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1、1,工程熱力學(xué)Engineering Thermodynamics,廣東工業(yè)大學(xué)能源工程系GDUT Dept. of Energy Engineering,2,自我介紹self-introduction,羅向龍 材料與能源學(xué)院能源工程系 Tel:13544330956 E-mail:,3,即由熱產(chǎn)生動(dòng)力，反映了熱力學(xué)起源于對(duì)熱機(jī)的研究。,thermodynamics,thermo,熱,dynamics,,,動(dòng)力學(xué),熱力學(xué),,緒論,4,緒論,教學(xué)目標(biāo): 使學(xué)生全面了解本課程的基本內(nèi)容，學(xué)科前沿研究現(xiàn)狀，本課程的學(xué)習(xí)方法。 知識(shí)點(diǎn)： 介紹熱力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史、教學(xué)目的，基本內(nèi)容，學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問(wèn)題

2、。 難點(diǎn)： 使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，教會(huì)學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)方法。,5,緒論curriculum introduction,0-1 課程性質(zhì)和意義 0-2 熱力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 0-3 工程熱力學(xué)的主要內(nèi)容和研究方法 0-4 課程要求,6,0-1 課程性質(zhì)和意義,課程性質(zhì) 能源轉(zhuǎn)換關(guān)系及中國(guó)節(jié)能形勢(shì) 課程的專業(yè)基礎(chǔ)課的地位,7,課程性質(zhì),工程熱力學(xué)是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。,工程熱力學(xué) 是一門研究熱能有效利用及熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。,是開(kāi)展節(jié)能工作的理論基礎(chǔ)。,8,提供各種有效能量的資源； 是人類社會(huì)不可缺少的物質(zhì)之一； 人類社會(huì)的發(fā)展史與人類社

3、會(huì)開(kāi)發(fā)和利用能源的廣度和深度密切相連。,能源及能源轉(zhuǎn)換和利用的關(guān)系,風(fēng)能,水能,化學(xué)能,核能,地?zé)崮?太陽(yáng)能,熱能 90%（85%）,機(jī)械能,電能,,,,,,,,,,,,,,,直接利用,二次能源,熱機(jī),風(fēng)機(jī),水輪機(jī),燃燒,核裂變,傳熱,傳熱,光電轉(zhuǎn)換,燃料電池,一次能源,能源,,發(fā)電機(jī),電動(dòng)機(jī),冶金、化工、食品生活,直接取自自然界沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。 包括：原煤、原油、天然氣、油頁(yè)巖、核能、太陽(yáng)能、水力、風(fēng)力、波浪能、潮汐能、地?zé)?、生物質(zhì)能和海洋溫差能等。,由一次能源經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品。 電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭 。,,溫

4、差發(fā)電,,磁流體發(fā)電,,核聚變,生物質(zhì),燃燒,9,中國(guó)能源形勢(shì)：能源利用效率低下,能源利用效率33.4%（世均43%，發(fā)達(dá)國(guó)52-55%）； 占工業(yè)能耗73的8個(gè)行業(yè)33種產(chǎn)品單位能耗平均比世界先進(jìn)水平高47； 建筑物單位面積能耗比發(fā)達(dá)國(guó)家高2-3倍，交通能耗比發(fā)達(dá)國(guó)家高20%以上。,10,中國(guó)能源形勢(shì)：能源環(huán)境問(wèn)題突出,已嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展 ！,以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。酸雨率全國(guó)40%、廣東70%，343個(gè)城市中僅1/3達(dá)二級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；世界污染嚴(yán)重的20城市中國(guó)占16個(gè)； SO2排放量的90%，NOx排放量的60%都來(lái)自于燃煤,全國(guó)SO2排放總量超過(guò)環(huán)境承

5、載能力的70%左右； 生態(tài)破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失已占GDP的8%。,11,中國(guó)能源形勢(shì):資源對(duì)外依存度增長(zhǎng)過(guò)快,12,節(jié)能任務(wù)和目標(biāo)離我們很遙遠(yuǎn)？,節(jié)能政策和目標(biāo),,節(jié)能是近年來(lái)的基本國(guó)策，“開(kāi)發(fā)和節(jié)約并重”的原則； “十一五”節(jié)能目標(biāo): 以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，落實(shí)節(jié)約資源基本國(guó)策，圍繞實(shí)現(xiàn)“十一五規(guī)劃綱要”中提出的到2010年單位GDP產(chǎn)值能耗比“十五”末期降低20%的目標(biāo)，以提高資源利用效率為核心，以企業(yè)為實(shí)施主體，大力調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，加快推進(jìn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步。 節(jié)能任重道遠(yuǎn)，是我們的責(zé)任。,13,工程熱力學(xué)課程的地位,與傳熱學(xué)、流體力學(xué)并列為能源工程學(xué)科的三大基礎(chǔ)理論課，地位非常重要； 是學(xué)好后續(xù)

6、專業(yè)理論課程的基礎(chǔ)，考研課程之一； 工程熱力學(xué)理論知識(shí)的運(yùn)用貫穿于工程領(lǐng)域及人們生活實(shí)踐始終。,14,0-2 熱力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,,,實(shí)踐理論新實(shí)踐新理論（產(chǎn)生發(fā)展）,發(fā)展總模式：,熱力學(xué)(Thermodynamaics)：研究各種形式的能量相互轉(zhuǎn)換及其與物質(zhì)性質(zhì)之間關(guān)系的科學(xué)。,熱力學(xué)(thermodynamics)一詞的意思是熱(thermo)和動(dòng)力(dynamics)，即由熱產(chǎn)生動(dòng)力，反映了熱力學(xué)起源于對(duì)熱機(jī)的研究。,從十八世紀(jì)末到十九世紀(jì)初開(kāi)始，隨著蒸汽機(jī)在生產(chǎn)中的廣泛使用，如何充分利用熱能來(lái)推動(dòng)機(jī)器作工成為重要的研究課題。,15,1798年，英國(guó)物理學(xué)家和政治家 Benjamin Tho

7、mpson (1753-1814) 通過(guò)炮膛鉆孔實(shí)驗(yàn)開(kāi)始對(duì)功轉(zhuǎn)換為熱進(jìn)行定量研究。,16,1824年，法國(guó)陸軍工程師Nicholas Lonard Sadi Carnot發(fā)表了 “ 關(guān)于火的動(dòng)力研究” 的論文。 他通過(guò)對(duì)自己構(gòu)想的理想熱機(jī)的分析得出結(jié)論：熱機(jī)必須在兩個(gè)熱源之間工作，理想熱機(jī)的效率只取決與兩個(gè)熱源的溫度，工作在兩個(gè)一定熱源之間的所有熱機(jī)，其效率都超不過(guò)可逆熱機(jī)，熱機(jī)在理想狀態(tài)下也不可能達(dá)到百分之百。這就是卡諾定理。,Carnot(1796 - 1832),17,卡諾的論文發(fā)表后，沒(méi)有馬上引起人們的注意。過(guò)了十年，法國(guó)工程師Benlt Paul Emile Clapeyron

8、(1799 - 1864)把卡諾循環(huán)以解析圖的形式表示出來(lái)，并用卡諾原理研究了汽液平衡，導(dǎo)出了克拉佩隆方程。,18,1842 年，德國(guó)醫(yī)生Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人血液顏色在熱帶和歐洲的差異及海水溫度與暴風(fēng)雨的啟發(fā)，提出了熱與機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間相互轉(zhuǎn)化的思想。,Mayer (1814 - 1878),19,1847年， 德國(guó)物理學(xué)家和生物學(xué)家 Hermann Ludwig von Helmholtz (亥姆霍茲1821 - 1894) 發(fā)表了 “ 論力的守衡” 一文，全面論證了能量守衡和轉(zhuǎn)化定律。,Helmholtz(1821 - 1894),20

9、,1843-1848年， 英國(guó)釀酒商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以確鑿無(wú)疑的定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，論述了能量受恒和轉(zhuǎn)化定律。焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)是熱力學(xué)第一定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。,Joule (1818 - 1889),21,根據(jù)熱力學(xué)第一定律熱功可以按當(dāng)量轉(zhuǎn)化，而根據(jù)卡諾原理熱卻不能全部變?yōu)楣Γ?dāng)時(shí)不少人認(rèn)為二者之間存在著根本性的矛盾。1850年，德國(guó)物理學(xué)家Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 進(jìn)一步研究了熱力學(xué)第一定律和克拉佩隆轉(zhuǎn)述的卡諾原理，發(fā)現(xiàn)二者并不矛盾。他指出，熱不可能獨(dú)自地、不付任何代價(jià)地從冷物體轉(zhuǎn)向熱物體，并將這個(gè)

10、結(jié)論稱為熱力學(xué)第二定律?？藙谛匏乖?854年給出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式， 1865年提出“熵”的概念。,Clausius (1822 - 1888),22,1851年，英國(guó)物理學(xué)家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。這是熱力學(xué)第二定律的另一種說(shuō)法。 1853年，他把能量轉(zhuǎn)化與物系的內(nèi)能聯(lián)系起來(lái)，給出了熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。,23,1875年，美國(guó)耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)教授 Josiah Willard Gibbs發(fā)表了 “論多相物質(zhì)之平衡” 的論文。他在熵函數(shù)的基礎(chǔ)上，引出了平衡的判據(jù)；提出熱力學(xué)勢(shì)的重要概

11、念，用以處理多組分的多相平衡問(wèn)題；導(dǎo)出相律，得到一般條件下多相平衡的規(guī)律。吉布斯的工作，把熱力學(xué)和化學(xué)在理論上緊密結(jié)合起來(lái)，奠定了化學(xué)熱力學(xué)的重要基礎(chǔ)。,Gibbs (1839 - 1903),24,熱力學(xué)基本定律反映了自然界的客觀規(guī)律,以這些定律為基礎(chǔ)進(jìn)行演繹、邏輯推理而得到的熱力學(xué)關(guān)系與結(jié)論,顯然具有高度的普遍性、可靠性與實(shí)用性,可以應(yīng)用于機(jī)械工程、化學(xué)、化工等各個(gè)領(lǐng)域,由此形成了化學(xué)熱力學(xué)、工程熱力學(xué)、化工熱力學(xué)等重要的分支?；瘜W(xué)熱力學(xué)主要討論熱化學(xué)、相平衡和化學(xué)平衡理論。工程熱力學(xué)主要研究熱能動(dòng)力裝置中工作介質(zhì)的基本熱力學(xué)性質(zhì)、各種裝置的工作過(guò)程以及提高能量轉(zhuǎn)化效率的途徑。化工熱力學(xué)是

12、以化學(xué)熱力學(xué)和工程熱力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工實(shí)際過(guò)程逐步形成的學(xué)科。,,,熱力學(xué)的發(fā)展歷程,26,熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過(guò)程舉例,熱能,機(jī)械能,,,( 轉(zhuǎn)換裝置 ),熱 機(jī),27,蒸汽機(jī)示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,汽缸,活塞,曲柄連桿,鍋爐,冷凝器,曲軸箱,,,,,,,,,,,,,,泵,28,蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,29,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,原子能蒸汽動(dòng)力裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,反應(yīng)堆(濃縮鈾),換熱器,泵,冷凝器,發(fā)電機(jī),汽輪機(jī),泵,載熱質(zhì)(重水、堿性金屬蒸汽),,,冷卻水,30,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

13、,,,,,廢氣,燃燒室,燃?xì)廨啓C(jī),空氣,壓氣機(jī),燃料泵,燃料,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,燃?xì)廨啓C(jī)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,31,,內(nèi)燃機(jī)的工作原理圖,,活塞,,曲柄連桿機(jī)構(gòu),,氣缸,32,壓縮制冷裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,33,34,各種熱工裝置的熱力學(xué)共性內(nèi)容歸納,,,,,內(nèi)燃機(jī)裝置,燃?xì)廨啓C(jī)裝置,蒸汽動(dòng)力裝置,裝置名稱 工作物質(zhì) 熱 源 冷 源 功,水蒸氣,高 溫 物 體,冷卻水,對(duì)外輸出功,燃 氣,燃燒產(chǎn)物(自身),大 氣,對(duì)外輸出功,燃 氣,燃燒產(chǎn)物(自身),大 氣,對(duì)外輸出功,,,,壓縮制冷裝置,制冷劑,被冷卻物體,大 氣,消 耗 功,,,,,,35,0-3 工程熱力學(xué)的研究對(duì)象、研究

14、內(nèi)容,概念： 從工程技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及有效、合理地利用熱能的途徑。,研究對(duì)象： 與熱現(xiàn)象有關(guān)的能量利用與轉(zhuǎn)換規(guī)律。,研究?jī)?nèi)容： 1. 能量轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律； 2. 過(guò)程和循環(huán)的分析研究及計(jì)算方法； 3. 常用工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。 4. 化工熱力學(xué),36,教材主要內(nèi)容,第零章緒論 第一章基本概念及定義 第二章 熱力學(xué)第一定律 第三章氣體和蒸汽的性質(zhì) 第四章氣體和蒸汽的熱力過(guò)程 第五章 熱力學(xué)第二定律 第六章實(shí)際氣體的性質(zhì)和熱力學(xué)一般關(guān)系式 第七章氣體與蒸汽的流動(dòng) 第八章壓氣機(jī)的熱力過(guò)程 第九章氣體動(dòng)力循環(huán) 第十章蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置 第十

15、一章制冷循環(huán) 第十二章理想氣體混合物及濕空氣,37,工程熱力學(xué)的研究方法,1.宏觀方法：連續(xù)體(continuum)，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。 特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣 經(jīng)典 （宏觀,平衡）熱力學(xué) 2.微觀方法：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。 特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似 微觀（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué),38,0-4 課程要求,課程難易 教材和參考書(shū) 課時(shí)安排 教學(xué)要求 考試,39,課程難不難？,難 ---概念活 ---研究對(duì)象氣體（遠(yuǎn)較剛體復(fù)雜） ---課程內(nèi)容比較（熱二律、） 不難 ---使用的數(shù)學(xué)工具 ---物理基礎(chǔ),40,教材和參考書(shū),教材： 1 工

16、程熱力學(xué)，沈維道等，第四版，高教出版社，2007 參考資料： 1工程熱力學(xué)，朱明善等，第一版，清華大學(xué)出版社，1995 2工程熱力學(xué)，曾丹苓等，第三版，高等教育出版社，2002 3工程熱力學(xué)，何雅玲，精要分析及典型題精解，第一版，西安交通大學(xué)出版社，2000 4 Fundamentals of thermodynamics (5th.Edition), Richard E.Sonntag, Claus Borgnakke, Cordon J.Van Wylen , John Wiley & Sons INC, 1998,41,教學(xué)課時(shí),總學(xué)時(shí)：80學(xué)時(shí) 工程熱力學(xué)理論課（雙語(yǔ)）課時(shí)：76學(xué)時(shí) 工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)：4學(xué)時(shí),42,教學(xué)要求,1.認(rèn)真聽(tīng)講并思索； 2.弄清基本概念，注意每章后的思考題； 3.獨(dú)立完成作業(yè)，作業(yè)格式要規(guī)范；每周交一次，周一交。 4.看一、二本參考書(shū)。,43,考試,1. 平時(shí)成績(jī)25%（其中作業(yè)：15%，課堂紀(jì)律：10%）； 2. 實(shí)驗(yàn)5%； 3. 期末考試70%,閉卷。,