嚴(yán)家騄版工程熱力學(xué)緒論

1、工程熱力學(xué)緒論2022-3-71.工程熱力學(xué)Engineering ThermodynamicsPatrick Young）北教3210College of Aeronautical EngineeringCivil Aviation University of China工程熱力學(xué)緒論2022-3-72.課程介紹 總學(xué)時(shí)72，課堂講授62實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)10 學(xué)分 4,平時(shí)15實(shí)驗(yàn)15考試70 星期一交作業(yè) 前續(xù)課程：大學(xué)物理，高等數(shù)學(xué) 后續(xù)課程：航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理；氣體動(dòng)力學(xué) Textbook：1、工程熱力學(xué)嚴(yán)家錄等編；高教出版社 2、傳熱學(xué)-理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用曹紅奮編；人民交通出版社Online l

2、earning: 工程熱力學(xué)緒論2022-3-73.Preface Thermodynamics can be defined as the science of energyheatThermedynamispower(Greek words)熱能熱能 Thermal Energy工程熱力學(xué)緒論2022-3-74.緒緒 論論工程熱力學(xué)工程熱力學(xué) 是一門研究是一門研究熱能熱能有效利用及有效利用及 熱能熱能和其它形式和其它形式能量能量轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué)的科學(xué)工程熱力學(xué)緒論2022-3-75.能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系熱熱 能能電電 能能機(jī)機(jī) 械械 能能 風(fēng)風(fēng)能能水水能能化化學(xué)學(xué)能

3、能核核能能地地?zé)釤崮苣芴栮柲苣芤淮文茉匆淮文茉? (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換燃料電池燃料電池光熱光熱聚變聚變裂變裂變?nèi)紵紵囁囁啓C(jī)水輪機(jī)風(fēng)車風(fēng)車熱機(jī)熱機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)90%轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換直接利用直接利用供暖供暖工程熱力學(xué)緒論2022-3-76.工程熱力學(xué)與節(jié)能工程熱力學(xué)與節(jié)能工程熱力學(xué)工程熱力學(xué) 是一門研究是一門研究熱能熱能有效利用及有效利用及 熱能熱能和其它形式和其它形式能量能量轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué)的科學(xué)建立節(jié)能的理論基礎(chǔ)建立節(jié)能的理論基礎(chǔ)工程熱力學(xué)緒論2022-3-77.能源能源energy sources的資源的資源2000.12.30

4、世界能源報(bào)道世界能源報(bào)道 我國(guó)我國(guó)探明可開采儲(chǔ)量探明可開采儲(chǔ)量32.74億噸億噸 可開采可開采1520年年石油石油 Petroleum世界世界40-50年年工程熱力學(xué)緒論2022-3-78.能源的資源能源的資源2000.12.30世界能源報(bào)道世界能源報(bào)道 我國(guó)我國(guó)探明可開采儲(chǔ)量探明可開采儲(chǔ)量1170411704億億m m3 3 可開采可開采2858年年 天然氣天然氣 Natural Gas世界世界60年年工程熱力學(xué)緒論2022-3-79.能源的資源能源的資源2000.12.30世界能源報(bào)道世界能源報(bào)道 我國(guó)我國(guó)探明可開采儲(chǔ)量探明可開采儲(chǔ)量1145億噸億噸 可開采可開采5481年年 煤煤炭炭 C

5、oal世界世界220年年能源短缺能源短缺工程熱力學(xué)緒論2022-3-710.能源消費(fèi)水平能源消費(fèi)水平 日、德、日、德、俄俄等等 5 6噸標(biāo)煤噸標(biāo)煤/ 人人年年 美國(guó)美國(guó)11噸標(biāo)煤噸標(biāo)煤/ 人人年年我國(guó)規(guī)劃：我國(guó)規(guī)劃：2030 2050 年年 2.5 3噸標(biāo)煤噸標(biāo)煤/ 人人年年 我國(guó)我國(guó) 1噸標(biāo)煤噸標(biāo)煤/ 人人年年工程熱力學(xué)緒論2022-3-711.發(fā)電為例發(fā)電為例我國(guó)電力我國(guó)電力 2 億億 5 千萬千瓦千萬千瓦 中等發(fā)達(dá)國(guó)家中等發(fā)達(dá)國(guó)家 1 kW/人人 發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)達(dá)國(guó)家 6 kW/ 人人2050 年年 1 kW/人人 15 億千瓦億千瓦 我國(guó)我國(guó) 0.2 kW/ 人人工程熱力學(xué)緒論2022-3

6、-712.電的來源電的來源 煤煤： 9 億億 kW 2050 年年 1 kW/人人 15 億千瓦億千瓦 水能水能： 3 億億 7 千千 6 百百 kW 核能核能： 2 億億 kW 風(fēng)能、太陽能風(fēng)能、太陽能： 1 億億 kW工程熱力學(xué)緒論2022-3-713.Energy and Environment SO2、 粉塵、粉塵、 CO2 （酸雨）（酸雨） （溫室效應(yīng)）（溫室效應(yīng)）acid rainGreenhouse effect燃煤：燃煤：車輛：車輛： NOx、 HC 、 COO3霧霧SmogSUN缺氧缺氧工程熱力學(xué)緒論2022-3-714.全球溫室氣體排放及運(yùn)輸業(yè)溫室氣體排放比例 民航溫室氣體

7、排放占2%；IPCC預(yù)計(jì)到2050年會(huì)占到3%工程熱力學(xué)緒論2022-3-715.中國(guó)平均供電耗煤量的變化中國(guó)平均供電耗煤量的變化工程熱力學(xué)緒論2022-3-716.中國(guó)與日本工業(yè)能耗比較中國(guó)與日本工業(yè)能耗比較00.511.522.533.5噸噸煤煤 /噸噸鋼鋼噸噸煤煤 /噸噸合合成成氨氨總總利利用用率率中中國(guó)國(guó)日日本本工程熱力學(xué)緒論2022-3-717. 節(jié)節(jié) 能能 Energy Saving節(jié)能是近年來的基本國(guó)策節(jié)能是近年來的基本國(guó)策“開發(fā)和節(jié)約并重開發(fā)和節(jié)約并重”節(jié)能任重道遠(yuǎn)節(jié)能任重道遠(yuǎn)是我們的責(zé)任是我們的責(zé)任工程熱力學(xué)緒論2022-3-718. 熱力學(xué)的分類熱力學(xué)的分類工程熱力學(xué)工程熱

8、力學(xué)：熱能與機(jī)械能：熱能與機(jī)械能物理熱力學(xué)物理熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)生物熱力學(xué)生物熱力學(xué)溶液熱力學(xué)溶液熱力學(xué)熱熱力力學(xué)學(xué)工程熱力學(xué)緒論2022-3-719. 熱熱 機(jī)機(jī) 種種 類類 發(fā)電（火力、核能）發(fā)電（火力、核能） 40% 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）車輛發(fā)動(dòng)機(jī)（內(nèi)燃機(jī)） 2535% 輪船發(fā)動(dòng)機(jī)輪船發(fā)動(dòng)機(jī) 2535% 航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2030% 制冷空調(diào)制冷空調(diào)(非熱機(jī)，同理）非熱機(jī)，同理） 200% 能量利用率能量利用率heat engineEnergy efficiency工程熱力學(xué)緒論2022-3-720.火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn)火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn)鍋鍋爐爐汽輪機(jī)汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)

9、給水泵給水泵 凝凝汽汽器器過熱器過熱器 1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸工質(zhì)（水，蒸 汽）汽）3、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱) )工程熱力學(xué)緒論2022-3-721.燃?xì)庋b置基本特點(diǎn)燃?xì)庋b置基本特點(diǎn)1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓┕べ|(zhì)（燃?xì)猓?3、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) ( (加壓、加熱、加壓、加熱、膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱) )壓壓氣氣機(jī)機(jī)燃燃?xì)鈿廨嗇啓C(jī)機(jī)燃燒室燃燒室空空氣氣廢廢氣氣工程熱力學(xué)緒論2022-3-722.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)裝置裝置空氣、油空氣、油廢氣廢氣吸氣吸氣壓縮壓縮點(diǎn)火點(diǎn)火膨脹膨脹排氣排氣in

10、ternal combustion engine工程熱力學(xué)緒論2022-3-723.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)裝置裝置基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓┕べ|(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功膨脹做功4、循環(huán)循環(huán) (加壓、加熱、加壓、加熱、 膨脹做功、放熱膨脹做功、放熱)工程熱力學(xué)緒論2022-3-724.制冷空調(diào)制冷空調(diào)裝置裝置基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)1、熱源，冷源熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功得到容積變化功4、循環(huán)循環(huán) (加壓、放熱、加壓、放熱、 膨脹、吸熱膨脹、吸熱)工程熱力學(xué)緒論2022-3-725.熱力熱力裝置裝置共同基本特點(diǎn)共同基本特點(diǎn) 1、熱源，冷源熱源，冷源 he

11、at reservoir 2、工質(zhì)工質(zhì) medium 3、容積變化功容積變化功 moving boundary work 4、循環(huán)循環(huán) cycle工程熱力學(xué)緒論2022-3-726.熱機(jī)熱機(jī) 高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩?低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?Q1Q2W1WQ收 益代 價(jià)動(dòng)力循環(huán)簡(jiǎn)圖動(dòng)力循環(huán)簡(jiǎn)圖熱效率熱效率 Thermal efficiency工程熱力學(xué)緒論2022-3-727.思思 考考 題題 ？2、為何要有兩個(gè)熱源，能否不要低、為何要有兩個(gè)熱源，能否不要低 溫?zé)嵩礈責(zé)嵩? 不放熱，不放熱，W=Q是否可以是否可以 進(jìn)行？進(jìn)行？3、發(fā)電廠效率高的只有、發(fā)電廠效率高的只有40%左右，可否左右，可否 有途徑提高，

12、最高效率是否有極有途徑提高，最高效率是否有極 限？極限為多少？限？極限為多少？1、為什么永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)？、為什么永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)？ Perpetual motion machine4、熱能和機(jī)械能通過什么介質(zhì)轉(zhuǎn)換、熱能和機(jī)械能通過什么介質(zhì)轉(zhuǎn)換工程熱力學(xué)緒論2022-3-728.工程熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容工程熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律能量轉(zhuǎn)換的基本定律 2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程3、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理4、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)工程熱力學(xué)緒論2022-3-729.過程過程過程過程化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程熱力過程熱力過程閉閉口口系系熱熱

13、力力過過程程開開口口系系熱熱力力過過程程循環(huán)循環(huán)制冷制冷熱泵熱泵內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)外燃機(jī)外燃機(jī)柴柴油油汽汽油油燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)輪機(jī)空空氣氣壓壓縮縮蒸蒸氣氣壓壓縮縮吸吸收收熱機(jī)熱機(jī)蒸汽蒸汽動(dòng)力動(dòng)力工程熱力學(xué)緒論2022-3-730.工質(zhì)工質(zhì)工質(zhì)工質(zhì)種類種類研究方法研究方法狀態(tài)參數(shù)全狀態(tài)參數(shù)全微分特征微分特征MaxwellMaxwell式式理想理想氣體氣體實(shí)際實(shí)際氣體氣體混混合合氣氣體體比熱關(guān)系式比熱關(guān)系式濕濕空空氣氣水水蒸蒸氣氣制制冷冷工工質(zhì)質(zhì)微分關(guān)系式微分關(guān)系式狀態(tài)方程狀態(tài)方程工程熱力學(xué)緒論2022-3-731.1、宏觀方法宏觀方法：連續(xù)體連續(xù)體(continuum)，用宏觀，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其

14、基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗(yàn)物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)的總結(jié) 特點(diǎn)特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣可靠，普遍，不能任意推廣 經(jīng)典經(jīng)典 （宏觀宏觀,平衡平衡）熱力學(xué)熱力學(xué) classical (macroscopic, equilibrium) 工程熱力學(xué)研究方法工程熱力學(xué)研究方法工程熱力學(xué)緒論2022-3-732.2、微觀方法微觀方法：從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律 特點(diǎn)：特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似揭示本質(zhì)，模型近似 微觀（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué)微觀（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué) microscopic (statistical) thermodynam

15、ics工程熱力學(xué)研究方法工程熱力學(xué)研究方法工程熱力學(xué)緒論2022-3-733.工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer流體力學(xué)流體力學(xué) Hydrodynamics燃燒學(xué)燃燒學(xué) Combustion熱物性學(xué)熱物性學(xué) Thermophysical property工程熱力學(xué)所屬學(xué)科工程熱力學(xué)所屬學(xué)科工工程程熱熱物物理理Engineering thermophysics工程熱力學(xué)緒論2022-3-734.五個(gè)定律五個(gè)定律 能量轉(zhuǎn)化及使用 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律 熱力性質(zhì) 熱力學(xué) 第零定律 熱力學(xué)第三定律 狀態(tài)公理工程熱力學(xué)緒論2022-3-735.1、有幾位科學(xué)家在熱力學(xué)

16、作出了貢獻(xiàn)，、有幾位科學(xué)家在熱力學(xué)作出了貢獻(xiàn)， 獲諾貝爾獎(jiǎng)？獲諾貝爾獎(jiǎng)？小小 知知 識(shí)識(shí)2、中國(guó)哪位教授與美國(guó)教授合作提出、中國(guó)哪位教授與美國(guó)教授合作提出 的狀態(tài)方程得到普遍認(rèn)可？的狀態(tài)方程得到普遍認(rèn)可？3、Maxwell 妖是什么？妖是什么？4、“吉布斯佯謬吉布斯佯謬”又是什么？又是什么？工程熱力學(xué)緒論2022-3-736.熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（1）RTpv J.D.范范.德瓦爾斯德瓦爾斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷蘭荷蘭 氣體和液體狀態(tài)方程氣體和液體狀態(tài)方程:如果壓強(qiáng)表示成臨界如果壓強(qiáng)表示成臨界壓強(qiáng)的單調(diào)函

17、數(shù)，體積表示成臨界體積的單調(diào)函數(shù)，壓強(qiáng)的單調(diào)函數(shù)，體積表示成臨界體積的單調(diào)函數(shù)，溫度表示成臨界溫度的單調(diào)函數(shù)，、就可得到適用溫度表示成臨界溫度的單調(diào)函數(shù)，、就可得到適用于所有物質(zhì)的物態(tài)方程的普遍形式于所有物質(zhì)的物態(tài)方程的普遍形式. 1910年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)工程熱力學(xué)緒論2022-3-737.熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（2） M.普朗克普朗克 Max Planck (1858-1947) 德國(guó)德國(guó) 發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論）發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論）物質(zhì)輻射（或物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行

18、的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是值就叫能量子，輻射頻率是的能量的最小數(shù)值的能量的最小數(shù)值=h。其中。其中h，普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，現(xiàn)在叫做普朗克常數(shù)。現(xiàn)在叫做普朗克常數(shù)。 1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)工程熱力學(xué)緒論2022-3-738.熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（3） W.H.能斯脫能斯脫 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德國(guó)德國(guó) 熱化學(xué)，熵基準(zhǔn)熱化學(xué)，熵基準(zhǔn):絕對(duì)零度不可達(dá)到絕對(duì)零度不可達(dá)到但可

19、以無限趨近但可以無限趨近 . 在絕對(duì)零度，任何完美晶體的熵為零 1920年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)工程熱力學(xué)緒論2022-3-739.熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（4） L.昂薩格昂薩格 Lars Onsager (1903-1976) 美國(guó)美國(guó) 不可逆過程熱力學(xué)理論不可逆過程熱力學(xué)理論:在描述各種不可在描述各種不可逆過程的流（速率）和力（推動(dòng)力）之間的線性唯象逆過程的流（速率）和力（推動(dòng)力）之間的線性唯象關(guān)系中的唯象系數(shù)之間滿足一種對(duì)稱關(guān)系，這就是著關(guān)系中的唯象系數(shù)之間滿足一種對(duì)稱關(guān)系，這就是著名的昂薩格倒易關(guān)系。名的昂薩格倒易關(guān)系。 1968年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年

20、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)工程熱力學(xué)緒論2022-3-740.熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（5） I.普里戈金普里戈金 Ilya Prigogine (1917-) 比利時(shí)比利時(shí) 熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論:封閉沒有發(fā)展，平衡封閉沒有發(fā)展，平衡也沒有發(fā)展，這是耗散結(jié)構(gòu)理論的基本結(jié)論。也沒有發(fā)展，這是耗散結(jié)構(gòu)理論的基本結(jié)論?；竟剑篸S=deS+diS。一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)（不論它是物理、化學(xué)的，還是生物學(xué)、生態(tài)學(xué)的，乃至是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)或精神的），通過與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換即通過物質(zhì)、能量和信息的耗散，從而就可能自發(fā)組織起來，實(shí)現(xiàn)從無序到有序的轉(zhuǎn)變，形成具有一定組織和秩序的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。 1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)工程熱力學(xué)緒論2022-3-741.熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家（6） K.G.威爾遜威爾遜 Kenneth G. Wilson (1936-) 美國(guó)美國(guó) 臨界重整化群理論臨界重整化群理論:臨界點(diǎn)現(xiàn)象具有標(biāo)度變換不臨界點(diǎn)現(xiàn)象具有標(biāo)度變換不變變這