工程熱力學(xué)第1講第0章緒論

自我介紹主講：曲延鵬

機(jī)械工程學(xué)院過控研究所(千佛山校區(qū)8#508)

(88395100（O）（M）

Email：課代表：惠東林目前一頁\總數(shù)四十六頁\編于五點本講內(nèi)容CH0緒論1工程熱力學(xué)簡介2熱力學(xué)發(fā)展史3教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求目前二頁\總數(shù)四十六頁\編于五點思考題CH0緒論

1了解工程熱力學(xué)發(fā)展簡史；2理解熱能和機(jī)械能連續(xù)轉(zhuǎn)換需要滿足的條件。目前三頁\總數(shù)四十六頁\編于五點CH0緒論0.1工程熱力學(xué)簡介課程性質(zhì)研究對象研究內(nèi)容研究方法0.2熱力學(xué)發(fā)展史理論——熱力學(xué)四大定律實踐——熱機(jī)熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家0.3教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求目前四頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.1工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)：是一門從工程觀點來論述熱力學(xué)普遍原理及其各種應(yīng)用的基礎(chǔ)性應(yīng)用學(xué)科。本課程的性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課節(jié)能分析的理論基礎(chǔ)過程裝備設(shè)計的理論基礎(chǔ)之一工程熱力學(xué)：

熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換物理熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)生物熱力學(xué)溶液熱力學(xué)熱力學(xué)傳熱學(xué)熱工基礎(chǔ)目前五頁\總數(shù)四十六頁\編于五點世界能源狀況全球能源消費增長迅速全球能源危機(jī)目前六頁\總數(shù)四十六頁\編于五點石油價格波動目前七頁\總數(shù)四十六頁\編于五點中國能源需求與生產(chǎn)差額目前八頁\總數(shù)四十六頁\編于五點中國與世界工業(yè)能耗比較g/kW.h中國平均供電耗煤量的變化冶金\化肥耗煤量比較目前九頁\總數(shù)四十六頁\編于五點節(jié)能是我們的責(zé)任我國主要部門節(jié)能潛力：鋼鐵工業(yè)24%建材工業(yè)13-22%石化10-24%合成氨6-18%有色金屬4-10%交通部門:公路20-50%

鐵路10-30%

民航16-34%

政府機(jī)構(gòu)：15-20%節(jié)能是近年來的基本國策“開發(fā)和節(jié)約并重”節(jié)能任重道遠(yuǎn)！節(jié)能是我們的責(zé)任！目前十頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.1工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)的研究對象：

工程熱力學(xué)主要研究熱能的有效利用以及熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。

熱是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種自然力，是地球上一切生命的源泉。

—恩格斯目前十一頁\總數(shù)四十六頁\編于五點能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系熱能電能機(jī)械能

風(fēng)能水能化學(xué)能核能地?zé)崮芴柲芤淮文茉?天然存在)二次能源光電轉(zhuǎn)換燃料電池光熱聚變裂變?nèi)紵囁啓C(jī)風(fēng)車熱機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)85%轉(zhuǎn)換直接利用利用生物質(zhì)目前十二頁\總數(shù)四十六頁\編于五點生活中常見的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備鍋爐冰箱汽車汽輪機(jī)空調(diào)飛機(jī)目前十三頁\總數(shù)四十六頁\編于五點蒸汽動力裝置

熱電廠蒸汽機(jī)車(化學(xué)能熱能機(jī)械能電能)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)目前十四頁\總數(shù)四十六頁\編于五點燃?xì)廨啓C(jī)裝置

飛機(jī)坦克(化學(xué)能熱能機(jī)械能）1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)目前十五頁\總數(shù)四十六頁\編于五點內(nèi)燃機(jī)裝置

汽車火車(化學(xué)能熱能機(jī)械能）空氣、油廢氣吸氣壓縮點火膨脹排氣1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán)(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)目前十六頁\總數(shù)四十六頁\編于五點制冷裝置

冰箱

空調(diào)

(電能機(jī)械能熱能)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán)(加壓、放熱、膨脹、吸熱)目前十七頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱能與其他形式能之間轉(zhuǎn)換的條件熱源、冷源工作介質(zhì)——氣體或者蒸汽容積變化循環(huán)吸熱（蒸發(fā)）膨脹（節(jié)流）壓縮冷凝（放熱）目前十八頁\總數(shù)四十六頁\編于五點常見能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量利用率

發(fā)電（火力、核能）40%

車輛發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）25~35%

輪船發(fā)動機(jī)25~35%航空發(fā)動機(jī)

20~30%

制冷空調(diào)(非熱機(jī)）

>200%目前十九頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.1工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容：1）基本概念、基本定律；2）工質(zhì)的熱力性質(zhì)；3）熱力過程、熱力循環(huán)；4）熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理；5）節(jié)能分析。6）溶液熱力學(xué)！7）化學(xué)熱力學(xué)！目前二十頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.1工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)的研究方法：1、宏觀方法：將研究對象看作連續(xù)體，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗的總結(jié)。

特點：可靠，普遍，不能任意推廣應(yīng)用：經(jīng)典（宏觀,平衡）熱力學(xué)

化工裝備及過程領(lǐng)域2、微觀方法：從微觀粒子的運動及相互作用角度以研究熱現(xiàn)象及規(guī)律。

特點：揭示本質(zhì)，模型近似應(yīng)用：微觀（統(tǒng)計）熱力學(xué)

宏觀基本實驗規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律邏輯推理對微觀結(jié)構(gòu)提出模型、假設(shè)統(tǒng)計方法熱現(xiàn)象規(guī)律目前二十一頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史理論發(fā)展——熱力學(xué)四大定律：熱力學(xué)第零定律

1931年

T熱力學(xué)第一定律18401850年

E熱力學(xué)第二定律18541855年

S熱力學(xué)第三定律1906年

S基準(zhǔn)人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)：勾股定理微生物的存在血液循環(huán)物種進(jìn)化基因牛頓運動定律物質(zhì)的結(jié)構(gòu)電流熱力學(xué)四大定律光的波粒二象性目前二十二頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowlerin1931）

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論基礎(chǔ)。B溫度計熱力學(xué)第零定律目前二十三頁\總數(shù)四十六頁\編于五點對溫度的研究1593年，伽利略利用空氣熱脹冷縮的性質(zhì)，制成了溫度計的雛形。1702年，阿蒙頓制成空氣溫度計，但不準(zhǔn)確。1724年，荷蘭工人華倫海特在他的論文中，建立了華氏溫標(biāo)，首先使用水銀代替酒精。1742年，瑞典的攝爾修斯定義水的沸點為0度，冰的熔點為100度，后施勒默爾將兩個固定點倒過來建立了攝氏溫標(biāo)。1779年，全世界有溫標(biāo)19種。1848年，開爾文發(fā)表論文《建立在卡諾熱動力理論基礎(chǔ)上的絕對溫標(biāo)》。1854年，開爾文提出的開氏溫標(biāo)，得到世界公認(rèn)。目前二十四頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱力學(xué)第一定律內(nèi)容：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔幌囊欢ǖ墓Ρ禺a(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時，也必產(chǎn)生一定的功。本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是自然界基本規(guī)律，恩格斯曾將它和進(jìn)化論、細(xì)胞學(xué)說并列為三大發(fā)現(xiàn)。成因：理論——邁耶實驗——焦耳數(shù)學(xué)形式——亥姆霍茲目前二十五頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱力學(xué)第一定律的發(fā)展1830年，法國薩迪·卡諾：“準(zhǔn)確地說，能量既不會創(chuàng)生也不會消滅，實際上，它只改變了它的形式?！?836年，俄國的赫斯說：“不論用什么方式完成化合，由此發(fā)出的熱總是恒定的?！?842年，邁耶（J.R.Mayer）發(fā)表了《論無機(jī)性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量的人，但當(dāng)時沒有引起重視。1847年，亥姆霍茲（H.L.Helmholtz）發(fā)表著名論文《力的守恒》，把能量概念從機(jī)械運動推廣到普遍的能量守恒。1840-1849年，焦耳（Joule）用多種實驗的一致性證明熱一律，于1950年發(fā)表并得到公認(rèn)。1909年，C.Caratheodory最后完善熱一律。目前二十六頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱力學(xué)第二定律內(nèi)容：各種說法等價（克勞修斯說法）熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。（開爾文說法）不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響。本質(zhì)：在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆性。條件：只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程，并且該系統(tǒng)是線性的、各向同性的。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。

目前二十七頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱力學(xué)第二定律的發(fā)展1832年，卡諾《談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機(jī)器》。1834年，克拉派?。˙enoitPaulEmileClapeyron）《論熱的動力》。1850年，克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學(xué)第二定律的表述。1851年，開爾文從熱功轉(zhuǎn)換的角度提出了熱力學(xué)第二定律的另一種說法。1859年，麥克斯韋（JamesClerkMaxwell）用統(tǒng)計方法導(dǎo)出了處于熱平衡態(tài)中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。1877年，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（LudwigEduardBoltzmann）發(fā)現(xiàn)了宏觀的熵與體系的熱力學(xué)幾率的關(guān)系。目前二十八頁\總數(shù)四十六頁\編于五點熱力學(xué)第三定律及其發(fā)展內(nèi)容：在絕對零度，任何完美晶體的熵為零。應(yīng)用：有效解決了計算平衡常數(shù)問題和許多工業(yè)生產(chǎn)難題。發(fā)展：1906年，德國物理化學(xué)家能斯特（WaltherHermannNernst）根據(jù)對低溫現(xiàn)象的研究得出了能斯特?zé)岫ɡ怼?911年，德國物理學(xué)家普朗克也提出了對熱力學(xué)第三定律的表述，即“與任何等溫可逆過程相聯(lián)系的熵變，隨著溫度的趨近于零而趨近于零”。1912年，能斯特進(jìn)一步推論出絕對零度不能達(dá)到原理。目前二十九頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史實踐發(fā)展——熱機(jī)：蒸汽機(jī)內(nèi)燃機(jī)：煤氣機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)目前三十頁\總數(shù)四十六頁\編于五點蒸汽機(jī)的發(fā)展“蒸汽機(jī)是一個真正的國際發(fā)明，而這個事實又證實了一個巨大的歷史進(jìn)步?！?695年，法國人巴本第一個發(fā)明蒸汽機(jī)，但操作不便，

不安全。1705年，鈕科門和科里制造了新的蒸汽機(jī)，有一定實用價值，但用水冷

卻氣缸，能量損失很大。1769年，英國技工瓦特改進(jìn)了鈕科門機(jī)，加了冷凝器，使機(jī)器運作由斷

續(xù)變連續(xù)，蒸汽機(jī)的使用價值大大提高，導(dǎo)致了歐洲工業(yè)革命。1785年，蒸汽機(jī)機(jī)被應(yīng)用于紡織。1807年，蒸汽機(jī)機(jī)被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船。1825年，蒸汽機(jī)被用于火車和鐵路。目前三十一頁\總數(shù)四十六頁\編于五點內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展最早的內(nèi)燃機(jī)——煤氣機(jī)1824年，法國工程師卡諾(SadiCarnot)發(fā)表熱力發(fā)動機(jī)的經(jīng)典理論——卡諾定理。1860年，法國萊諾制成了第一臺實用內(nèi)燃機(jī)－－單缸、二沖程、無壓縮和電點火的煤氣機(jī)，熱效率為4%。1862年，法國工程師德羅沙提出等容燃燒四沖程循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。1876年，德國人奧托(NicolausAuguestOtto)發(fā)明了四沖程煤氣機(jī)，熱效率相當(dāng)于當(dāng)時蒸汽機(jī)的兩倍。把三個關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)?、四沖程融為一體。等容燃燒四沖程循環(huán)由奧托實現(xiàn),也被稱為奧托循環(huán)。目前三十二頁\總數(shù)四十六頁\編于五點內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展汽油機(jī)1883年，戴姆勒和邁巴赫制成了第一臺四沖程往復(fù)式汽油機(jī)，此發(fā)動機(jī)上安裝了邁巴赫設(shè)計的化油器，還用白熾燈管解決了點火問題。同時，本茨研制成功了現(xiàn)在仍在使用的點火裝置和水冷式冷卻器。20世紀(jì)20年代，美國的米格雷和鮑義德通過在汽油中加入少量的四乙基鉛，解決了爆震的問題，使壓縮比從4提高到了8，大大提高了汽油機(jī)的功率和熱效率。20世紀(jì)20年代，英國的里卡多及其合作者通過對多種燃燒室及燃燒原理的研究，改進(jìn)了燃燒室，使汽油機(jī)的功率提高了20%。20年代后期到40年代早期，發(fā)明了廢氣渦輪增壓，可使氣壓增至1.4～1.6大氣壓。目前三十三頁\總數(shù)四十六頁\編于五點內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展柴油機(jī)1892年，德國的狄塞爾博士獲得壓縮點火壓縮機(jī)的技術(shù)專利。1897年，狄塞爾制成了第一臺壓縮點火的“狄塞爾”內(nèi)燃機(jī)，即柴油機(jī)。1924年，美國康明斯公司正式采用了泵噴油器，這一發(fā)明有效地降低了柴油機(jī)的質(zhì)量。1924年，在柏林汽車展覽上，MAN公司展示了一臺裝備柴油機(jī)的卡車，這是第一臺裝有柴油機(jī)的汽車。1936年，奔馳公司生產(chǎn)出了第一臺柴油機(jī)轎車260D。20世紀(jì)70年代以后，博世公司把電控汽油機(jī)噴射技術(shù)引用回柴油機(jī)。目前三十四頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：

卡諾N.L.S.Carnot(1796~1832)

法國

1824年發(fā)表了著名的論文"火的動力的思考",闡述了卡諾循環(huán)及卡諾定理。

邁耶J.R.Mayer(1814－1878)

德國

1842年提出了能量轉(zhuǎn)換定律目前三十五頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：亥姆霍茲

H.L.Helmholtz(1814~1878)德國1847年推導(dǎo)出能量轉(zhuǎn)換定律。開爾文L.Kelvin(1824~1907)

英國

1848年建立了熱力學(xué)溫標(biāo)。目前三十六頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：克勞修斯

R.J.E.Clausius(1822~1888)德國1850年第一個闡述了兩個基本規(guī)律：熱力學(xué)第一、第二定律。他還提出"熱力學(xué)能"U和"熵"S的概念。朗肯W.J.M.Rankine(1820~1872)

英國1853年提出“熱效率”概念，并于1854年提出p-v圖，1859年出版第一本熱力學(xué)教科書。目前三十七頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：奧托

N.A.Otto(1832~1891)德國1876年制造了使用Otto循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)。布雷頓G.B.Brayton(1830~1892)

美國

1876年制造了使用Brayton循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)。目前三十八頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：吉布斯

J.W.Gibbs(1839~1903)美國1878年發(fā)表"相律"，并建立了T-s圖和多相系平衡的熱力學(xué)分析方法。狄塞爾R.C.K.Diesel(1858~1913)

德國

1897年提出了實用的Diesel內(nèi)燃機(jī)循環(huán)。目前三十九頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：J.D.范.德瓦爾斯

JohannesvanderWaals(1837-1923)

荷蘭氣體和液體狀態(tài)方程

1910年諾貝爾物理學(xué)獎M.普朗克

MaxPlanck(1858-1947)

德國發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論）熱二律

1918年諾貝爾物理學(xué)獎目前四十頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：W.H.能斯脫

WaltherHermannNernst(1864-1941)

德國熱化學(xué)，熵基準(zhǔn)

1920年諾貝爾化學(xué)獎L.昂薩格

LarsOnsager(1903-1976)

美國不可逆過程熱力學(xué)理論

1968年諾貝爾化學(xué)獎目前四十一頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：I.普里戈金

IlyaPrigogine(1917-)

比利時熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論

1977年諾貝爾化學(xué)獎K.G.威爾遜

KennethG.Wilson(1936-)

美國臨界重整化群理論

1982年諾貝爾物理獎目前四十二頁\總數(shù)四十六頁\編于五點0.2熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的中國學(xué)者：侯虞鈞院士(1922.08.05–2001.04.14)

中國.浙江大學(xué)馬丁—