機(jī)械工程學(xué)科介紹

機(jī)械工程學(xué)科介紹第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一機(jī)械工程導(dǎo)論第六章熱和能量系統(tǒng)概述機(jī)械的能量、功和功率能量的熱傳導(dǎo)能量的守恒和轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)原理及功效本章內(nèi)容第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.1概述能（energy）：物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種度量。對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式，能量也有各種形式，彼此可以互相轉(zhuǎn)換，但總量不變。也稱為能量。能量分為機(jī)械能、分子內(nèi)能、電能、化學(xué)能、原子能等

。熱力學(xué)中的能量主要指熱能和由熱能轉(zhuǎn)換而成的機(jī)械能。

第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一與宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是動(dòng)能；與分子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是熱能；與原子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是化學(xué)能；與帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是電能；與光子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是光能；第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)運(yùn)動(dòng)形式相同時(shí)：

兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)特性可以采用某些物理量或化學(xué)量來描述和比較。例如，兩個(gè)作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體可以用速度、加速度、動(dòng)量等物理量來描述和比較；兩股作定向運(yùn)動(dòng)的電流可以用電流強(qiáng)度、電壓、功率等物理量來描述和比較。當(dāng)運(yùn)動(dòng)形式不相同時(shí)：

兩個(gè)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性唯一可以相互描述和比較的物理量就是能量，即能量特性是一切運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的共同特性，能量尺度是衡量一切運(yùn)動(dòng)形式的通用尺度。第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一能量的單位能量以各種形式，出現(xiàn)在不同的運(yùn)動(dòng)中，并通過作功、傳熱等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。能量的單位為焦、千瓦時(shí)、電子伏（特）等。能量在物理中的符號(hào)一般是E，其國(guó)際單位是焦耳J，量綱M*L^2*T^(-2)。除焦?fàn)柾獬Ｓ玫倪€有千瓦小時(shí)kWh和卡cal：第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一質(zhì)能關(guān)系

在狹義相對(duì)論中，能量和另一個(gè)重要物理概念即質(zhì)量聯(lián)系在一起了，建立了質(zhì)能關(guān)系公式：E＝mc2，即質(zhì)量和能量就是一個(gè)東西，是一個(gè)東西的兩種表述。質(zhì)量就是內(nèi)斂的能量，能量就是外顯的質(zhì)量。愛因斯坦：“質(zhì)量就是能量，能量就是質(zhì)量。時(shí)間就是空間，空間就是時(shí)間。”

第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工程熱力學(xué)的概念熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中，物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時(shí)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)與外界相互作用的學(xué)科。工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個(gè)分支，它主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，是機(jī)械工程的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工程熱力學(xué)的基本任務(wù)

基本任務(wù)：通過對(duì)熱力系統(tǒng)、熱力平衡、熱力狀態(tài)、熱力過程、熱力循環(huán)和工質(zhì)的分析研究，改進(jìn)和完善熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、制冷機(jī)和熱泵的工作循環(huán)，提高熱能利用率和熱功轉(zhuǎn)換效率。第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工程熱力學(xué)具體研究?jī)?nèi)容以熱力學(xué)基本定律為依據(jù)，探討各種熱力過程的特性；研究氣體和液體的熱物理性質(zhì)，以及蒸發(fā)和凝結(jié)等相變規(guī)律；研究溶液特性也是分析某些類型制冷機(jī)所必需的?，F(xiàn)代工程熱力學(xué)還包括諸如燃燒等化學(xué)反應(yīng)過程，溶解吸收或解吸等物理化學(xué)過程，這就又涉及化學(xué)熱力學(xué)方面的基本知識(shí)。第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工程熱力學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，研究的方法是宏觀的，它以歸納無數(shù)事實(shí)所得到的熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律作為理論基礎(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(duì)宏觀現(xiàn)象和熱力過程進(jìn)行研究。第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工程熱力學(xué)的歷史發(fā)展

古代人類——取火和用火；直到17世紀(jì)末，人們還不能正確區(qū)分溫度和熱量這兩個(gè)基本概念的本質(zhì)。1709～1714年華氏溫標(biāo)和1742～1745年攝氏溫標(biāo)的建立，才使測(cè)溫有了公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。隨后又發(fā)展了量熱技術(shù)，為科學(xué)地觀測(cè)熱現(xiàn)象提供了測(cè)試手段，使熱學(xué)走上了近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路。第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1798年，朗福德（美國(guó)-英國(guó)物理學(xué)家）觀察到用鉆頭鉆炮筒時(shí)，消耗機(jī)械功的結(jié)果使鉆頭和筒身都升溫。1799年，英國(guó)人戴維用兩塊冰相互摩擦致使表面融化，這顯然無法由“熱質(zhì)說”得到解釋。1842年，德國(guó)的邁爾提出了能量守恒理論，認(rèn)定熱是能的一種形式，可與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化，并且從空氣的定壓比熱容與定容比熱容之差計(jì)算出熱功當(dāng)量。第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一英國(guó)物理學(xué)家焦耳于1840年建立電熱當(dāng)量的概念；1842年以后用不同方式實(shí)測(cè)了熱功當(dāng)量；1850年，焦耳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已使科學(xué)界徹底拋棄了“熱質(zhì)說”。公認(rèn)能量守恒、能的形式可以互換的熱力學(xué)第一定律為客觀的自然規(guī)律。能量單位焦耳就是以他的名字命名的。第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1824年，法國(guó)人卡諾提出著名的卡諾定理，指明工作在給定溫度范圍的熱機(jī)所能達(dá)到的效率極限，這實(shí)質(zhì)上已經(jīng)建立起熱力學(xué)第二定律。但受“熱質(zhì)說”的影響，他的證明方法還有錯(cuò)誤。1848年，英國(guó)工程師開爾文根據(jù)卡諾定理制定了熱力學(xué)溫標(biāo)。1850年和1851年，德國(guó)的克勞修斯和開爾文先后提出了熱力學(xué)第二定律，并在此基礎(chǔ)上重新證明了卡諾定理。

第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1850～1854年，克勞修斯根據(jù)卡諾定理提出并發(fā)展了熵的概念。熱力學(xué)第一定律和第二定律的確認(rèn)，對(duì)于兩類“永動(dòng)機(jī)”的不可能實(shí)現(xiàn)作出了科學(xué)的最后結(jié)論，正式形成了熱現(xiàn)象的宏觀理論熱力學(xué)。同時(shí)也形成了“工程熱力學(xué)”這門技術(shù)科學(xué)，它成為研究熱機(jī)工作原理的理論基礎(chǔ)，使內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣推進(jìn)機(jī)等相繼取得迅速進(jìn)展。第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一與此同時(shí)，在應(yīng)用熱力學(xué)理論研究物質(zhì)性質(zhì)的過程中，還發(fā)展了熱力學(xué)的數(shù)學(xué)理論，找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的相應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)，研究了物質(zhì)在相變、化學(xué)反應(yīng)和溶液特性方面所遵循的各種規(guī)律。1906年，德國(guó)的能斯脫在觀察低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)熱定理；1912年，這個(gè)定理被修改成熱力學(xué)第三定律的表述形式。

第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二十世紀(jì)初以來，對(duì)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(duì)能源問題的重視，人們對(duì)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。第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工程熱物理學(xué)學(xué)科方向及進(jìn)展

工程熱力學(xué)和能源學(xué)科熱力學(xué)基礎(chǔ)研究方面，在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)及分子模擬領(lǐng)域有兩方面進(jìn)展：一方面是分形理論等新的分析手段的引進(jìn)，取得了好的效果；另一方面，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)及分子模擬研究開始向?qū)嵱没~進(jìn)。第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為滿足國(guó)家節(jié)能減排的重大需求，各種余熱驅(qū)動(dòng)、低溫余熱利用以及大溫差的制冷循環(huán)研究不斷深入，吸收、吸附式制冷循環(huán)，復(fù)疊式制冷循環(huán)以及水基有機(jī)混合物相變蓄冷等新型蓄能技術(shù)被廣泛研究。熱聲理論得到快速發(fā)展的同時(shí)，熱聲制冷和熱聲發(fā)電技術(shù)在實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用方面的研究進(jìn)展很快。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可再生能源與溫室氣體控制是能源與環(huán)境領(lǐng)域研究的重要主題。我國(guó)近年來經(jīng)歷了對(duì)各種太陽(yáng)能熱發(fā)電形式的關(guān)鍵技術(shù)研究，并啟動(dòng)了國(guó)家太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)專項(xiàng)研究。太陽(yáng)能光催化分解水制氫研究在催化劑、制氫設(shè)備和制氫系統(tǒng)等方面取得實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展。太陽(yáng)能燃料轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究有望實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的太陽(yáng)能燃料開發(fā)。第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)制氫和液體燃料等方面也取得一定進(jìn)展。我國(guó)學(xué)者首次提出了能源轉(zhuǎn)換利用與CO2分離一體化原理，實(shí)現(xiàn)低能耗甚至無能耗分離CO2，研究制定了適合我國(guó)國(guó)情的溫室氣體控制技術(shù)路線。

第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傳熱傳質(zhì)分學(xué)科

在導(dǎo)熱研究方面，隨著超快速激光加熱技術(shù)以及MEMS/NEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)Micro-electromechanicalSystems/Nano-ElectromechanicalSystem,

）等微納科技的發(fā)展，導(dǎo)熱過程在時(shí)間尺度、空間尺度、環(huán)境溫度以及熱流密度等都在向極端狀況擴(kuò)展。微納尺度下的導(dǎo)熱規(guī)律的研究是傳熱學(xué)發(fā)展的新的重要研究方向，它對(duì)微納熱電轉(zhuǎn)換裝置等高科技產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的意義。第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)流傳熱的研究在保留了經(jīng)典方向的深化和再認(rèn)識(shí)拓展等內(nèi)容之外，多趨向復(fù)雜和交叉領(lǐng)域。非線性問題，湍流直接模擬，微尺度、跨尺度問題是自然對(duì)流研究的主要方向。對(duì)流換熱過程強(qiáng)化和優(yōu)化的研究熱點(diǎn)是換熱器和換熱網(wǎng)絡(luò)中的場(chǎng)協(xié)同理論、節(jié)能型強(qiáng)化技術(shù)的開發(fā)，以及污垢形成機(jī)理以及新型抗垢技術(shù)。

第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輻射傳熱目前的發(fā)展趨勢(shì)是研究?jī)?nèi)容的深化，以及趨向復(fù)雜和交叉領(lǐng)域，以符合航空航天、紅外探測(cè)、目標(biāo)與環(huán)境的紅外特性、強(qiáng)激光及應(yīng)用、功能材料制造以及生物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展對(duì)輻射傳熱的需求。第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一我國(guó)工程熱物理學(xué)科前景展望

學(xué)科發(fā)展目標(biāo)：

建立一支結(jié)構(gòu)合理、精干和穩(wěn)定的基礎(chǔ)性研究隊(duì)伍，扶持與建設(shè)一批比較先進(jìn)的工程熱物理與能源利用的研究基地，使我國(guó)工程熱物理學(xué)科基礎(chǔ)研究有更多的分支和領(lǐng)域接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；孕育創(chuàng)新思想、積累科學(xué)儲(chǔ)備，為解決制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源重大關(guān)鍵問題確定技術(shù)發(fā)展方向和奠定科學(xué)基礎(chǔ)，并為相關(guān)的能源高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供科學(xué)源泉與支撐。第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一學(xué)科發(fā)展的重點(diǎn)繼續(xù)加強(qiáng)工程熱物理學(xué)科基礎(chǔ)研究，注重能源－環(huán)境、能源－材料、能源－生物等學(xué)科交叉和領(lǐng)域滲透，使我國(guó)工程熱物理學(xué)科適應(yīng)能源、環(huán)境問題的需求，爭(zhēng)取在若干有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的學(xué)科躋身于世界先進(jìn)行列；解決化石能源發(fā)展和應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，發(fā)展與開拓科學(xué)的途徑與方法，使常規(guī)化石能源，特別是煤炭成為高效、潔凈、穩(wěn)定、廉價(jià)的能源；第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為推動(dòng)可再生能源發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，提供科學(xué)源泉和支撐，以不斷改善我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和加快能源結(jié)構(gòu)多元化，建立可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)；加強(qiáng)能源轉(zhuǎn)換的物理化學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)研究，為煤炭潔凈利用、石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備、規(guī)模化蓄能、生物質(zhì)能開拓等奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一功是力在空間上的積累，是一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體的空間作用力的積累，它不等同于能量。能量既可以是物質(zhì)所蘊(yùn)涵的，也可是物質(zhì)間傳遞的。能量與功之間存在一定聯(lián)系，能量的增量就是物質(zhì)間作用的功。功和能量不是一種東西，但是往往伴隨發(fā)生。向外做功時(shí)，伴隨能量的流出；被其他物體做功時(shí)，伴隨著能量的吸收過程。

能量、功和功率第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一能量是一個(gè)靜態(tài)的概念，可以說一個(gè)物體具有多少勢(shì)能、原子能、化學(xué)能等等，但是實(shí)際上能量實(shí)際上又是一個(gè)相對(duì)的概念，即一個(gè)物體具有多少能量必須通過他能夠做多少功來表現(xiàn)出來.譬如我們說水庫(kù)中的水具有多少勢(shì)能，實(shí)際上就是指將水庫(kù)中的水全部拿來做功（譬如發(fā)電），它能夠做多少功。

第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一功是能量轉(zhuǎn)化的量度功是過程量能是狀態(tài)量第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱傳遞熱傳遞:

是熱從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分的過程。熱傳遞是自然界普遍存在的一種自然現(xiàn)象。第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在熱傳遞過程中，物質(zhì)并未發(fā)生遷移，只是高溫物體放出熱量，溫度降低，內(nèi)能減少（確切地說是物體里的分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減?。?，低溫物體吸收熱量，溫度升高，內(nèi)能增加。因此，熱傳遞的實(shí)質(zhì)就是能量從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移的過程，這是能量轉(zhuǎn)移的一種方式。熱傳遞轉(zhuǎn)移的是內(nèi)能，而不是溫度。第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱傳遞的方式1、傳導(dǎo)

它具有依靠物體內(nèi)部的溫度差或兩個(gè)不同物體直接接觸，在不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，僅靠物體內(nèi)部微粒的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量；

a.固體與液體：分子碰撞；

b.固體與固體間：自由電子運(yùn)動(dòng)；

c.氣體之間：分子熱運(yùn)動(dòng)；第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、對(duì)流

流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞的過程；（1）自對(duì)流：靠物體的密度差，引起密度變化的最大因素是溫度；（2）受迫對(duì)流：是靠作功，受到機(jī)械作用或壓力差而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、熱輻射：

物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射，由于熱的原因，物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波的能量而進(jìn)行的輻射過程。任何物體只要在0K以上，就能發(fā)生熱輻射。

第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

影響換熱系數(shù)的幾個(gè)因素：

1、流體的流動(dòng)狀態(tài)：a.層流：易產(chǎn)生熱邊界層；b.紊流：破壞熱邊界層，多運(yùn)用