工程熱力學(xué)課件：緒論1

1、 中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量技術(shù)工程學(xué)院中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量技術(shù)工程學(xué)院 尹尹 招招 琴琴課程性質(zhì)課程性質(zhì)：基礎(chǔ)技術(shù)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課基礎(chǔ)技術(shù)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)本課程意義學(xué)習(xí)本課程意義2121世紀(jì)的要求世紀(jì)的要求人類面臨問題：糧食環(huán)境和平能源學(xué)科交叉考研課程考研課程1、能源與能源問題: 能源、與能源的開發(fā)利用 相關(guān)的問題、 2、工程熱力學(xué)的研究； 對象、方法、主要內(nèi)容。. 3、工程熱力學(xué)的發(fā)展史本節(jié)課的任務(wù)：構(gòu)成客觀世界的三大基礎(chǔ)是物質(zhì)、能量和信息。宇宙間一切運(yùn)動著的物體都有能量的存在和轉(zhuǎn)化。物理學(xué)把能量定義為做功的本領(lǐng)機(jī)械能、熱能、電能、核能、輻射能、化學(xué)能能量的六種形式1-1 能量與能源一、能量機(jī)械能包括固

2、體和流體的動能、勢能、彈性能及表面張力能等。動能和勢能統(tǒng)稱為宏觀機(jī)械能人類認(rèn)識最早的能量。熱能、電能、水能、風(fēng)能、化學(xué)能機(jī)械能三峽龍灘構(gòu)成物體的微觀分子運(yùn)動的動能表現(xiàn)為熱能。它的宏觀表現(xiàn)是溫度的高低，反映了分子運(yùn)動的強(qiáng)度。地球上最大的熱能資源應(yīng)為地?zé)崮?。羊八井地?zé)犭娬狙虬司責(zé)犭娬緹崮茈娔芩碗娮恿鲃优c積累有關(guān)，通常由電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來，或通過發(fā)電機(jī)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換得到。反之，電能也可以通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能電做功。在自然界中，還有雷電等電能。即物體以電磁波形式發(fā)射的能量。如太陽能，太陽是最大的輻射源。輻射能按化學(xué)熱力學(xué)定義，物質(zhì)或物系在化學(xué)反應(yīng)過程中以熱能形式釋放的內(nèi)能，稱為化學(xué)能。利用最普

3、遍的化學(xué)能是燃燒碳和氫。化學(xué)能它是物質(zhì)結(jié)構(gòu)能的一種，即原子核外進(jìn)行化學(xué)變化時放出的能量。它是蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)能。核能：核裂變反應(yīng)核聚變反應(yīng)秦山核電站兩種反應(yīng)大亞灣核電站所謂能源，是指能夠直接或經(jīng)過 轉(zhuǎn)換而獲取某種能量的自然資源。二、能源自然資源：煤、石油、天然氣、 太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋?核能等。按地球上的能量來源分按被利用的程度分按獲得的方法分按能否再生分按能源本身的性質(zhì)分按對環(huán)境的污染情況分按被利用的程度分如煤炭、石油、天然氣、薪柴燃料、水能等；如太陽能、地?zé)崮堋⒊毕?、生物質(zhì)能等，另外還有核能。能源的分類方法三、能量的轉(zhuǎn)換廣義地說，能量轉(zhuǎn)換應(yīng)包含三項(xiàng)內(nèi)容：能量的轉(zhuǎn)換，即通

4、常所謂的能量 轉(zhuǎn)換；能量的轉(zhuǎn)換，即能量的傳輸；能量的轉(zhuǎn)換，即能量的儲存。熱力發(fā)電廠鍋爐鍋爐 產(chǎn)生蒸汽（將燃料的化學(xué)轉(zhuǎn)換為熱能并傳遞給工產(chǎn)生蒸汽（將燃料的化學(xué)轉(zhuǎn)換為熱能并傳遞給工質(zhì)）汽輪機(jī)質(zhì)）汽輪機(jī) 將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。冷凝器將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。冷凝器 將乏汽冷凝成水。水泵將乏汽冷凝成水。水泵 使得工作介質(zhì)循環(huán)（保證系統(tǒng)使得工作介質(zhì)循環(huán)（保證系統(tǒng)內(nèi)部的高壓）。內(nèi)部的高壓）。 工質(zhì)（水、蒸汽）周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)工質(zhì)（水、蒸汽）周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械而實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械 能的任務(wù)能的任務(wù)進(jìn)氣過程 ：進(jìn)氣閥開，排氣閥關(guān)，活塞下行，將空氣吸入氣 缸。壓縮過程 ：進(jìn)、排氣門

5、關(guān)，活塞上行壓縮空氣，使其溫度和 壓力得以升高。燃燒過程 ：噴油嘴噴油，燃料燃燒，氣體壓力和溫度急劇升高（燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能）。膨脹過程 ：高溫高壓氣體推動活塞下行，曲軸向外輸出機(jī)械功。排氣過程 ：活塞接近下死點(diǎn)時，排氣門開，在壓差的作用下廢氣 流出氣缸。隨后，活塞上行，將殘余氣體推出氣缸。重復(fù)上述過程，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能壓氣機(jī) 從大氣環(huán)境吸氣，并將其壓縮，使得其壓力和溫度得以提高。燃燒室 空氣和燃料在其中混合并燃燒（將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn) 換為熱能），得到高溫高壓的燃?xì)?。渦輪機(jī) 高溫高壓的燃?xì)馔茖?dǎo)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)對外輸出機(jī)械功燃?xì)廨啓C(jī)裝置制冷 ：以消耗機(jī)械功或其它形式的能量為代價，使物體獲得低于

6、 環(huán)境的溫度并維持該低溫。壓氣機(jī) 吸入來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽，將其壓縮 ( 耗功 ) 產(chǎn)生高 溫高壓的蒸汽。冷凝器 使氣體冷凝，得到常溫高壓的液體。節(jié)流閥 使液體降壓，產(chǎn)生低壓低溫的液體（含少量氣體）。蒸發(fā)器 工質(zhì)吸收冷藏庫內(nèi)的熱量，汽化為低壓氣體，使冷 庫降溫或保持低溫 。工質(zhì)（氣態(tài)或液態(tài)制冷劑）在壓氣機(jī)的作用下周而復(fù)始地循環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了制冷的任務(wù)。 （參見相關(guān)動畫）蒸汽壓縮制冷裝置 地源熱泵地源熱泵能源的危機(jī)石油的危機(jī)能源消費(fèi)的費(fèi)用迅速增加能源 資源的勘探、開采越來越難，投入 資金多、建設(shè)周期長、科技含量高能源資源短缺能源對環(huán)境的污染五我國能源工業(yè)面臨的問題我國能源工業(yè)面臨的問題人均能源擁有

7、量低、儲備量低；人均能耗水平低；能源利用效率低；能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)依然以煤為主； 環(huán)境污染嚴(yán)重；能源資源分布不均勻；農(nóng)村商品能源短缺；能源價格未能反映其經(jīng)濟(jì)成本和能源資源的稀缺性；能源建設(shè)周期長，耗能多；能源工業(yè)裝備落后。五、中國能源可持續(xù)發(fā)展的對策中國能源可持續(xù)發(fā)展的對策加強(qiáng)政府的宏觀決策和行政管理運(yùn)用市場機(jī)制的調(diào)節(jié)作用利用經(jīng)濟(jì)增長的機(jī)遇三個手段：應(yīng)采取的措施應(yīng)采取的措施：1、努力改善能源結(jié)構(gòu)；建立合理的農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)其嚴(yán)重缺能局面；改善城市民用能源結(jié)構(gòu)，提高居民生活質(zhì)量。2、提高能源利用率；加速實(shí)施潔凈煤技術(shù)；合理利用石油和天然氣；加快電力發(fā)展速度；3、積極開發(fā)利用新能源；4、重視能源

8、的環(huán)境保護(hù)。1-2熱能熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成機(jī)械能機(jī)械能的規(guī)律和方法的規(guī)律和方法 提高轉(zhuǎn)化效率的途徑提高轉(zhuǎn)化效率的途徑一、研究對象直接從反映物質(zhì)狀態(tài)的物理量出發(fā)，考慮其能量的變化與傳遞。它以歸納無數(shù)事實(shí)所得到的熱力學(xué)第一、第二和第三定律作為推理的基礎(chǔ)，通過物質(zhì)的壓力 、溫度、比容等宏觀參數(shù)和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為，對宏觀現(xiàn)象和熱力過程進(jìn)行研究。 1-3熱究竟是什么？熱究竟是什么？ 1818世紀(jì)，布萊克對熱的本質(zhì)進(jìn)行過探討。他認(rèn)為世紀(jì)，布萊克對熱的本質(zhì)進(jìn)行過探討。他認(rèn)為“熱熱”和物體燃燒時的和物體燃燒時的“燃素燃素”一樣，是一種由特殊一樣，是一種由特殊的的“熱粒子熱粒子”組成的組成的“熱流體

9、熱流體”。這種。這種“熱粒子熱粒子”后后來被稱為來被稱為“熱素?zé)崴亍被蚧颉盁豳|(zhì)熱質(zhì)”。這就是關(guān)于熱的。這就是關(guān)于熱的本質(zhì)的本質(zhì)的“熱質(zhì)說熱質(zhì)說”。熱質(zhì)說是。熱質(zhì)說是 18 18 世紀(jì)占統(tǒng)治地位的世紀(jì)占統(tǒng)治地位的觀點(diǎn)。它認(rèn)為熱本身是一種沒有質(zhì)量、沒有體積、具觀點(diǎn)。它認(rèn)為熱本身是一種沒有質(zhì)量、沒有體積、具有廣泛滲透性的物質(zhì)。熱從一種物體滲透到另一種物有廣泛滲透性的物質(zhì)。熱從一種物體滲透到另一種物體中去，在熱交換之前和之后，熱質(zhì)量是守恒的。在體中去，在熱交換之前和之后，熱質(zhì)量是守恒的。在1818世紀(jì)占統(tǒng)治地位。世紀(jì)占統(tǒng)治地位。 熱質(zhì)說與熱動說熱質(zhì)說與熱動說 關(guān)于熱的本質(zhì)的另一種解釋，認(rèn)為熱是一種運(yùn)動

10、，即熱關(guān)于熱的本質(zhì)的另一種解釋，認(rèn)為熱是一種運(yùn)動，即熱是看不見的物質(zhì)分子的運(yùn)動或是其他粒子的運(yùn)動。是看不見的物質(zhì)分子的運(yùn)動或是其他粒子的運(yùn)動。 18 18 世世紀(jì)前的培根和笛卡爾都持這種觀點(diǎn)，紀(jì)前的培根和笛卡爾都持這種觀點(diǎn)，18 18 世紀(jì)世紀(jì)40 40 年代，俄年代，俄國的羅蒙諾索夫也認(rèn)為熱是分子的轉(zhuǎn)動引起的。國的羅蒙諾索夫也認(rèn)為熱是分子的轉(zhuǎn)動引起的。問題？問題？ 1798 1798 年，他在一家兵工廠做了著名的年，他在一家兵工廠做了著名的“朗福爾德熱學(xué)朗福爾德熱學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)”。用銳鉆頭和鈍鉆頭同時鉆造炮膛，并測量它們產(chǎn)。用銳鉆頭和鈍鉆頭同時鉆造炮膛，并測量它們產(chǎn)生的熱量。在相同時間內(nèi)銳鉆頭鉆

11、得深，但銳鉆頭比鈍鉆生的熱量。在相同時間內(nèi)銳鉆頭鉆得深，但銳鉆頭比鈍鉆頭產(chǎn)生的熱量少。根據(jù)熱質(zhì)說，鈍鉆頭產(chǎn)生的熱量多，釋頭產(chǎn)生的熱量少。根據(jù)熱質(zhì)說，鈍鉆頭產(chǎn)生的熱量多，釋放了更多的熱質(zhì)，應(yīng)該鉆進(jìn)的深度更深。但事實(shí)正好相反。放了更多的熱質(zhì)，應(yīng)該鉆進(jìn)的深度更深。但事實(shí)正好相反。 另外，他還發(fā)現(xiàn)從鉆炮膛發(fā)出巨量的熱，但周圍環(huán)境卻另外，他還發(fā)現(xiàn)從鉆炮膛發(fā)出巨量的熱，但周圍環(huán)境卻沒有變冷。這些都是熱質(zhì)說解釋不通的，朗福爾德經(jīng)沒有變冷。這些都是熱質(zhì)說解釋不通的，朗福爾德經(jīng)過分析，認(rèn)為能夠連續(xù)不斷產(chǎn)生出來的熱不可能是物質(zhì)，過分析，認(rèn)為能夠連續(xù)不斷產(chǎn)生出來的熱不可能是物質(zhì)，熱是機(jī)械運(yùn)動的一種形式，它的本質(zhì)在于

12、機(jī)械運(yùn)動，運(yùn)動熱是機(jī)械運(yùn)動的一種形式，它的本質(zhì)在于機(jī)械運(yùn)動，運(yùn)動產(chǎn)生熱。他還進(jìn)一步認(rèn)識到，運(yùn)動所產(chǎn)生的熱的量與所做產(chǎn)生熱。他還進(jìn)一步認(rèn)識到，運(yùn)動所產(chǎn)生的熱的量與所做的功成正比。這樣，他就提出了的功成正比。這樣，他就提出了“熱之唯動說熱之唯動說”。 1799 1799 年，另一位研究熱與運(yùn)動關(guān)系的人是英國化學(xué)家年，另一位研究熱與運(yùn)動關(guān)系的人是英國化學(xué)家戴維。他進(jìn)行了摩擦冰塊的實(shí)驗(yàn)。在杜絕熱源的裝置中，戴維。他進(jìn)行了摩擦冰塊的實(shí)驗(yàn)。在杜絕熱源的裝置中，使兩塊冰相互摩擦，結(jié)果冰融化了。使兩塊冰相互摩擦，結(jié)果冰融化了。 實(shí)驗(yàn)證明，兩塊冰在摩擦運(yùn)動中產(chǎn)生了熱，將冰融化了。實(shí)驗(yàn)證明，兩塊冰在摩擦運(yùn)動中產(chǎn)生

13、了熱，將冰融化了。 朗福爾德和戴維的實(shí)驗(yàn)是令人信服的，為以后熱質(zhì)說的朗福爾德和戴維的實(shí)驗(yàn)是令人信服的，為以后熱質(zhì)說的崩潰和熱動說的確立提供了最早的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。崩潰和熱動說的確立提供了最早的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 但這個問題一直到但這個問題一直到 19 19 世紀(jì)熱力學(xué)第一定律問世時，才世紀(jì)熱力學(xué)第一定律問世時，才真正得到解決。真正得到解決。問題？問題？ Carnot(1796 - 1832) Joule (1818 - 1889) Clausius (1822 - 1888) 二十世紀(jì)初以來，對超高壓、超高溫水蒸汽等物性，和極低溫度的研究不斷獲得新成果。隨著對能源問題的重視，人們對與節(jié)能有關(guān)的復(fù)合循環(huán)、新型的復(fù)合工質(zhì)的研究發(fā)生了很大興趣。 工程熱力學(xué)是一門經(jīng)典學(xué)科，建立至今已有一百五十多年，隨著能源、化工、動力、冶金及環(huán)境保護(hù)業(yè)的發(fā)展，又對它提出了許多新的課題，使之不斷向前發(fā)展，所以是一門古老又尚在蓬勃發(fā)展的學(xué)科。 如何學(xué)好工程熱力學(xué)：如何學(xué)好工程熱力學(xué)：上課認(rèn)真聽講聽講并思索思索自己自己完成作業(yè)看一、二本參考書參考書參考書目：參考書目：工程熱力學(xué)題型分析朱明善等編，清華出版社Thermodynamics J.P.