1、MECHNICAL ENGINEERING SCHOOL机械工程导论机械工程导论第六章第六章 热和能量系统热和能量系统F 概述F 机械的能量、功和功率F 能量的热传导F 能量的守恒和转换F 发动机原理及功效本本章章内内容容6.1 6.1 概述概述 能（能（energyenergy）：）：物质运动的一种度量。对物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式，能量也有各种应于物质的各种运动形式，能量也有各种形式，彼此可以互相转换，但总量不变。形式，彼此可以互相转换，但总量不变。也称为能量。也称为能量。能量分为机械能、分子内能、电能、化学能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等能、原子能等。热
2、力学中的能量主要指热能和由热能转换热力学中的能量主要指热能和由热能转换而成的机械能。而成的机械能。与宏观物体的机械运动对与宏观物体的机械运动对应的能量形式是应的能量形式是动能动能；与分子运动对应的能量形与分子运动对应的能量形式是式是热能热能；与原子运动对应的能量形与原子运动对应的能量形式是式是化学能化学能；与带电粒子的定向运动对与带电粒子的定向运动对应的能量形式是应的能量形式是电能电能；与光子运动对应的能量形与光子运动对应的能量形式是式是光能光能；当运动形式相同时：当运动形式相同时：两个物体的运动特性可以采用某些物两个物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述和比较。例如，两个理量或化学量
3、来描述和比较。例如，两个作机械运动的物体可以用速度、加速度、作机械运动的物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述和比较；两股作定向动量等物理量来描述和比较；两股作定向运动的电流可以用电流强度、电压、功率运动的电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述和比较。等物理量来描述和比较。当运动形式不相同时：当运动形式不相同时：两个物质的运动特性唯一可以相互描两个物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量，即能量特性述和比较的物理量就是能量，即能量特性是一切运动着的物质的共同特性，能量尺是一切运动着的物质的共同特性，能量尺度是衡量一切运动形式的通用尺度。度是衡量一切运动形式的通用尺度。能量
4、的单位能量的单位 能量以各种形式，出现在不同的运动中，能量以各种形式，出现在不同的运动中，并通过作功、传热等方式进行转换。并通过作功、传热等方式进行转换。能量的单位为能量的单位为焦、千瓦时、电子伏（特）焦、千瓦时、电子伏（特）等等。能量在物理中的符号一般是能量在物理中的符号一般是E E，其国际单位，其国际单位是焦耳是焦耳J J，量纲，量纲M M*L2L2*T(-2)T(-2)。除焦尔外常。除焦尔外常用的还有用的还有千瓦小时千瓦小时kWhkWh和卡和卡calcal：质能关系质能关系 在在狭义相对论狭义相对论中，能量和另一个重要物理中，能量和另一个重要物理概念即质量联系在一起了，建立了质能关概念即
5、质量联系在一起了，建立了质能关系公式：系公式：E Emcmc2 2，即质量和能量就是一个东，即质量和能量就是一个东西，是一个东西的两种表述。质量就是内西，是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。敛的能量，能量就是外显的质量。爱因斯坦：爱因斯坦：“质量就是能量，能量就是质质量就是能量，能量就是质量。时间就是空间，空间就是时间量。时间就是空间，空间就是时间。”工程热力学的概念工程热力学的概念 热力学热力学是研究热现象中，物质系统在平衡是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学态发生
6、变化时，系统与外界相互作用的学科。科。工程热力学工程热力学是热力学最先发展的一个分支，是热力学最先发展的一个分支，它主要研究它主要研究热能热能与与机械能机械能和和其他能量之间其他能量之间相互相互转换转换的规律及其应用，是机械工程的的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。重要基础学科之一。工程热力学的基本任务工程热力学的基本任务 基本任务：基本任务：通过对热力系统、热力平衡、通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和机和热泵的工
7、作循环，提高热能利用率和热功转换效率。热功转换效率。工程热力学具体研究内容工程热力学具体研究内容 以热力学基本定律为依据，探讨各种热力以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；过程的特性；研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和凝结等相变规律；和凝结等相变规律；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，应过程，溶解吸收或解吸等物理化学过程，这就又涉及化学热力学方面的基本知识。这就又涉及化学热力学方面的
8、基本知识。工程热力学是关于热现象的宏观理论，研工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的得到的热力学第一定律热力学第一定律、热力学第二定律热力学第二定律和和热力学第三定律热力学第三定律作为理论基础，通过物作为理论基础，通过物质的压力质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。象和热力过程进行研究。工程热力学的历史发展工程热力学的历史发展 古代人类古代人类取火和用火；取火和用火；直到直到1717世纪末，人们还
9、不能正确区分温度世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。和热量这两个基本概念的本质。1709170917141714年华氏温标和年华氏温标和1742174217451745年摄年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。实验科学的道路。17981798年，朗福德（美国年，朗福德（美国-英国物理学家）观英国物理学家）观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的
10、结果使钻头和筒身都升温。使钻头和筒身都升温。17991799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由使表面融化，这显然无法由“热质说热质说”得得到解释。到解释。18421842年，德国的迈尔提出了能量守恒理论，年，德国的迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。热容之差计算出热功当量。英国物理学家焦耳于英国物理学家焦耳于18401840年建立电热当量年建立电热当量的概念；的概念；18421842年以
11、后用不同方式实测了热功当量；年以后用不同方式实测了热功当量；18501850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了抛弃了“热质说热质说”。公认能量守恒、能的。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。命名的。18241824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二
12、定律。但受第二定律。但受“热质说热质说”的影响，他的的影响，他的证明方法还有错误。证明方法还有错误。18481848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。制定了热力学温标。18501850年和年和18511851年，德国的克劳修斯和开尔年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。础上重新证明了卡诺定理。1850185018541854年，克劳修斯根据卡年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确热力学第一定律和第二定律
13、的确认，对于两类认，对于两类“永动机永动机”的不可的不可能实现作出了科学的最后结论，能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了力学。同时也形成了“工程热力工程热力学学”这门技术科学，它成为研究这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。推进机等相继取得迅速进展。与此同时，在应用热力学理论研究物质性与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物
14、质各种性质的相应的热力学找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律液特性方面所遵循的各种规律 。19061906年，德国的能斯脱在观察低温现象和年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；化学反应中发现热定理；19121912年，这个定理被修改成热力学第三定年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。律的表述形式。F二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对
15、与成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。研究发生了很大兴趣。工程热物理学学科方向及进展工程热物理学学科方向及进展 工程热力学和能源学科工程热力学和能源学科F热力学基础研究方面，在统计热力学及分热力学基础研究方面，在统计热力学及分子模拟领域有两方面进展：子模拟领域有两方面进展：F一方面是分形理论等新的分析手段的引进，一方面是分形理论等新的分析手段的引进，取得了好的效果；取得了好的效果；F另一方面，统计热力学及分子模拟研究开另一方面，统计热力学及分子模拟研究开始向实用化迈进。始向实用化迈进。F为满足国家节能减
16、排的重大需求，各种余为满足国家节能减排的重大需求，各种余热驱动、低温余热利用以及大温差的制冷热驱动、低温余热利用以及大温差的制冷循环研究不断深入，吸收、吸附式制冷循循环研究不断深入，吸收、吸附式制冷循环，复叠式制冷循环以及水基有机混合物环，复叠式制冷循环以及水基有机混合物相变蓄冷等新型蓄能技术被广泛研究。热相变蓄冷等新型蓄能技术被广泛研究。热声理论得到快速发展的同时，热声制冷和声理论得到快速发展的同时，热声制冷和热声发电技术在实验、应用方面的研究进热声发电技术在实验、应用方面的研究进展很快。展很快。F可再生能源与温室气体控制是能源与环境可再生能源与温室气体控制是能源与环境领域研究的重要主题。领
17、域研究的重要主题。F我国近年来经历了对各种太阳能热发电形我国近年来经历了对各种太阳能热发电形式的关键技术研究，并启动了国家太阳能式的关键技术研究，并启动了国家太阳能热发电技术专项研究。太阳能光催化分解热发电技术专项研究。太阳能光催化分解水制氢研究在催化剂、制氢设备和制氢系水制氢研究在催化剂、制氢设备和制氢系统等方面取得实验室进展。太阳能燃料转统等方面取得实验室进展。太阳能燃料转换技术的研究有望实现实用化的太阳能燃换技术的研究有望实现实用化的太阳能燃料开发。料开发。F在生物质发电、生物质制氢和液体燃料等在生物质发电、生物质制氢和液体燃料等方面也取得一定进展。我国学者首次提出方面也取得一定进展。我
18、国学者首次提出了能源转换利用与了能源转换利用与COCO2 2分离一体化原理，实分离一体化原理，实现低能耗甚至无能耗分离现低能耗甚至无能耗分离COCO2 2，研究制定了，研究制定了适合我国国情的温室气体控制技术路线。适合我国国情的温室气体控制技术路线。传热传质分学科传热传质分学科 在导热研究方面，随着超快速激光加热技在导热研究方面，随着超快速激光加热技术以及术以及MEMS/NEMSMEMS/NEMS（微电子机械系统（微电子机械系统Micro-Micro-electromechanical Systems/Nano-electromechanical Systems/Nano-Electromec
19、hanical System,Electromechanical System,）等微纳科技）等微纳科技的发展，导热过程在时间尺度、空间尺度、的发展，导热过程在时间尺度、空间尺度、环境温度以及热流密度等都在向极端状况环境温度以及热流密度等都在向极端状况扩展。微纳尺度下的导热规律的研究是传扩展。微纳尺度下的导热规律的研究是传热学发展的新的重要研究方向，它对微纳热学发展的新的重要研究方向，它对微纳热电转换装置等高科技产品的研发具有重热电转换装置等高科技产品的研发具有重要的意义。要的意义。对流传热的研究在保留了经典方向的深化对流传热的研究在保留了经典方向的深化和再认识拓展等内容之外，多趋向复杂和和再
20、认识拓展等内容之外，多趋向复杂和交叉领域。非线性问题，湍流直接模拟，交叉领域。非线性问题，湍流直接模拟，微尺度、跨尺度问题是自然对流研究的主微尺度、跨尺度问题是自然对流研究的主要方向。对流换热过程强化和优化的研究要方向。对流换热过程强化和优化的研究热点是换热器和换热网络中的场协同理论、热点是换热器和换热网络中的场协同理论、节能型强化技术的开发，以及污垢形成机节能型强化技术的开发，以及污垢形成机理以及新型抗垢技术。理以及新型抗垢技术。辐射传热目前的发展趋势是研究内容的深辐射传热目前的发展趋势是研究内容的深化，以及趋向复杂和交叉领域，以符合航化，以及趋向复杂和交叉领域，以符合航空航天、红外探测、目
21、标与环境的红外特空航天、红外探测、目标与环境的红外特性、强激光及应用、功能材料制造以及生性、强激光及应用、功能材料制造以及生物医学等现代高新技术发展对辐射传热的物医学等现代高新技术发展对辐射传热的需求。需求。我国工程热物理学科前景展望我国工程热物理学科前景展望 学科发展目标：学科发展目标：建立一支结构合理、精干和稳定的基建立一支结构合理、精干和稳定的基础性研究队伍，扶持与建设一批比较先进础性研究队伍，扶持与建设一批比较先进的工程热物理与能源利用的研究基地，使的工程热物理与能源利用的研究基地，使我国工程热物理学科基础研究有更多的分我国工程热物理学科基础研究有更多的分支和领域接近或达到国际先进水平
22、；支和领域接近或达到国际先进水平；孕育创新思想、积累科学储备，为解孕育创新思想、积累科学储备，为解决制约我国经济发展的能源重大关键问题决制约我国经济发展的能源重大关键问题确定技术发展方向和奠定科学基础，并为确定技术发展方向和奠定科学基础，并为相关的能源高新技术和产业的发展提供科相关的能源高新技术和产业的发展提供科学源泉与支撑。学源泉与支撑。学科发展的重点学科发展的重点继续加强工程热物理学科基础研究，注重继续加强工程热物理学科基础研究，注重能源环境、能源材料、能源生物等能源环境、能源材料、能源生物等学科交叉和领域渗透，使我国工程热物理学科交叉和领域渗透，使我国工程热物理学科适应能源、环境问题的需
23、求，争取在学科适应能源、环境问题的需求，争取在若干有相对优势的学科跻身于世界先进行若干有相对优势的学科跻身于世界先进行列；列；解决化石能源发展和应用中的关键问题，解决化石能源发展和应用中的关键问题，发展与开拓科学的途径与方法，使常规化发展与开拓科学的途径与方法，使常规化石能源，特别是煤炭成为高效、洁净、稳石能源，特别是煤炭成为高效、洁净、稳定、廉价的能源；定、廉价的能源；为推动可再生能源发展及其关键技术开为推动可再生能源发展及其关键技术开发，提供科学源泉和支撑，以不断改善发，提供科学源泉和支撑，以不断改善我国能源消费结构和加快能源结构多元我国能源消费结构和加快能源结构多元化，建立可持续发展能源
24、系统；化，建立可持续发展能源系统；加强能源转换的物理化学生物学基础研加强能源转换的物理化学生物学基础研究，为煤炭洁净利用、石油战略储备、究，为煤炭洁净利用、石油战略储备、规模化蓄能、生物质能开拓等奠定科学规模化蓄能、生物质能开拓等奠定科学基础。基础。功功是力在空间上的积累，是一个物体对另一个物是力在空间上的积累，是一个物体对另一个物体的空间作用力的积累，它不等同于能量。体的空间作用力的积累，它不等同于能量。能量既可以是物质所蕴涵的，也可是物质间传递能量既可以是物质所蕴涵的，也可是物质间传递的。的。能量与功之间存在一定联系，能量的增量就是物能量与功之间存在一定联系，能量的增量就是物质间作用的功。
25、质间作用的功。功和能量不是一种东西，但是往往伴随发功和能量不是一种东西，但是往往伴随发生。向外做功时，伴随能量的流出；被其生。向外做功时，伴随能量的流出；被其他物体做功时，伴随着能量的吸收过程。他物体做功时，伴随着能量的吸收过程。能量、功和功率能量、功和功率 能量是一个静态的概念，可以说一个物体能量是一个静态的概念，可以说一个物体具有多少势能、原子能、化学能等等，但具有多少势能、原子能、化学能等等，但是实际上能量实际上又是一个相对的概念，是实际上能量实际上又是一个相对的概念，即一个物体具有多少能量必须通过他能够即一个物体具有多少能量必须通过他能够做多少功来表现出来做多少功来表现出来.譬如我们说
26、水库中的水具有多少势能，实譬如我们说水库中的水具有多少势能，实际上就是指将水库中的水全部拿来做功际上就是指将水库中的水全部拿来做功（譬如发电），它能够做多少功。（譬如发电），它能够做多少功。功是能量转化的量度功是能量转化的量度 功是过程量功是过程量 能是状态量能是状态量 热传递热传递热传递热传递:是热从温度高的物体传到温度低是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。一种自然现象。在热传递过程中，物质并在热传递过程中，物质并未发生迁移未发生迁移，只，只是
27、高温物体放出热量，温度降低，内能减是高温物体放出热量，温度降低，内能减少（确切地说是物体里的分子做无规则运少（确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小），低温物体吸收热量，动的平均动能减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是能量从高温物体因此，热传递的实质就是能量从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。热传递转移的是内能，而不是一种方式。热传递转移的是内能，而不是温度。温度。热传递的方式热传递的方式1 1、传导、传导 它具有依靠物体内部的温度差或两个它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物
28、体直接接触，在不产生相对运动，不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量；仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量；a.a.固体与液体：分子碰撞；固体与液体：分子碰撞；b.b.固体与固体间：自由电子运动；固体与固体间：自由电子运动；c.c.气体之间：分子热运动；气体之间：分子热运动；2 2、对流、对流 流体中温度不同的各部分之间发生相流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递的过程；对位移时所引起的热量传递的过程；（1 1）自对流：靠物体的密度差，引起）自对流：靠物体的密度差，引起密度变化的最大因素是温度；密度变化的最大因素是温度；（2 2）受迫对流：是靠作
29、功，受到机械）受迫对流：是靠作功，受到机械作用或压力差而引起的相对运动；作用或压力差而引起的相对运动；3 3、热辐射：、热辐射：物体通过电磁波传递能量的过程称为物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。电磁波的能量而进行的辐射过程。任何物体只要在任何物体只要在0K0K以上，就能发生热以上，就能发生热辐射。辐射。影响换热系数的几个因素：影响换热系数的几个因素：1 1、流体的流动状态：流体的流动状态：a.a.层流：易产生热边界层；层流：易产生热边界层；b.b.紊流：破坏热边界层，多运用紊流；紊流：破坏热边界
30、层，多运用紊流；c.c.过渡层：过渡层：2 2、流体的流速：流速大，大；、流体的流速：流速大，大；3 3、放热面形状：光滑：大；粗糙：小。、放热面形状：光滑：大；粗糙：小。能量的守恒和转换能量的守恒和转换 热力学第一定律：热力学第一定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。化或转移的过程中，能量的总量不变。热力学第二定律热力学第二定律 ：不可能把热从低不可能把热从低温物体传到高温物体温物体传
31、到高温物体而不产生其他影响；而不产生其他影响；不可能从单一热源取不可能从单一热源取热使之完全转换为有热使之完全转换为有用的功而不产生其他用的功而不产生其他影响；不可逆热力过影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是程中熵的微增量总是大于零。大于零。克克劳劳修修斯斯德德国国 开开尔尔文文英英国国 热力学第三定律：热力学第三定律：是对熵的论述，一般当封闭系统是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。系统的熵也在增加，不过增加的少。在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。称为热力学第三定律。发动机发动机原理及功效原理及功效MECHNICAL ENGINEERING SCHOOL
