工程熱力學課程教案完整版

1、DocumentserialnumberNL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108工程熱力學課程教案*本課程教材及主要參考書目教材：沈維道、蔣智敏、童鈞耕編，工程熱力學（第三版），高等教育出版社，2001.6手冊：嚴家騄、余曉福著，水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表，高等教育出版社，1995.5實驗指導書：華北電力大學動力系編，熱力實驗指導書，2001參考書：曾丹苓、敖越、張新銘、劉朝編，工程熱力學（第三版），高等教育出版社，2002.12王加璇等編著，工程熱力學，華北電力大學，1992年。朱明善、劉穎、林兆莊、彭曉峰合編，工程熱力學，清華大學出版，1995年。曾丹苓等編著，工程熱力

2、學（第一版），高教出版社，2002年全美經(jīng)典學習指導系列，美M.C.波特爾、C.W.薩默頓著郭航、孫嗣瑩等譯，工程熱力學，科學出版社，2002年。何雅玲編，工程熱力學精要分析及典型題精解，西安交通大學出版社，2000.4概論（2學時）教學目標及基本要求從人類用能的歷史和能量轉(zhuǎn)換裝置的實例中認識理解：熱能利用的廣泛性和特殊性；工程熱力學的研究內(nèi)容和研究方法；本課程在專業(yè)學習中的地位；本課程與后續(xù)專業(yè)課程乃至專業(yè)培養(yǎng)目標的關系。各節(jié)教學內(nèi)容及學時分配0-1熱能及其利用（0.5學時）0-2熱力學及其發(fā)展簡史（0.5學時）0-3能量轉(zhuǎn)換裝置的工作過程（0.2學時）0-4工程熱力學研究的對象及主要內(nèi)容（

3、0.8學時）重點難點工程熱力學的主要研究內(nèi)容；研究內(nèi)容與本課程四大部分（特別是前三大部分）之聯(lián)系；工程熱力學的研究方法教學內(nèi)容的深化和拓寬熱力學基本定律的建立；熱力學各分支；本課程與傳熱學、流體力學等課程各自的任務及聯(lián)系；有關工程熱力學及其應用的網(wǎng)上資源。教學方式講授，討論，視頻片段教學過程中應注意的問題特別注意：本課程作為熱能與動力工程專業(yè)學生進入專業(yè)學習的第一門課程（專業(yè)基礎課），要引導學生的學習興趣和熱情。另，用例應盡量采用較新的事實和數(shù)據(jù)。7.87.89.9.思考題和習題思考題：工程熱力學的宏觀研究方法與微觀方法的比較作業(yè)：（短文，一、二頁即可）網(wǎng)絡文獻綜述一一能源利用與工程熱力學師生

4、互動設計講授中提問并啟發(fā)討論：從本課程教材的四大部分的標題看，對于工程熱力學的研究內(nèi)容有沒有一個初步的認識（可以“猜想”）知道熱力學第一、第二定律嗎第三、第零定律呢請舉例并比較：宏觀研究方法和微觀研究方法。你認為你（本專業(yè)的學生）將來會“干什么”講課提綱、板書設計緒論0-1熱能及其利用視頻片段：人類用能歷史能源一一為人類生產(chǎn)與日常生活提供各種能量和動力的物質(zhì)資源自然能源一一風能，水能，太陽能，地熱能，潮汐能，核能，燃料化學能等可見：從自然能源中獲取能量的主要形式是熱能（僅風能、水能、潮汐能是機械能形式一指流體的動能和位能）熱能利用的兩種基本方式：直接利用舉例和請學生舉例間接利用舉例和請學生舉例

5、0-2熱力學及其發(fā)展簡史18世紀中葉，蒸氣機出現(xiàn)，開始熱一功（機械能）研究；第一類永動機不成功，總結出LawI；焦耳實驗，有了熱一功當量概念，開始形成熱-力學;第二類永動機不成功，總結出LawII；1912年，研究低溫現(xiàn)象，LawIII（“0K達不到”）；加上Law0（關于熱平衡概念，溫度概念及溫標立）四個基本定律，構成熱力學的理論基礎。隨著生產(chǎn)發(fā)展，熱力學形成已一百多年，作為典熱力學，已很成熟。建分支：理論熱力學，工程熱力學，統(tǒng)計熱力學，化學熱力學，非平衡熱力學，生物熱力學甚用熱力學理論于社會學/經(jīng)濟學方面。0-3能量轉(zhuǎn)換裝置的工作過程圖1視頻片段：蒸汽發(fā)電廠熱機工作示意圖如圖1所示0-4工

6、程熱力學研究的對象及主要內(nèi)容一、研究對象熱力學研究熱現(xiàn)象與物質(zhì)熱運動有關的現(xiàn)象。熱運動的廣泛性和特殊性：熱運動無時無處不在，人類利用熱能歷史悠久（直接，或轉(zhuǎn)換為其它形式）。熱能為一方，其它所有非熱能形式能量為另一方（機、聲、光、電、磁等），可相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換前后數(shù)量相等（LawI能量轉(zhuǎn)換與守恒）。但機械能等可100%地、無代價地轉(zhuǎn)換為熱能，反之則不然（LawII：熱過程之方向性）。例：汽車排尾氣；現(xiàn)代火電廠熱效率僅40+%二、研究內(nèi)容熱能與其它能量間相互轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律一一主要LawI、II,此乃本課程主要內(nèi)容。2工質(zhì)的熱力性質(zhì)能量的利用/轉(zhuǎn)換，需通過工作物質(zhì)即工質(zhì)及熱力設備來完成。3提高熱力設備

7、效率的途徑從工程實際應用來說，此為最終目的。*請學生對照教材的四大部分的標題，體會工程熱力學的研究內(nèi)容（尤其是前三大部分）：熱力學基本定律；工質(zhì)熱力性質(zhì)；（熱力設備中的）熱力過程及循環(huán)；化學熱力學基礎。三、研究方法可有二種研究方法微觀的和宏觀的。工程熱力學用宏觀的研究方法。優(yōu)點可靠：以大量觀察/實驗所得經(jīng)驗定律為依據(jù)，故只要推論無誤，則結論亦可靠。而經(jīng)驗定律是大量經(jīng)驗（觀察/實驗）之歸納總結，其可靠性體現(xiàn)在至今未有反例。缺點一一不能說明其所以然（何以“守恒”何以有“方向性”）；應用有局限：上不能推廣至茫茫宇宙，下不能深入至物質(zhì)內(nèi)部個別分子/原子的表現(xiàn)看不到，去不了，無經(jīng)驗。統(tǒng)計熱力學則恰可彌補

8、其缺點可說明“所以然”。但也有缺點：與物質(zhì)結構模型有關，而模型是近似的。例：判斷人的健康：可宏觀體溫等；也可微觀化驗等四、課程與本專業(yè)的關系熱能與動力工程專業(yè)培養(yǎng)目標德智體全面發(fā)展，掌握現(xiàn)代能源科學、信息科學和管理科學技術，在熱能與動力工程領域從事設計、運行、自動控制、信息處理、環(huán)境保護、清潔能源利用和新能源開發(fā)等工作的基礎扎實、知識面廣、創(chuàng)新能力強的復合型人才工程熱力學是本專業(yè)（以及其他相關專業(yè)）主要的專業(yè)基礎理論課之一（另二門同類課程：流體力學、傳熱學）五、單位制國際單位制SI。法定計量單位以SI為基礎。SI與公制/英制間的換算，也需有所了解/應用。六、本課程的學習方法建議根據(jù)本課程是一門

9、專業(yè)基礎理論課程的特點，建議在學習中掌握幾個“基本”：基本概念，基本定律，基本方法，基本應用。抓好幾個環(huán)節(jié)：預習/聽課；筆記/復習；習題/小結。第一部分熱力學基本定律第一章基本概念及定義（4學時）教學目標及基本要求了解熱力系的定義；平衡狀態(tài)的概念、平衡條件；掌握基本狀態(tài)參數(shù)的定義、計量及不同單位間的換算；掌握準平衡過程的定義，理解提出準平衡過程概念的意義和作用。各節(jié)教學內(nèi)容及學時分配1-1熱力系（0.5學時）1-2熱力系的描述（0.5學時）1-3基本狀態(tài)參數(shù)（1.5學時）1-4狀態(tài)方程，狀態(tài)參數(shù)坐標圖（1學時）1-5熱力過程及循環(huán)（0.5學時）重點難點熱力系統(tǒng)；狀態(tài)及平衡狀態(tài)；狀態(tài)參數(shù)及其特性

10、；可測的基本參數(shù)；熱平衡及熱力學第零定律；狀態(tài)參數(shù)坐標圖；熱力過程和循環(huán)；準平衡過程；狀態(tài)量和過程量；尺度量和強度量。教學內(nèi)容的深化和拓寬概念和認識：各種實際的正/逆熱力循環(huán)（動力循環(huán)、制冷循環(huán)）及其作用。從教材的“計算機應用、工程設計及問題討論”中選擇一題進行討論和引導。教學方式講授，討論，.ppt幻燈教學過程中應注意的問題注意：復習緒論中關于熱力學研究方法的內(nèi)容，說明熱力學狀態(tài)參數(shù)是宏觀參數(shù)；重點說明準平衡過程概念的理論意義和實用意義。思考題和習題思考題：教材的課后自檢題（選一、二題在課堂上討論）習題：教材習題第一章26,12,15（可變）師生互動設計提問并啟發(fā)討論：觀察過某個熱力系統(tǒng)的狀

11、態(tài)變化嗎留意過系統(tǒng)狀態(tài)變化伴隨有系統(tǒng)與外界的能量交換嗎思考過狀態(tài)變化與能量交換間的聯(lián)系嗎用過壓力計、溫度計嗎了解溫度的概念嗎對照熱力學Law0，討論：是否所有事物都有“若A=B且A二C則必有B=C的規(guī)律”例：ABC三個班足球或歌詠比賽。引導得出結論：狀態(tài)量才有此規(guī)律請學生舉例：尺度量，強度量請學生舉例：熱力過程、熱力循環(huán)如爆炸這樣的過程，能不能作準平衡過程處理為什么講課提綱、板書設計第一部分熱力學基本定律第一章基本概念及定義1-1熱力系熱力學分析的對象.ppt圖示：熱力系統(tǒng)概念外界（環(huán)境）除熱力系以外的外部世界，但一般僅指與熱力系有關（有相互作用：W功/Q熱/m質(zhì)交換）的部份。界面（邊界）可以

12、是實際存在的，亦可是假想的。分析：熱力系的狀態(tài)及狀態(tài)變化（狀態(tài)熱力狀態(tài)）怎樣描述如何變變的規(guī)律熱力系與外界的相互作用（能/質(zhì)交換）交換了什么誰給誰數(shù)量以上二方面的聯(lián)系狀態(tài)變化乃因與外界有作用，反之與外界作用必導致系統(tǒng)改變狀態(tài)。則其間關系如何能否通過了解熱力系的狀態(tài)變化，而得知其與外界的能量交換分類：與外界作用情況：開口系，封閉系熱力系內(nèi)部情況：平衡/非平衡系，均勻（單相）/非均勻，單元/多元，特殊：絕熱系，獨立系；熱源（冷源），功源；針對不同問題，采用不同系統(tǒng)，可方便分析。1-2熱力系的描述（描述說明該熱力系的性質(zhì)）一、熱力系的狀態(tài)，平衡狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)工程熱力學EngineeringTherm

13、odynamics教案狀態(tài)（熱力（學）狀態(tài)）熱力系在某瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。狀態(tài)參數(shù)描述熱力系狀態(tài)的參數(shù)。雖然微觀上是與物質(zhì)微粒熱運動（氣體）分子疏密、運動劇烈程度有關的量，但（記得！）熱力學中只用宏觀量：P，V，T,U,。有時也引入一些外部參數(shù)作為狀參如系統(tǒng)整體的速度、高度等。平衡狀態(tài)（概念、定義）.ppt圖示：氣缸的熱、力平衡*提示學生不要只背定義，而應著重注意3點：（1）熱/力平衡，條件是溫/力差消失；（2）熱力系的平衡，意味著所有的不平衡勢差已消失；平衡/非平衡熱力系，其各狀態(tài)參數(shù)有/無確定值。（3）提出“平衡狀態(tài)”概念的意義，在于易研究（可用確定的參數(shù)值描述之，進而可分析/計算之

14、）。雖然實際工程問題中的熱力系很少是平衡狀態(tài)的毋寧說正是利用了不平衡（即平衡被破壞，系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)變化）來實現(xiàn)能量交換的但一定條件下，可視實際狀態(tài)變化過程中的各點為接近平衡態(tài)。有誤差可修正。二、狀態(tài)參數(shù)的特性.ppt圖示：系統(tǒng)的尺度量和強度量；“微團”狀態(tài)參數(shù)可分為二大類。尺度量與系統(tǒng)所含物質(zhì)數(shù)量（m,n）有關的量，具可加性（m,n,U,S,）強度量一一與系統(tǒng)所含物質(zhì)數(shù)量無關，在“點”上定義的量，無可加性（p,T,）（“點”含足夠分子的微團，非幾何上的點）比參數(shù)一一尺度量對m（或n）的微商，具強度量性質(zhì)比體積空均勻系工6mm比熱力學能u=6U6m狀態(tài)一定，則狀態(tài)值一定，即狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)

15、。確定狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)是狀態(tài)函數(shù)（或謂點函數(shù)）。狀態(tài)參數(shù)g的數(shù)學特征：與積分路徑（狀態(tài)變化途徑）無關。狀態(tài)函數(shù)的微分是全微分。1-3基本狀態(tài)參數(shù)基本參數(shù)（5個）：p（從力學引入），V（幾何），T（熱力學Law0導出），U（LawI），S（LawII）。其中p、V、T是可測的。一、密度P，比體積v二、壓力.ppt圖示：彈簧管/U形管壓力計；壓力測量1壓力的測量2壓力的單位及換算三、溫度1熱力學第零定律，溫度的概念溫度：物體的“冷熱程度”。但，何為冷/熱？不確切。微觀：“分子運動劇熱程度的度量”。熱力學：（宏觀！）溫度概念由“熱平衡”概念引出。熱平衡若二物體熱接觸時，各自狀態(tài)均不發(fā)生變化，則稱此二物

16、體處于熱平衡。.ppt圖示：Law0大量實驗、觀察表明，關于熱平衡，可有如下的經(jīng)驗定律：熱力學第零定律一一若A-B,A-C分別處于熱平衡，貝OB-C必處于熱平衡Law0指出：熱力系（B,C）間是否處于熱平衡，僅確定于B,C各自的狀態(tài)，而與其它（A是否真存在；B、C是否真熱接觸等）無關。推理：既然熱平衡與否只確定于熱力系的狀態(tài),貝可用一狀態(tài)參數(shù)來描述這一性質(zhì)（即“若與其他熱力系熱接觸，是否可處于熱平衡”的性質(zhì)）。換言之，物系間處于熱平衡，貝彼此的某一宏觀性質(zhì)必是相同的，描述此宏觀性質(zhì)的參數(shù)即溫度。*初步認識熱力學的研究和學習方法：從基本定律出發(fā)，經(jīng)一系列推理演繹，得到結論，并加以應用。溫度的熱力

17、學定義溫度是表征物體間熱平衡性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。處于熱平衡的物體，具有相同的溫度值；未處于熱平衡的物體，具有不同的溫度值。2溫度標尺Law0不僅引出了溫度的概念，還提供了溫度測量和建立溫標（溫度計）的理論基礎。.ppt圖示：各種溫度計：液體/熱電偶/熱電阻溫度計等，理想氣體溫度計（定容）理想氣體溫標：T=ap規(guī)定以水的三相點（TriplePoint）為基準點：T=273.16K（開爾文）tpVT=apa=273.16/p于是測p即可得任意點的溫度T=273.16p/pK可見上述方法建立的溫標是人為的，稱“經(jīng)驗溫標”。于是產(chǎn)生問題：“標準溫度計”何在？熱力學溫標：由熱力學理論（LawII）可推論出存

18、在一種與具體測溫物質(zhì)性質(zhì)無關的溫標。其分度方法及基準點與理想氣體溫標一致：T=273.16p/pK（第三章討論）。tp工程上常用的經(jīng)驗溫標一一攝氏溫標：定義t=0.1，而分度方法與熱力學溫標一致，即t二T-273.15C。可知水的冰點t=0C,水的汽點t0b=100C。1-4狀態(tài)方程，狀態(tài)參數(shù)坐標圖狀態(tài)一定（達平衡狀態(tài)），則系統(tǒng)所有狀參均確定（有可知值）。但（同一問題的三種問法）：是否必須確定所有狀參才能確定系統(tǒng)狀態(tài)各狀參間有無依賴關系系統(tǒng)所有狀參中獨立參數(shù)有幾個一、狀態(tài)公理（針對純物質(zhì)無化學反應的系統(tǒng)）推想：一種形式的能量交換，對應存在著一種不平衡勢；而限制一種形式的能量交換，則對應著一種不

19、平衡勢的消失，此時就有一個描述該種平衡的狀態(tài)參數(shù)不再變化而有確定值。狀態(tài)公理：決定熱力系平衡狀態(tài)的獨立參數(shù)個數(shù)，應等于系統(tǒng)與外界可以交換的能量形式的總數(shù)。簡單可壓縮系n=l（容積變化功），N=1+1=2（“簡單”系：僅1種準靜功）故對于簡單可壓系，諸參數(shù)中僅2個獨立，其余依其而變。即若此2個參數(shù)確定，系統(tǒng)狀態(tài)即確定，于是其余所有參數(shù)必確定。狀態(tài)公理指出狀態(tài)參數(shù)間應存在依變關系（函數(shù)關系）。描寫這種關系的關系式即狀態(tài)方程。二、純物質(zhì)的狀態(tài)方程對于簡單系，原則上可任選2個獨立參數(shù)E,C，而其余任一參數(shù)E可表廣義地，u=u（T,v）,s二s（T,p）,也是狀態(tài)方程，但一般（窄義地）稱由可測量p,v,

20、T組成的函數(shù)關系式f（p,v,T）=0為狀態(tài)方程。例理想氣體狀態(tài)方程pv=RT或pV=RT狀態(tài)方程反映了系統(tǒng)狀態(tài)變化時各狀態(tài)參數(shù)間的制約關系（不是隨意亂變）。三、狀態(tài)參數(shù)坐標圖.ppt圖示：狀態(tài)參數(shù)坐標圖簡單可壓系（工程上常見、常用）獨立變量2個，故可用以構成一直角坐標系，其中一點表一狀態(tài)（平衡態(tài)）。（1）非平衡態(tài)，由于狀態(tài)不確定，故無法在圖上表示；（2）利用坐標圖，可直觀表示狀態(tài)（1、2點及1-2線）；（3）狀態(tài)參數(shù)坐標圖可方便分析計算（一張好圖，勝過千言萬語）1-6熱力過程及熱力循環(huán).ppt圖示：熱力過程（坐標圖），準平衡過程（活塞氣缸：移重物）一、熱力過程與外界相互作用下，熱力系發(fā)生狀態(tài)變化的過程注意：（1）過程是外界作用而破壞系統(tǒng)平衡的結果。（2）過程的效果：系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生了變化邊界上一一與外界交換了Q/W。例：對于已有設備、工況，如何計算Q/W給定