工程熱力學(xué)課件0

工程熱力學(xué)課件華北電力大學(xué)（北京）動(dòng)力工程系工程熱物理教研室制作2005年5月工程熱力學(xué)課件華北電力大學(xué)（北京）工程熱力學(xué)

EngineeringThermodynamics

工程熱力學(xué)緒論

緒論一.熱能及其利用人類在生產(chǎn)和日常生活中需要各種形式的能量。能量的開發(fā)和利用程度是一個(gè)社會(huì)發(fā)展的重要標(biāo)志。能源：提供各種能量的物質(zhì)資源。一次能源：以原始狀態(tài)存在于自然界，不需要加工或轉(zhuǎn)換，可以直接利用的能源。亦稱為天然能源。如原煤、原油、天然氣、可燃冰、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。二次能源：由一次能源加工轉(zhuǎn)換后的能源。主要是是熱能、機(jī)械能和電能。一.熱能及其利用人類在生產(chǎn)和日常生活中需要各種形式各種能量之間的轉(zhuǎn)化圖各種能量之間的轉(zhuǎn)化圖我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、消費(fèi)情況我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是以煤炭為主，這在世界上也是比較獨(dú)特的。帶來的問題：煤礦的安全問題、環(huán)境污染問題等。石油進(jìn)口的依賴性增加。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、消費(fèi)情況我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是以煤炭為主，這2000年

人均能耗（toe/人）

美國(guó)8.17中國(guó)0.735世界1.50

單位產(chǎn)值能耗（toe/百萬(wàn)美元）

美國(guó)263德國(guó)127日本92.3中國(guó)892世界264

人均發(fā)電量

（kWh）

挪威31890美國(guó)13474德國(guó)6814中國(guó)1063

發(fā)電量（TWh）

美國(guó)4609德國(guó)567日本1082中國(guó)1354世界15360

人口（百萬(wàn)）

美國(guó)312德國(guó)82.2日本127中國(guó)1262

發(fā)電煤耗

中國(guó)363（20013572002356）

裝機(jī)容量（萬(wàn)千瓦）

中國(guó)200235657.09（水8607046火25664.67核446.80其他48.18）2000年

人均能耗（toe/人）

美國(guó)8.17中中國(guó)已建、在建核電站（萬(wàn)千瓦）秦山一期30國(guó)產(chǎn)壓水堆1991年秦山二期2*60國(guó)產(chǎn)壓水堆2002、2003年秦山三期2*70加拿大重水堆2003年廣東大亞灣2*90法馬通壓水堆1994年廣東嶺澳2*98.4同上2002、2003年江蘇田灣2*100俄羅斯壓水堆2004、2005年中國(guó)已建、在建核電站（萬(wàn)千瓦）秦山一期30我國(guó)已建、在建大型水電站（萬(wàn)千瓦）三峽1820二灘330(1998)廣州抽水蓄能240(2000)葛洲壩271.5(1981)李家峽200(1987)我國(guó)已建、在建大型水電站（萬(wàn)千瓦）三峽

我國(guó)能源探明剩余可采儲(chǔ)量1392億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，58.8%煤炭、3.4%石油、1.3%天然氣、36.5%水能石油的儲(chǔ)采比<15(世界平均為40)，2003年進(jìn)口約1億噸，石油的缺口很大。天然氣雖有好的前景，但資源量有限。我國(guó)能源探明剩余可采儲(chǔ)量1392億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，58.8電力與新能源發(fā)電組○裝機(jī)容量規(guī)劃建議

電力與新能源發(fā)電組○裝機(jī)容量規(guī)劃建議2010年新增機(jī)組5％CFB，15％亞臨界，25％超臨界，5％超超臨界，所以CFB－超臨界有前景。2010年煤炭洗選50％，2020年95％以上經(jīng)加工處理－－煤泥發(fā)電。2010年新增機(jī)組5％CFB，15％亞臨界，25％超臨界，對(duì)應(yīng)我國(guó)小康社會(huì)水平的主要

國(guó)家人均發(fā)電量國(guó)家項(xiàng)目美國(guó)日本中國(guó)年份1942196719902000201020202050人均發(fā)電量kWh/人.年350050005471106212924284502摘自—中國(guó)能源戰(zhàn)略研究總報(bào)告—中國(guó)工程院咨詢報(bào)告97-00-01-01

對(duì)應(yīng)我國(guó)小康社會(huì)水平的主要

國(guó)家人均發(fā)電量國(guó)污染控制市場(chǎng)預(yù)測(cè)到2020年，新裝600MW火電機(jī)組約700臺(tái)；新裝機(jī)組均裝置脫硫、脫硝設(shè)備。投資成本：SO2=250元/千瓦裝機(jī)量；NOx：200元/千瓦裝機(jī)量至2020年SO2、NOx市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)污染控制市場(chǎng)預(yù)測(cè)到2020年，新裝600MW火電機(jī)組約7003.海底天然氣水合物為一種白色固體物質(zhì),外形象冰,有極強(qiáng)的燃燒力.有水分子和燃?xì)夥肿?主要是甲烷分子組成,最近二十年才被人們廣泛發(fā)現(xiàn).具有能量高,分布廣,埋藏淺,規(guī)模大等特點(diǎn)。全球天然氣水合物中的總含碳量約為地球上所有化石燃料含碳總量的兩倍。絕大部分分布在海洋中,水深300～500米海底之下500～1000米的范圍內(nèi),海洋里天然氣水合物的資源量約為1.8億立方米,約合11萬(wàn)億噸,是陸地資源量的100倍.天然氣水合物形成需要三個(gè)條件:1.足夠低的溫度2.較高的壓力3.原始物質(zhì)-氣和水的足夠富集3.海底天然氣水合物為一種白色固體物質(zhì),外形象冰,有極強(qiáng)的天然氣水合物的結(jié)構(gòu)中部是甲烷分子，碳1（黃色），氫4（灰色）外部是水分子組成的網(wǎng)籠多個(gè)天然氣水合物分子的組合天然氣水合物的結(jié)構(gòu)多個(gè)天然氣水合物分子的組合天然氣水合物可能造成的全球變化和海底災(zāi)害天然氣水合物可能造成的全球變化和海底災(zāi)害天然氣水合物的資源量相當(dāng)于化石燃料（包括煤、天然氣和石油）資源量的兩倍全球有機(jī)碳的分布天然氣水合物的資源量相當(dāng)于化石燃料（包括煤、天然氣和石油）資左圖為天然氣水合物的外貌右圖為天然氣水合物呈脈狀存在于海底沉積物之中左圖為天然氣水合物的外貌天然氣水合物的燃燒過程：1、天然氣水合物置于鐵罐中；2、點(diǎn)火；3、天然氣水合物被點(diǎn)燃；4、熊熊烈火天然氣水合物的燃燒過程：天然氣水合物在手中燃燒天然氣水合物在手中燃燒中國(guó)發(fā)電的平均耗煤量g/kW.h中國(guó)發(fā)電的平均耗煤量g/kW.h二、熱力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1.熱力學(xué)是研究能量、能量轉(zhuǎn)換及其與物質(zhì)性質(zhì)之間關(guān)系的普遍學(xué)說。2.原始人在爭(zhēng)取自己生存條件的自然斗爭(zhēng)中學(xué)會(huì)了取火和用火，這是人類取得的第一個(gè)巨大成就，是人類啟蒙性地發(fā)掘利用熱能的第一步。恩格斯曾對(duì)此給予了高度評(píng)價(jià)。但這并不是熱力學(xué)的開始。3.在人類歷史上，水力的利用曾長(zhǎng)期占據(jù)統(tǒng)治地位。二、熱力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1.熱力學(xué)是研究能量、能量轉(zhuǎn)換及其與物質(zhì)性4.1784年，瓦特（J.Watt,1736-1819)對(duì)原始蒸汽機(jī)進(jìn)行改造，增加了曲軸、進(jìn)汽閥、排汽閥。瓦特的發(fā)明引發(fā)了產(chǎn)業(yè)革命。蒸汽機(jī)運(yùn)用到航海也以后，由于船上儲(chǔ)煤空間寶貴，，促使人們對(duì)如何提高蒸汽機(jī)的工作效率、節(jié)約用煤?jiǎn)栴}進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在十九世紀(jì)中葉開始形成“熱力學(xué)”這門學(xué)科，和“電磁學(xué)”一道從牛頓力學(xué)上分枝出來。4.1784年，瓦特（J.Watt,1736-1819)對(duì)原5.熱力學(xué)第一、二定律的出現(xiàn)標(biāo)志著熱力學(xué)的建立1）到十九世紀(jì)中葉，焦耳（J.P.Joule.1818-1889)前后用了20多年時(shí)間，做過多種多樣的實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了熱功當(dāng)量。1850年當(dāng)焦耳寫出第一篇總結(jié)論文時(shí)，他的各種精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，已經(jīng)給出了能量守恒定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

5.熱力學(xué)第一、二定律的出現(xiàn)標(biāo)志著熱力學(xué)的建立1）到十九世紀(jì)焦耳：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者之一焦耳，J.P.（JamesPrescottJoule1818～1889）英國(guó)物理學(xué)家。1818年12月24日生于索爾福。他父親是釀酒廠的廠主。焦耳從小體弱不能上學(xué)，在家跟父親學(xué)釀酒，并利用空閑時(shí)間自學(xué)化學(xué)、物理。他很喜歡電學(xué)和磁學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)特別感興趣。后來成為英國(guó)曼徹斯特的一位釀酒師和業(yè)余科學(xué)家。焦耳可以說是一位靠自學(xué)成才的杰出的科學(xué)家。焦耳：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者之一焦耳，J.P.（James此外，邁爾（JuliusRobertVonMayer1814-1878）和赫姆霍茲（HermannVonHelmholtz1821-1894）等人也都對(duì)熱力學(xué)第一定律作出了貢獻(xiàn)。此外，邁爾（JuliusRobertVonMayer2)1824年，卡諾（SadiCarnot1796-1832）提出了卡諾循環(huán)和卡諾定理，發(fā)現(xiàn)了熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的根本條件，即必須有溫度不同的熱源和冷源，這從本質(zhì)上說明了熱力學(xué)第二定律。在卡諾研究的基礎(chǔ)上，1850~1851年間，克勞修斯和開爾文先后提出了熱力學(xué)第二定律。開爾文在1848年根據(jù)卡諾定理制定了“熱力學(xué)溫標(biāo)”，克勞修斯在1850年根據(jù)卡諾定理提出了“熵”。2)1824年，卡諾（SadiCarnot1796-18卡諾（SadiCarnot）：英年早逝的奠基者卡諾的父親拉扎爾．卡諾是拿破侖第一執(zhí)政手下的戰(zhàn)爭(zhēng)部長(zhǎng)及滑鐵盧戰(zhàn)爭(zhēng)前百日政權(quán)的內(nèi)政部長(zhǎng)1812年，薩迪．卡諾考入巴黎理工學(xué)院，在那里受教于泊松．蓋－呂薩克、安培和阿喇戈這樣一批卓有成就的老師。他主要攻讀了分析數(shù)學(xué)、分析力學(xué)、畫法幾何和化學(xué)。28歲時(shí)發(fā)表《關(guān)于火的動(dòng)力》36歲去世。卡諾（SadiCarnot）：英年早逝的奠基者卡諾的父親6.1906年，能斯特（walterNernst1869-1941)根據(jù)低溫下化學(xué)反應(yīng)的大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)歸納出了新的規(guī)律，并于1912年將之表述為絕對(duì)零度不能達(dá)到，即熱力學(xué)第三定律。熱力學(xué)第三定律的建立，使經(jīng)典熱力學(xué)理論更加完善。6.1906年，能斯特（walterNernst18697.熱力學(xué)的建立與理論研究上的成就反過來又促進(jìn)了熱動(dòng)力機(jī)的不斷改進(jìn)與發(fā)展。早期蒸汽機(jī)的熱效率只有1%~2%，目前蒸汽電站的熱效率達(dá)40%，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的熱效率已接近60%十九世紀(jì)末，發(fā)明了汽輪機(jī)：高參數(shù)、高效率、大功率。十九世紀(jì)末，還發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)：重量輕、熱效率高、能移動(dòng)。近幾十年來，燃?xì)廨啓C(jī)已發(fā)展并改進(jìn)成為適合實(shí)際應(yīng)用的一種重要的熱動(dòng)力設(shè)備：軍艦、噴氣式飛機(jī)、燃機(jī)電站。7.熱力學(xué)的建立與理論研究上的成就反過來又促進(jìn)了熱動(dòng)力機(jī)的不三、學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的重要意義1.是第一門、也是最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。是眾多院校研究生入學(xué)的考試科目。2.應(yīng)用廣泛：電廠熱能動(dòng)力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程（暖通、空調(diào)）、化工、汽車、火箭、核電站等。3.能解決很多專業(yè)方面的問題和日常生活方面的問題。三、學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)的重要意義1.是第一門、也是最重要的一門專例1：革凝汽器的命？我國(guó)的能源短缺，而一般蒸汽火電廠的熱效率只有40%左右，煤燃燒產(chǎn)生的熱量中大約50%由冷卻塔（coolingtower)排放到周圍環(huán)境。為什么不能不要凝汽器（即所謂“革凝汽器的命”）？例1：革凝汽器的命？我國(guó)的能源短缺，而一般蒸汽火電廠的熱效率例二：火力發(fā)電原理圖例二：火力發(fā)電原理圖為什么要將汽輪機(jī)切開？

為什么要在汽輪機(jī)上打孔？為什么要將汽輪機(jī)切開？

為什么要在汽輪機(jī)上打孔？例3：哥倫比亞航天飛機(jī)失事2003年2月1日22點(diǎn)（北京時(shí)間），美國(guó)哥倫比亞航天飛機(jī)在返回地面前16分鐘解體，7宇航員罹難。失事時(shí)，飛行高度為203,000英尺，時(shí)速為12,500英里。老化：服務(wù)21年。滯止溫度：在點(diǎn)火升空時(shí)，其巨大的外部燃料箱物體脫落，并且擊中了飛機(jī)的左翼，隔熱瓦脫落。例3：哥倫比亞航天飛機(jī)失事2003年2月1日22點(diǎn)（北京時(shí)間附：隔熱瓦絕熱瓦是用來保護(hù)燃料箱免于高溫或低溫的損害，圖中的樣品與懷疑從固體火箭助推器外部燃料箱左側(cè)脫落的絕熱瓦屬于同一類型。附：隔熱瓦絕熱瓦是用來保護(hù)燃料箱免于高溫或低溫的損害，圖中的例四：汽化潛熱為什么用蒸鍋熱剩飯剩菜時(shí)，沒有必要放很多水？例四：汽化潛熱為什么用蒸鍋熱剩飯剩菜時(shí)，沒有必要放很多水？例5：酒精燈為什么牙科醫(yī)生和耳鼻喉醫(yī)生的診臺(tái)上要放一個(gè)酒精燈？例5：酒精燈為什么牙科醫(yī)生和耳鼻喉醫(yī)生的診臺(tái)上要放一個(gè)酒精燈四：如何學(xué)好《工程熱力學(xué)》？雖然《工程熱力學(xué)》是一門很重要、很有意思的課，但同時(shí)也是公認(rèn)的很難學(xué)的一門課：概念抽象、內(nèi)容繁多。課前預(yù)習(xí)，上課認(rèn)真聽講，做筆記。課后復(fù)習(xí)，獨(dú)立、認(rèn)真完成作業(yè)。熱力學(xué)的直觀語(yǔ)言很重要：P-V圖、T-s圖、h-s圖、h-d圖。適當(dāng)?shù)乜匆恍﹨⒖紩?。四：如何學(xué)好《工程熱力學(xué)》？雖然《工程熱力學(xué)》是一門很重要、五、參考書目《工程熱力學(xué)》朱明善等清華大學(xué)出版社《工程熱力學(xué)》龐麓鳴等高等教育出版社《工程熱力學(xué)》嚴(yán)家騄編著，高教出版社五、參考書目《工程熱力學(xué)》朱明善等清華大學(xué)出版社工程熱力學(xué)題型分析—朱明善等編，清華出版社

工程熱力學(xué)題型分析—朱明善等編，清華出版社

六、作業(yè)第1章：5，8，10，14，16第2章：1，4，9，10，12第3章：1，3，4，8，9，12，16第4章：6，10，15，17，24，第5章：1，4，6，16，21