工程热力学课件：绪论1.ppt

1、 中国计量学院计量技术工程学院中国计量学院计量技术工程学院 尹尹 招招 琴琴课程性质课程性质：基础技术课或专业基础课基础技术课或专业基础课学习本课程意义学习本课程意义2121世纪的要求世纪的要求人类面临问题：粮食环境和平能源学科交叉考研课程考研课程1、能源与能源问题: 能源、与能源的开发利用 相关的问题、 2、工程热力学的研究； 对象、方法、主要内容。. 3、工程热力学的发展史本节课的任务：构成客观世界的三大基础是物质、能量和信息。宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。物理学把能量定义为做功的本领机械能、热能、电能、核能、辐射能、化学能能量的六种形式1-1 能量与能源一、能量机械能包括固

2、体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。动能和势能统称为宏观机械能人类认识最早的能量。热能、电能、水能、风能、化学能机械能三峡龙滩构成物体的微观分子运动的动能表现为热能。它的宏观表现是温度的高低，反映了分子运动的强度。地球上最大的热能资源应为地热能。羊八井地热电站羊八井地热电站热能电能它和电子流动与积累有关，通常由电池中的化学能转化而来，或通过发电机由机械能转换得到。反之，电能也可以通过电动机转化为机械能电做功。在自然界中，还有雷电等电能。即物体以电磁波形式发射的能量。如太阳能，太阳是最大的辐射源。辐射能按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能，称为化学能。利用最普

3、遍的化学能是燃烧碳和氢。化学能它是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。它是蕴藏在原子核内部的物质结构能。核能：核裂变反应核聚变反应秦山核电站两种反应大亚湾核电站所谓能源，是指能够直接或经过 转换而获取某种能量的自然资源。二、能源自然资源：煤、石油、天然气、 太阳能、风能、水能、地热能、 核能等。按地球上的能量来源分按被利用的程度分按获得的方法分按能否再生分按能源本身的性质分按对环境的污染情况分按被利用的程度分如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。能源的分类方法三、能量的转换广义地说，能量转换应包含三项内容：能量的转换，即通

4、常所谓的能量 转换；能量的转换，即能量的传输；能量的转换，即能量的储存。热力发电厂锅炉锅炉 产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）汽轮机质）汽轮机 将蒸汽的热能转换为机械能。冷凝器将蒸汽的热能转换为机械能。冷凝器 将乏汽冷凝成水。水泵将乏汽冷凝成水。水泵 使得工作介质循环（保证系统使得工作介质循环（保证系统内部的高压）。内部的高压）。 工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进工质（水、蒸汽）周而复始地循环，进而实现将热能转换为机械而实现将热能转换为机械 能的任务能的任务进气过程 ：进气阀开，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气 缸。压缩过程 ：进、排气门

5、关，活塞上行压缩空气，使其温度和 压力得以升高。燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。排气过程 ：活塞接近下死点时，排气门开，在压差的作用下废气 流出气缸。随后，活塞上行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能压气机 从大气环境吸气，并将其压缩，使得其压力和温度得以提高。燃烧室 空气和燃料在其中混合并燃烧（将燃料的化学能转 换为热能），得到高温高压的燃气。涡轮机 高温高压的燃气推导涡轮机叶轮旋转对外输出机械功燃气轮机装置制冷 ：以消耗机械功或其它形式的能量为代价，使物体获得低于

6、 环境的温度并维持该低温。压气机 吸入来自蒸发器的低压蒸汽，将其压缩 ( 耗功 ) 产生高 温高压的蒸汽。冷凝器 使气体冷凝，得到常温高压的液体。节流阀 使液体降压，产生低压低温的液体（含少量气体）。蒸发器 工质吸收冷藏库内的热量，汽化为低压气体，使冷 库降温或保持低温 。工质（气态或液态制冷剂）在压气机的作用下周而复始地循环，进而实现了制冷的任务。 （参见相关动画）蒸汽压缩制冷装置 地源热泵地源热泵能源的危机石油的危机能源消费的费用迅速增加能源 资源的勘探、开采越来越难，投入 资金多、建设周期长、科技含量高能源资源短缺能源对环境的污染五我国能源工业面临的问题我国能源工业面临的问题人均能源拥有

7、量低、储备量低；人均能耗水平低；能源利用效率低；能源生产和消费结构依然以煤为主； 环境污染严重；能源资源分布不均匀；农村商品能源短缺；能源价格未能反映其经济成本和能源资源的稀缺性；能源建设周期长，耗能多；能源工业装备落后。五、中国能源可持续发展的对策中国能源可持续发展的对策加强政府的宏观决策和行政管理运用市场机制的调节作用利用经济增长的机遇三个手段：应采取的措施应采取的措施：1、努力改善能源结构；建立合理的农村能源结构，扭转其严重缺能局面；改善城市民用能源结构，提高居民生活质量。2、提高能源利用率；加速实施洁净煤技术；合理利用石油和天然气；加快电力发展速度；3、积极开发利用新能源；4、重视能源

8、的环境保护。1-2热能热能转换成转换成机械能机械能的规律和方法的规律和方法 提高转化效率的途径提高转化效率的途径一、研究对象直接从反映物质状态的物理量出发，考虑其能量的变化与传递。它以归纳无数事实所得到的热力学第一、第二和第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。 1-3热究竟是什么？热究竟是什么？ 1818世纪，布莱克对热的本质进行过探讨。他认为世纪，布莱克对热的本质进行过探讨。他认为“热热”和物体燃烧时的和物体燃烧时的“燃素燃素”一样，是一种由特殊一样，是一种由特殊的的“热粒子热粒子”组成的组成的“热流体

9、热流体”。这种。这种“热粒子热粒子”后后来被称为来被称为“热素热素”或或“热质热质”。这就是关于热的。这就是关于热的本质的本质的“热质说热质说”。热质说是。热质说是 18 18 世纪占统治地位的世纪占统治地位的观点。它认为热本身是一种没有质量、没有体积、具观点。它认为热本身是一种没有质量、没有体积、具有广泛渗透性的物质。热从一种物体渗透到另一种物有广泛渗透性的物质。热从一种物体渗透到另一种物体中去，在热交换之前和之后，热质量是守恒的。在体中去，在热交换之前和之后，热质量是守恒的。在1818世纪占统治地位。世纪占统治地位。 热质说与热动说热质说与热动说 关于热的本质的另一种解释，认为热是一种运动

10、，即热关于热的本质的另一种解释，认为热是一种运动，即热是看不见的物质分子的运动或是其他粒子的运动。是看不见的物质分子的运动或是其他粒子的运动。 18 18 世世纪前的培根和笛卡尔都持这种观点，纪前的培根和笛卡尔都持这种观点，18 18 世纪世纪40 40 年代，俄年代，俄国的罗蒙诺索夫也认为热是分子的转动引起的。国的罗蒙诺索夫也认为热是分子的转动引起的。问题？问题？ 1798 1798 年，他在一家兵工厂做了著名的年，他在一家兵工厂做了著名的“朗福尔德热学朗福尔德热学实验实验”。用锐钻头和钝钻头同时钻造炮膛，并测量它们产。用锐钻头和钝钻头同时钻造炮膛，并测量它们产生的热量。在相同时间内锐钻头钻

11、得深，但锐钻头比钝钻生的热量。在相同时间内锐钻头钻得深，但锐钻头比钝钻头产生的热量少。根据热质说，钝钻头产生的热量多，释头产生的热量少。根据热质说，钝钻头产生的热量多，释放了更多的热质，应该钻进的深度更深。但事实正好相反。放了更多的热质，应该钻进的深度更深。但事实正好相反。 另外，他还发现从钻炮膛发出巨量的热，但周围环境却另外，他还发现从钻炮膛发出巨量的热，但周围环境却没有变冷。这些都是热质说解释不通的，朗福尔德经没有变冷。这些都是热质说解释不通的，朗福尔德经过分析，认为能够连续不断产生出来的热不可能是物质，过分析，认为能够连续不断产生出来的热不可能是物质，热是机械运动的一种形式，它的本质在于

12、机械运动，运动热是机械运动的一种形式，它的本质在于机械运动，运动产生热。他还进一步认识到，运动所产生的热的量与所做产生热。他还进一步认识到，运动所产生的热的量与所做的功成正比。这样，他就提出了的功成正比。这样，他就提出了“热之唯动说热之唯动说”。 1799 1799 年，另一位研究热与运动关系的人是英国化学家年，另一位研究热与运动关系的人是英国化学家戴维。他进行了摩擦冰块的实验。在杜绝热源的装置中，戴维。他进行了摩擦冰块的实验。在杜绝热源的装置中，使两块冰相互摩擦，结果冰融化了。使两块冰相互摩擦，结果冰融化了。 实验证明，两块冰在摩擦运动中产生了热，将冰融化了。实验证明，两块冰在摩擦运动中产生

13、了热，将冰融化了。 朗福尔德和戴维的实验是令人信服的，为以后热质说的朗福尔德和戴维的实验是令人信服的，为以后热质说的崩溃和热动说的确立提供了最早的实验证据。崩溃和热动说的确立提供了最早的实验证据。 但这个问题一直到但这个问题一直到 19 19 世纪热力学第一定律问世时，才世纪热力学第一定律问世时，才真正得到解决。真正得到解决。问题？问题？ Carnot(1796 - 1832) Joule (1818 - 1889) Clausius (1822 - 1888) 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

14、的复合工质的研究发生了很大兴趣。 工程热力学是一门经典学科，建立至今已有一百五十多年，随着能源、化工、动力、冶金及环境保护业的发展，又对它提出了许多新的课题，使之不断向前发展，所以是一门古老又尚在蓬勃发展的学科。 如何学好工程热力学：如何学好工程热力学：上课认真听讲听讲并思索思索自己自己完成作业看一、二本参考书参考书参考书目：参考书目：工程热力学题型分析朱明善等编，清华出版社Thermodynamics J.P.HolmanThermodynamics Wark Richardshttp:/202.120.11.13/content/ppts.htmhttp:/202.120.11.13/content/ppts.htm工程热力学教学内容抽象概念多，理论性强，逻辑严密，系统性强，建议：（1）结合实践，反复加深对概念理解；（2）学习过程中主动思考，多问“为什么”，“如果”；（3）独立完成作业；（4）看几本参考书（其中包括至少一本外文书）。