1、能源与动力工程学院能源与动力工程学院Shool of Jet PropulsionEngineering Thermodynamics 尹幸愉尹幸愉 2011.10.19 教学团队教学团队丁水汀丁水汀老师老师尹幸愉尹幸愉老师老师黄丹萍黄丹萍 助教助教程会川程会川 助教助教彭于博彭于博 助教助教张传杰张传杰 助教助教13811035687188106012471881060123515910652261110414110416,100417，111311，111312100411100413111313 ，111314,其它其它答疑时间：答疑时间：周五下午周五下午4：30 5：30答疑地点：答疑
2、地点：吴宏吴宏老师老师孙纪宁孙纪宁老师老师北航学院路校区三馆北航学院路校区三馆3绪论绪论0-1. 什么是工程热力学什么是工程热力学0-2. 工程热力学的发展工程热力学的发展0-3. 课程内容及学习方法课程内容及学习方法40-1. 什么是工程热力学什么是工程热力学 Therme(heat) + dynamis(force)Thermodynamics希腊语热力学热力学： 研究研究能量能量及其相互转换规律的科学及其相互转换规律的科学 从工程技术观点出发从工程技术观点出发,研究研究热能热能与其它形式能量转换与其它形式能量转换规律及工程应用的科学规律及工程应用的科学工程热力学工程热力学：是什么?为什么
3、?是什么?怎么做?系统系统引起引起外界外界变化的能力变化的能力 热量热量 heat热能热能 thermal energy?5 据统计，经过热能形式而据统计，经过热能形式而被利用的能量在我国占被利用的能量在我国占90以上，世界上其它以上，世界上其它国家也超过国家也超过85能源利用的形式能源利用的形式在所有能源中，除了在所有能源中，除了风能、水能和海洋潮汐能风能、水能和海洋潮汐能是以机械能（是以机械能（Mechanical Energy）的形式直接被）的形式直接被人们利用以外，其它各种能源都是直接或间接人们利用以外，其它各种能源都是直接或间接地转变为热能（地转变为热能（Heat Energy）的形
4、式后，才被）的形式后，才被予以利用。予以利用。 热能向机械能和电能的转化热能向机械能和电能的转化是能源利用的主要形式是能源利用的主要形式能源是能够获得或转能源是能够获得或转换成热能、机械能、换成热能、机械能、电磁能、光能等等各电磁能、光能等等各种能量的资源种能量的资源热学热学（Thermal Physics ）热力学热力学(thermodynamics)统计物理学统计物理学(统计热力学统计热力学)(statistical physics) (1)平衡态热力学（经典热力学）平衡态热力学（经典热力学） (2)非平衡热力学非平衡热力学工程热力学工程热力学平衡态热力学及推广平衡态热力学及推广+热能工程
5、应用技术热能工程应用技术宏观法宏观法(系统法、唯象法、系统法、唯象法、)微观法微观法(结构法结构法)0-1. 什么是工程热力学什么是工程热力学传热学传热学(heat transfer)可逆可逆不可逆不可逆一、一、一、一、宏观方法宏观方法，又称，又称热力学方法热力学方法或或系统法系统法。 以归纳无数事实所得到的热力学第一定律和热力学第以归纳无数事实所得到的热力学第一定律和热力学第二定律为分析和推理的基础，对开放式或封闭式的热力二定律为分析和推理的基础，对开放式或封闭式的热力系统，当与外界有热量交换，或功交换时，通过描述系系统，当与外界有热量交换，或功交换时，通过描述系统特征的状态性质诸如温度、压
6、力和比容的变化，对物统特征的状态性质诸如温度、压力和比容的变化，对物体的宏观现象和宏观过程进行研究。体的宏观现象和宏观过程进行研究。二、二、微观方法微观方法，又称，又称统计热力学方法统计热力学方法 从物质的微观结构出发，应用力学的普遍规律来研究从物质的微观结构出发，应用力学的普遍规律来研究单个分子的运动，并根据概率论和统计平均的方法，研单个分子的运动，并根据概率论和统计平均的方法，研究大量微观粒子运动时所表现出来的宏观热现象所服从究大量微观粒子运动时所表现出来的宏观热现象所服从的规律。的规律。.热力学的两种研究方法热力学的两种研究方法第零定律第零定律工程热力学的基本定律及应用工程热力学的基本定
7、律及应用第一定律第一定律第二定律第二定律第三定律第三定律状态公理状态公理热机热机制冷机制冷机热平衡的传递性热平衡的传递性能量守恒能量守恒能量品质，过程的方向、条件、限度能量品质，过程的方向、条件、限度绝对零度的熵特性绝对零度的熵特性状态参数的独立变量状态参数的独立变量冰箱、空调、热泵、冰箱、空调、热泵、蒸汽机、内燃机、燃气轮机、蒸汽机、内燃机、燃气轮机、热能转热能转换装置换装置基基本本定定律律90-2. 工程热力学的发展工程热力学的发展0-2-1 量测技术的发展是物理定律建立的基础量测技术的发展是物理定律建立的基础1593伽利略伽利略 温度计温度计1724华伦海特华伦海特 华氏温标华氏温标17
8、42摄尔修斯摄尔修斯 摄氏温标摄氏温标荷兰荷兰瑞典瑞典意大利意大利1780J.Black布莱克布莱克英国英国热的强度（温度）不同于和热的数量（热量）不同，比热、潜热 概念。我国我国 用红、橙、黄、白、青判别炼铜火温用红、橙、黄、白、青判别炼铜火温春秋春秋晚期晚期100-2-2 第一定律在与永动机、热质说较量中产生第一定律在与永动机、热质说较量中产生彭塞利彭塞利1829法国法国法国法国1792-1843科里奥利科里奥利术语术语“功功”动能表达式动能表达式1799戴维戴维H.DavyH.Davy英国英国宣布宣布不再审查永动机设计不再审查永动机设计1775法国科学院法国科学院两块冰摩擦实验两块冰摩擦
9、实验宣告宣告热质说热质说失败失败德国德国迈尔迈尔守恒守恒思想、理论热功当量思想、理论热功当量1842焦耳焦耳论热功当量论热功当量、实测、实测热功当量热功当量1849英国英国110-2-3 第二定律发现更深刻揭示了热的本质第二定律发现更深刻揭示了热的本质基南基南美国美国1848开尔文开尔文英国英国开尔文说法开尔文说法德国德国卡诺卡诺1824法国法国卡诺定理卡诺定理1850克劳修斯克劳修斯克劳修斯说法、熵克劳修斯说法、熵1877玻尔滋曼玻尔滋曼熵与热力学概率关系熵与热力学概率关系意大利意大利1941可用能可用能120-2-4 第三定律给出最低绝对温度特性和熵零点第三定律给出最低绝对温度特性和熵零点
10、1912能斯特能斯特1906绝对零度熵等绝对零度熵等1927普郎克普郎克完美晶体熵零完美晶体熵零能斯特能斯特绝对零度达不到绝对零度达不到130-2-5 第零定律与状态公理的建立第零定律与状态公理的建立福勒福勒1931第零定律完备了温第零定律完备了温度的定义度的定义1662-1834波义耳、马略特、盖波义耳、马略特、盖. .吕萨克、吕萨克、克拉贝隆克拉贝隆理想气体方程的建立理想气体方程的建立简单可压缩物质的状态公理简单可压缩物质的状态公理1875吉布斯吉布斯吉布斯相律吉布斯相律: :多元复相的状态多元复相的状态公理公理140-2-6 热机的发展热机的发展1690法国法国 丹尼丹尼斯斯巴本巴本世界
11、上第一台世界上第一台活塞式蒸汽机活塞式蒸汽机（模型机模型机）高压锅高压锅(1681年）锅炉锅炉（吸热部件）、（吸热部件）、冷凝器冷凝器（放热部件）、（放热部件）、汽缸汽缸(膨胀作功部件膨胀作功部件)、泵泵(压缩部件压缩部件)四件合并四件合并水（水（工质工质）150-2-6 热机的发展热机的发展1696英国英国 马斯马斯. .萨费萨费里里“矿工之友矿工之友”蒸汽水泵蒸汽水泵吸热部件与放吸热部件与放热、膨胀作功、热、膨胀作功、压缩部件分离压缩部件分离水泵与蒸水泵与蒸汽机合并汽机合并160-2-6 热机的发展热机的发展1712英国英国 托马斯托马斯. .纽可门纽可门大气压力大气压力活活塞式蒸汽机塞式
12、蒸汽机吸热部件、压吸热部件、压缩部件分离缩部件分离水泵与蒸水泵与蒸汽机分离汽机分离放热与作功放热与作功部件合并部件合并热量损失大热量损失大170-2-6 热机的发展热机的发展1763-1784英国英国 瓦特瓦特第一台具有现第一台具有现代意义的双向代意义的双向活塞式蒸汽机活塞式蒸汽机冷凝器冷凝器吸热、放热、吸热、放热、作功、压缩作功、压缩部件全分离部件全分离汽缸汽缸活塞式蒸汽机传动机构复活塞式蒸汽机传动机构复杂，随转速的提高，其不杂，随转速的提高，其不平衡惯性力会产生振动平衡惯性力会产生振动 18从汽转球到蒸汽轮机从汽转球到蒸汽轮机公元一世纪古希腊古希腊 赫隆赫隆世界上第一台蒸汽轮机世界上第一台
13、蒸汽轮机（汽转球）（汽转球）小涡轮小涡轮蒸汽轮机蒸汽轮机19热机热机外燃机外燃机蒸汽蒸汽轮机轮机采用蒸汽动力的火力发电厂采用蒸汽动力的火力发电厂冷凝器冷凝器汽轮机汽轮机锅炉锅炉水泵水泵21锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1234过热器过热器4321Ts12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀34 给水泵给水泵 s 压缩压缩蒸汽动力循环蒸汽动力循环23 凝汽器凝汽器 T 放热放热41 锅炉锅炉 p 吸热吸热火电厂火电厂主要设主要设备示意备示意蒸汽机体积大，启动慢，热效率低蒸汽机体积大，启动慢，热效率低231876德国德国 奥托奥托点燃式内燃机点燃式内燃机（煤气）（煤气）内燃机内燃
14、机(煤气机、汽煤气机、汽油机、柴油机油机、柴油机)的燃的燃烧在工质内部烧在工质内部内燃机（活塞式）内燃机（活塞式）1.1.2 1.1.2 基本术语基本术语1.上止点：活塞离曲轴回转中心最远处，通常指活塞上行到最高位置。 2.下止点：活塞离曲轴回转中心最近处，通常指活塞下行到最低位置。 3.活塞行程(S)：上、下两止点间的距离(mm)。 4.曲柄半径(R)：与连杆下端(即连杆大头)相连的曲柄销中心到曲轴回转中心的距离(mm)。 曲轴每转一转，活塞移动两个行程。 5.气缸工作容积(h)：活塞从上止点到下止点所让出的空间容积(L)。 h =D2S/(4106) (L) 式中：D气缸直径(mm)。 6
15、.发动机排量(L)：发动机所有气缸工作容积之和(L)。设发动机的气缸数为i，则 L =h i (L) 7.燃烧室容积(C)：活塞在上止点时，活塞上方的空间叫燃烧室，它的容积叫燃烧室容积(L)。 8.气缸总容积(a)：活塞在下止点时，活塞上方的容积称为气缸总容积(L)。它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和，即 a =h +C 25吸气吸气四冲程汽油机四冲程汽油机燃烧及膨胀燃烧及膨胀压缩压缩排气排气吸热与作功吸热与作功放热放热点燃式内燃机的爆燃点燃式内燃机的爆燃压缩比过大产生爆燃压缩比过大产生爆燃正常燃烧正常燃烧压缩比压缩比=总容积总容积/燃烧室容积燃烧室容积27汽油标号汽油标号是实际汽油抗爆性与标
16、准汽油的抗爆性的比值。 标号越高，抗爆性能就越强。标准汽油是由异辛烷和正庚烷组成。异辛烷的抗爆性好，其辛烷值定为100；正庚烷的抗爆性差，在汽油机上容易发生爆震，其辛烷值定为0。如果汽油的标号为90，则表示该标号的汽油与含异辛烷90%、正庚烷10%的标准汽油具有相同的抗爆性。并不是标号越高越好，要根据发动机压缩比合理选择汽油标号。280-2-6 热机的发展热机的发展1897德国德国 狄塞狄塞尔尔压燃式内燃机压燃式内燃机（柴油）（柴油）从走马灯到燃气轮机从走马灯到燃气轮机公元十二世纪南宋中国中国走马灯走马灯进气道进气道压气机压气机燃烧室燃烧室涡轮涡轮尾喷管尾喷管风扇风扇外涵道外涵道内涵道内涵道3
17、00-2-6 热机的发展热机的发展1872美国美国 布雷布雷顿顿燃汽轮机燃汽轮机（地面）（地面）航空发动机航空发动机二战前活塞式发动机活塞式发动机二战后燃汽轮机燃汽轮机涡喷式涡喷式涡扇式涡扇式燃气轮机装置示意图燃气轮机装置示意图利用高温燃气直接推动燃气涡轮（透平）产生旋转运动的动力机械。压气机压气机(compressor) 燃烧室燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机燃气轮机(gas turbine)喷气发动机喷气发动机冷凝器冷凝器（大气）（大气）33制冷机制冷机 (冰箱冰箱)从热机发展到制冷机从热机发展到制冷机34制冷循环制冷循环Ts12344123蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器
18、压缩机压缩机节流阀节流阀冷藏室冷藏室环境环境35工质工质 (working substance; working medium)定义定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原工质性质的研究是本学科的重要内容之一。原则上气、液、固三态物质都可作为工质，但热则上气、液、固三态物质都可作为工质，但热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，为使能量有效而迅速质的体积变化来实现的，为使
19、能量有效而迅速的转换，常选气态物质作为工质的转换，常选气态物质作为工质。 36热能转换的特点及研究问题热能转换的特点及研究问题工质连续周期性（循环）改变状态，经历升压、膨工质连续周期性（循环）改变状态，经历升压、膨胀以及向热源吸（放）热等过程，实现能量转换胀以及向热源吸（放）热等过程，实现能量转换.能量、热量（能）、热源、状态及状态量、过程及过程能量、热量（能）、热源、状态及状态量、过程及过程量、循环、功。的确切含义？量、循环、功。的确切含义？热机可否只吸热不放热？热机可否只吸热不放热？制冷机可否不耗能，实现热量低温到高温的传递？制冷机可否不耗能，实现热量低温到高温的传递？如何提高热能装置的效
20、率？如何提高热能装置的效率？。工质的性质对转换的影响？工质的性质对转换的影响？370-3. 课程内容及学习方法课程内容及学习方法绪论基本概念及定义基本概念及定义第一章热力学第一定律热力学第一定律第二章2-1 to 2-7气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质第三章3-1 to 3-7气体和蒸汽的基气体和蒸汽的基本热力过程本热力过程第四章4-1 to 4-7第五章热力学第二定律热力学第二定律380-3. 课程内容及学习方法课程内容及学习方法第六章气体动力循环气体动力循环第九章6-1 to 6-4第十章10-1 to 10-5实际气体的性质实际气体的性质蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环第十二章理想气体混
21、合物及湿空气理想气体混合物及湿空气39建议的学习方法建议的学习方法参考文献法参考文献法从课堂接受问题从课堂接受问题通过参考文献弄清问题通过参考文献弄清问题消化消化归纳总结问题归纳总结问题要点是自主学习！课程是学要点是自主学习！课程是学懂的，不是听懂的懂的，不是听懂的!以问题为中心以问题为中心0.2 课程特点40教学网站与考核方式教学网站与考核方式163邮箱考核方式考核方式平时成绩平时成绩20 无迟交作业和缺课得满分无迟交作业和缺课得满分迟交两次以上迟交两次以上0分。期末考试分。期末考试80 绪论绪论2012.ppt，邮址邮址gongre_密码密码123456123456工热课件工热课件office公式升级软件公式升级软件MathType
