，首先使用水银代替酒精。 1742年，瑞典的摄尔修斯定义水的沸点为0度，冰的熔点为100度，后施勒默尔将两个固定点倒过来建立了摄氏温标。 1779年，全世界有温标19种。 1848年，开尔文发表论文建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标。 1854年，开尔文提出的开氏温标，得到世界公认。热力学第一定律内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用。 能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯曾将它和进化论、细胞学说并
12、列为三大发现。成因： 理论迈耶 实验焦耳 数学形式亥姆霍兹热力学第一定律的发展 1830年，法国萨迪卡诺：“准确地说，能量既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。” 1836年，俄国的赫斯说：“不论用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的。” 1842年，迈耶（J.R. Mayer）发表了论无机性质的力的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人，但当时没有引起重视。 1847年，亥姆霍兹（H.L. Helmholtz）发表著名论文力的守恒，把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒。 1840-1849年，焦耳
13、（Joule）用多种实验的一致性证明热一律，于1950年发表并得到公认。 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律。热力学第二定律 内容： 各种说法等价（克劳修斯说法）热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。 （开尔文说法）不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响。 本质：在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性。 条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程，并且该系统是线性的、各向同性的。而不适用于少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。热力学第二定律的发展 1832年，卡诺谈谈火的动力和能发动这种动
14、力的机器。 1834年，克拉派隆（Benoit Paul Emile Clapeyron）论热的动力。 1850年，克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述 。 1851年，开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法 。 1859年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。 1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Eduard Boltzmann）发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系。 热力学第三定律及其发展 内容：在绝对零度，任何完美晶体的熵为零。 应用：有效解决了计算平衡常数
15、问题和许多工业生产难题。 发展： 1906年，德国物理化学家能斯特（Walther Hermann Nernst）根据对低温现象的研究得出了能斯特热定理。 1911年，德国物理学家普朗克也提出了对热力学第三定律的表述，即“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”。 1912年，能斯特进一步推论出绝对零度不能达到原理。0.2 热力学发展史 实践发展热机： 蒸汽机蒸汽机 内燃机：煤气机、汽油机、柴油机内燃机：煤气机、汽油机、柴油机 燃气轮机燃气轮机蒸汽机的发展 “蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证实了一个巨大的历史进步。”1695年，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作
16、不便， 不安全。1705年，钮科门和科里制造了新的蒸汽机，有一定实用价值，但用水冷 却气缸，能量损失很大。1769年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断 续变连续，蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲工业革命。1785年，蒸汽机机被应用于纺织。1807年，蒸汽机机被美国人富尔顿应用于轮船。1825年，蒸汽机被用于火车和铁路。内燃机的发展最早的内燃机煤气机 18241824年年，法国工程师卡诺(Sadi Carnot) 发表热力发动机的经典理论卡诺定理。 18601860年年，法国莱诺制成了第一台实用内燃机单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，热效率为4%。 18621862
17、年年，法国工程师德罗沙提出等容燃烧四冲程循环：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。 18761876年年，德国人奥托(Nicolaus Auguest Otto) 发明了四冲程煤气机，热效率相当于当时蒸汽机的两倍 。把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体 。等容燃烧四冲程循环由奥托实现,也被称为奥托循环。Kenneth G.热力过程 （4学时） 他还提出热力学能U和熵S的概念。中国能源需求与生产差额Ilya Prigogine基本概念 （2学时）热力学第三定律 1906年 S 基准1854年，开尔文提出的开氏温标，得到世界公认。1859年，麦克斯韦（James Clerk Maxwel
18、l）用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。工程热力学主要研究热能的有效利用以及热能和其它形式能量转换规律。热力学领域的科学大家：条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程，并且该系统是线性的、各向同性的。热力学领域的科学大家：3 教学安排与学习要求1850年，克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述 。内燃机的发展汽油机 18831883年年，戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机，此发动机上安装了迈巴赫设计的化油器，还用白炽灯管解决了点火问题。同时，本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。 2020世纪世纪2
19、020年代年代，美国的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铅，解决了爆震的问题，使压缩比从4提高到了8，大大提高了汽油机的功率和热效率。 2020世纪世纪2020年代年代，英国的里卡多及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的研究，改进了燃烧室，使汽油机的功率提高了20%。 2020年代后期到年代后期到4040年代早期年代早期，发明了废气涡轮增压，可使气压增至1.41.6大气压。内燃机的发展柴油机 18921892年年，德国的狄塞尔博士获得压缩点火压缩机的技术专利。 18971897年年，狄塞尔制成了第一台压缩点火的“狄塞尔”内燃机，即柴油机。 19241924年年，美国康明斯公司正式采用了
20、泵喷油器，这一发明有效地降低了柴油机的质量 。 19241924年年，在柏林汽车展览上，MAN公司展示了一台装备柴油机的卡车，这是第一台装有柴油机的汽车。 19361936年年，奔驰公司生产出了第一台柴油机轿车260D。 2020世纪世纪7070年代以后年代以后，博世公司把电控汽油机喷射技术引用回柴油机。0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家： 卡诺 (17961832) 法国 1824 年发表了著名的论文火的动力的思考,阐述了卡诺循环及卡诺定理。n 迈耶 J. R. Mayer n(18141878)n 德国n 1842 年提出了能量转换定律0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家：
21、亥姆霍兹 H.L. Helmholtz (18141878) 德国 1847 年推导出能量转换定律。n开尔文 L. Kelvinn(18241907)n 英国n 1848年建立了热力学温标。0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家： 克劳修斯 (18221888) 德国 1850年第一个阐述了两个基本规律：热力学第一、第二定律。他还提出热力学能U和熵S的概念。n朗肯 n(18201872)n 英国n1853年提出“热效率”概念，并于1854年提出p-v图，1859年出版第一本热力学教科书。0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家： 奥托 N.A. Otto (18321891) 德国 18
22、76年制造了使用Otto循环的内燃机。n布雷顿 G.B. Braytonn(18301892)n 美国n 1876年制造了使用Brayton 循环的内燃机。0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家： 吉布斯 J.W. Gibbs (18391903) 美国 1878 年发表相律，并建立了T-s图和多相系平衡的热力学分析方法。n狄塞尔 n(18581913)n 德国n 1897年提出了实用的Diesel 内燃机循环。0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家： J.D.范.德瓦尔斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷兰 气体和液体状态方程 1910年诺贝尔
23、物理学奖n M.普朗克 Max Planckn (1858-1947)n 德国n 发现能量子（量子理论） 热二律n 1918年诺贝尔物理学奖0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家： W.H.能斯脱 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德国 热化学，熵基准 1920年诺贝尔化学奖n L.昂萨格 Lars Onsagern (1903-1976)n 美国n 不可逆过程热力学理论n 1968年诺贝尔化学奖0.2 热力学发展史 热力学领域的科学大家：n I.普里戈金 Ilya Prigoginen (1917-)n 比利时n 热力学的耗散结构理论n 1977年诺贝
24、尔化学奖n K.G.威尔逊n Kenneth G. Wilsonn (1936-)n 美国n 临界重整化群理论n 1982年诺贝尔物理奖1910年诺贝尔物理学奖(1903-1976)汽轮机 空调 飞机热力循环 （3学时）本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用。锅炉 冰箱 汽车1853年提出“热效率”概念，并于1854年提出p-v图，1859年出版第一本热力学教科书。Ilya Prigogine讨论和习题 （4学时）1878 年发表相律，并建立了T-s图和多相系平衡的热力学分析方法。把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体 。热力学领域的科学大家：3工程热力学教学安排与学习要求17
25、69年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断多练习，认真完成课后作业，理解思考题0.2 热力学发展史 热力学领域的中国学者：n侯虞钧院士n 中国.浙江大学n 马丁侯(MH)方程n刘仙洲n 中国.北洋/东北/清华大学n中国中文版机械工程教材的奠基者。nEntropy和Enthalpy译为“熵”和“焓”0.3工程热力学教学安排与学习要求 教学目标：1 1 掌握热力学基本概念、基本定律和基本理论；掌握热力学基本概念、基本定律和基本理论；2 2 熟悉工质的基本性质和实际热工装置的基本原理；熟悉工质的基本性质和实际热工装置的基本原理；3 3 学会对工程实际问题进行抽象、简化和以能量方程
26、、熵方程、学会对工程实际问题进行抽象、简化和以能量方程、熵方程、火用火用方程为基础的分析方法。方程为基础的分析方法。0.3工程热力学教学安排与学习要求 教材和参考书：毕明树毕明树, ,等等. .工程热力学工程热力学( (第二版第二版).).化学工业出版社化学工业出版社, 2008.1 , 2008.1 配套：毕明树配套：毕明树, ,等等. .工程热力学学习指导工程热力学学习指导 .2005.8 .2005.8 沈维道沈维道, ,等等. .工程热力学工程热力学. .高教出版社高教出版社曾丹苓曾丹苓, ,等等. .工程热力学工程热力学.高教出版社高教出版社朱明善朱明善, ,等等. .热力学分析热力
27、学分析.高教出版社高教出版社朱明善朱明善, ,等等. .工程热力学题型分析工程热力学题型分析. .清华出版社清华出版社0.3工程热力学教学安排与学习要求 教学计划： （48学时）绪论 （2学时） 基本概念 （2学时） 基本定律 （4学时） 工质性质 （4 学时） 热力过程 （4学时） 火用分析基础 （1学时） 热力循环 （3学时） 溶液热力学 （4学时） 化学热力学 （4学时） 1. 讨论和习题 （4学时）0.3工程热力学教学安排与学习要求 工程热力学的特点： 概念多 约280 公式多 约480（仅统计有编号的公式） 内容多。其主要部分可概括为“一种工质、两个基本定律、三个守恒方程、四个热力过程、五方面应用”。 抽象难懂 工程热力学的学习方法： 抓住主线热、功转换 牢固掌握基本概念、基本定律、基本公式 提高工程意识，学会简化 多看图表，变抽象为形象 多练习，认真完成课后作业，理解思考题0.3工程热力学教学安排与学习要求教学方式1 讲课/讨论/自学 教三 学五 考七2 随堂小考（出勤） 3 思考题和课外作业 考核方法1 平时成绩 30%原则:检查参与教学活动的情况方式:随堂考试10%+课外作业20%2 期末考试 70%原则:检查理解和综合运用能力方式:闭卷考试3 加分（计入平时成绩)原则:奖励积极参与教学研讨方式:报告/讨论
