西安交通大学工程热力学大纲.doc

西安交通大学“工程热力学” 课程教学大纲英文名称: Engineering Thermodynamics课程编号: C03006课程类型: 工程科学学 时: 64学 分: 4适用对象: 热能与动力工程,建筑环境与设备工程,核工程与核技术,过程装备与控制工程使用教材及参考书: 刘桂玉, 刘志刚, 阴建民, 何雅玲编. 工程热力学. 北京: 高等教育出版社,1998参考书: (1)朱明善, 刘颖, 林兆庄, 彭晓峰编. 工程热力学. 北京: 清华大学出版社,1996(2)沈维道, 郑佩芝, 蒋淡安合编. 工程热力学. 北京: 高等教育出版社,1983(3)曾丹苓, 敖越, 朱克雄等合编. 工程热力学. 北京: 高等教育出版社,1987(4)Michael J.Moran, Howard N.Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics.2nd ed. New York: John Wiley & Sons,1992一课程性质、目的和任务工程热力学是研究热能和其他形式能量（特别是机械能）相互转换规律以及提高能量利用经济性的一门学科。它是我校热能与动力工程,建筑环境与设备工程,核工程与核技术,过程装备与控制工程等专业的一门必修的主干技术基础课程。工程热力学不仅为学生学习有关的专业课程提供必要的基础理论知识和基本技能，而且也为学生日后从事热能利用、热设计、热管理和热控制等方面的专业技术工作和科学研究工作打下必要的理论基础。通过本课程的学习，应使学生掌握工程热力学的基本理论和基本知识, 受到较强的基本技能训练, 能正确进行热工过程和热力循环的分析和计算。针对工程热力学课程特点，在教学过程中应注意培养学生辩证思维和逻辑思维的能力，训练学生建立热力学模型的能力，培养他们对热工问题的判断、估计和综合分析的能力。二、教学基本要求学生学完本课程后，应达到下列要求1掌握热力系、平衡态、状态参数、功与热量、准静态过程和可逆过程等重要的基本概念。2掌握热能与机械能相互转换遵循的基本定律。3掌握热力过程和热力循环的基本分析及计算方法，以及提高能量利用经济性的基本原则和主要途径。4掌握工程上常用工质的热力性质;能熟练应用常用工质的物性公式及图表进行物性计算。5逐步树立工程观点，具有对实际问题建立热力学模型的能力,并能用理论分析解决与热力学有关的实际问题。三 、教学内容及要求1绪论能源的利用与生产力的发展。热能与机械能及其它能的转换。工程热力学的研究对象及3主要内容。工程热力学的研究方法及学习方法。以上内容要求了解。2。第一章 基本概念热力系和工质。状态及平衡状态。状态参数及其特性，基本状态参数（温度、压力和比体积）。状态公理及状态方程。热力过程、准静态过程和可逆过程。热力循环。3第二章 热力学第一定律热力学第一定律的实质。储存能与迁移能，热力学能，通过热力系边界的能量交换：功和热量。热力学第一定律基本表达式。稳定流动能量方程，焓，技术功，稳定流动能量方程应用举例。一般开口系能量方程。4第三章 理想气体及其混合物的热力性质理想气体状态方程。理想气体的比热容。理想气体的热力学能、焓和熵及其计算。理想气体混合物。*气体热力性质表。5第四章 理想气体的热力过程分析气体热力过程的目的、方法与步骤。定容、定压、定温和绝热过程。多变过程。*变比热容的影响。6。第五章 热力学第二定律自发过程的方向性、不可逆性。热力学第二定律及其表述。卡诺循环和卡诺定律。*热力学温标1。熵。熵方程。温熵图。孤立系熵增原理与作功能力的损失。能量的品质，热量的可用能。火用的简介。7第六章 化学热力学基础2基本概念。热力学第一定律在化学反应中的应用，反应热、燃烧热、盖斯定律。基尔霍夫定律。理论燃烧温度。热力学第二定律在化学反应中的应用，*化学平衡的判据。平衡常数。*热力学第三定律及绝对熵。8第七章 热力学一般关系式3热力学基本关系式。麦克斯韦关系式。熵、热力学能、焓的一般表达式。比热容的一般表达式。热系数。9第八章 实际气体* 纯物质的p-v-T 热力学面，相图。*理想气体状态方程的偏差。范德瓦尔方程及其分析。*实际气体的其它状态方程。对比态原理与通用压缩因子图。*实际气体焓和熵的计算。9第九章 蒸气的热力性质气液相变，相律，*克劳修斯-克拉贝隆方程。蒸气的定压产生过程。蒸气的热力性质图表及其应用。蒸气的热力过程。11第十章 湿空气湿空气的状态参数，露点、相对湿度、含湿量、干湿球温度、湿空气的焓。湿空气的焓-湿图及其应用。湿空气过程及其应用。12第十一章 气体与蒸气的流动声速与马赫数。一维稳定流动的基本方程。气体与蒸气在喷管和扩压管中流动的基本特性。喷管的计算。有摩阻的绝热流动。绝热节流及其在工程上的应用。*焦耳汤姆逊系数和转回温度。绝热合流。13第十二章 气体与蒸气的压缩1 带星号的是可适当机动处理的内容2 可酌情在热力学第一定律、第二定律中讲授3 亦可酌情和实际气体一起讲4压气机的型式及其工作原理。定温、绝热和多变压缩时压缩机耗功的计算及在p-v、T-s 图上的表示。活塞式压气机余隙容积的影响。多级压缩和中间冷却。叶轮式压气机不可逆绝热压缩过程的分析。14第十三章 气体动力循环循环导论，分析循环的目的、任务及一般方法，分析循环的热效率法，分析循环中不可逆损失的熵方法。活塞式内燃机的工作原理及热力学分析的方法。内燃机的理想循环及分析计算。燃气轮机装置循环。循环功和效率的分析计算。提高循环热效率的方法。15第十四章 蒸汽动力循环朗肯循环及其热效率分析。提高循环热效率的方法及途径（改变蒸汽参数，再热循环，回热循环）。*热电联产循环。*燃气-蒸汽联合循环。16第十五章 制冷循环逆向卡诺循环。空气压缩制冷循环。蒸气压缩制冷循环。热泵循环。*其它制冷循环。四、实践环节（一）习题、讨论课及习题课讨论课与习题课一般为9 学时：1热力系的能量分析。热力学第一定律在闭口系及开口系中的应用。2理想气体的热力性质与过程。3热力学第二定律。熵及损耗计算。4蒸气热力性质图表的应用和热力过程的计算。5气体和蒸气的流动。喷管的热力计算。绝热节流。6循环的分析与讨论。习题一般需完成60 题以上。（二） 试验、现场教学、电化教学及计算机辅助教学1在下列实验项目中选做2 个。（1）压气机试验（2）喷管试验（3）制冷循环或动力循环（4）工质热物性2热力设备和循环装置、基本热力参数测量仪表的参观和现场教学。（1）结合绪论、喷管、蒸气性质等进行电视片教学。（2）计算机辅助教学为每学生6 课时，完成一个计算。上机内容为：气体性质与循环，蒸汽性质与循环或湿空气性质及过程。五学时分配表章内容讲课习题课现场教学电化教学试验绪论11“工程热力学绪论”电教片（课外）1 基本概念 352 热力学第一定律 3 23 理想气体及其混合物的热力性质 3 14 理想气体的热力过程 2 1 部分内容可作为自学内容5 热力学第二定律 5 26 化学热力学基础* 37 热力学一般关系 28 实际气体 29 蒸气的热力性质 3 2 2(课外)10 湿空气 311 气体和蒸气的流动 4 1 2 试验选做2 个12 气体和蒸气的压缩 2 2 试验选做2 个13 气体动力循环 414 蒸汽动力循环 415 制冷循环 2 2 试验选做2 个机动 2小计 45+*3 9 4六、“工程热力学”教学大纲使用说明（一） 各单元的重点、深度和广度1绪论本单元的重点应放在工程热力学研究的对象、目的及所用的方法上。应使学生明确：本课程是一门研究能量转换规律的学科，其主要目的是从工程观点出发，探讨能量有效利用的基本途径和方法。本课程是以宏观的研究方法为主，微观的方法仅用来帮助理解一些宏观现象。引导学生掌握本课程的特点及学习方法。为配合绪论教学，增加学生感性认识，可安排实验室参观及现场教学一次，电化教学观看“工程热力学绪论”电视片一次。2基本概念本单元要求学生正确地理解工程热力学中的一些术语、概念和分析方法。应透彻地讲解温度、平衡状态及准静态和可逆过程等概念。对热力系，要讲清闭口系（控制质量）与开口系（控制容积）、绝热系和孤立系等概念。讲清状态参数及其特性、基本热力参数及热力参数坐标图。强调热力参数只确定于状态而与变化途径无关。注意压力单位的换算。3热力学第一定律本单元的重点是热力学第一定律及其应用。强调这个定律的普遍适用性：不论闭口系还是开口系，不论是什么工质和什么过程都可适用。应透彻地讲清闭口系能量方程和稳定流动能量方程。对不稳定流动的充放气问题可作为加深的内容。对于功，主要讲清容积变化功及其与推动功、技术功的区别。强调功与热量都是通过边界面所传递的能量，它们都不是状态参数。着重讲清系统的能量E 和热力学能U 的概念。E 包括热力学能、流动动能与位能。讲清焓的概念。指出焓的定义式中的pV 这一项不是储藏在工质内部的能量。本章是热工计算的基础，要求学生对热力学第一定律的各种表达式能熟练掌握、灵活应用。并具有针对实际问题选取系统、列简化条件、标明能量转换特点等建立热力学模型的能力。64热力学第二定律重点应放在热力学第二定律的实质对生产实践的指导意义上。指出第二类永动机不可能实现，讲清过程的方向性与不可逆性。进一步讲清不可逆过程。讲清卡诺循环，证明卡诺定理，说明提高热效率的一般原则。熵是本章难点，必须讲透。可用一种方法导出熵，讲清熵是状态参数，熵方程，能量“质”的概念，讲明孤立系熵增原理、能量贬值和不可逆损失（作功能力或可用能减少）的关系，分析计算典型不可逆过程的可用能损失。可适当介绍“火用参数”。通过本章要求学生深入掌握能量“质”的概念，使对能量的合理利用有一个全面的理解。5。化学热力性质基础主要讲述热力学第一定律在化学反应中的应用。简单介绍热力学第二定律在化学反应中的应用。可酌情简单介绍热力学第三定律和绝对熵。5 热力学一般关系式6 理想气体及其混合物的热力性质7 实际气体8 蒸气的热力性质10湿空气这部分内容都是关于工质的热力性质及研究工质的方法。热力学一般关系式着重于研究方法，推导公式力求简单，而重点要介绍推导和应用公式的方法；后四部分是关于物理性的，通过学习，要求学生能够熟悉工程上常用工质（理想气体、实际气体、蒸气及它们的混合物）的热力性质，并能熟练应用基本关系式和常用的物性图表进行热力计算。研究比热容的主要目的之一是为了计算u、h 和传热量，因此应该注意训练比热容及比热容公式的运用。对理想气体，要着重指明它是远离液态的实际气体的近似模型,在工程计算中有相当广泛的实用性。理想气体状态方程只需作复习性的讲解，注意指明各个量的单位。讲清楚气体的热力学能和焓都只是温度的函数，而理想气体的熵不仅与温度有关而且还与其他参数有关，结合理想气体熵的计算式反复说明熵是一个状态参数，以加深印象。对于实际气体，可重点分析范德瓦尔状态方程，并指出它的近似性。讲对比态方程式时，应指出对比态原理的局限性。简单介绍通用压缩因子图。对于蒸气，可以以水蒸气为例讲清有关蒸气的各种术语及其意义，着重介绍蒸汽图表的应用（对制冷与低温专业方向也可着重介绍制冷和深冷方面制冷剂的图表）。应使学生学会计算气体混合物的各参数，并熟悉各种“成分”之间的换算。可以把湿空气作为理想气体混合物的实例，讲清湿空气各参数之间的基本关系，介绍焓-湿图，然后结合实例说明具体应用。11气体与蒸气的基本热力过程气体热力过程部分的公式比较多，应当培养学生具有从基本定律、基本概念和基本公式出发，结合具体过程分析和导出所需公式的能力。课堂讲授可以着重分析多变过程，但要使学生掌握各个过程在压容图和温熵图上的表示。应当指出工质为蒸气时，定熵过程的绝指数不等于cp/cV，而是根据试验确定的数值。要指引学生善于利用蒸气图表进行热力过程的计算。12气体与蒸气的流动本单元的重点应放在喷管的流动上。扩压管可作为与喷管相反的情况加以介绍。喷管的计算，对蒸气应着重介绍如何运用焓熵图进行分析计算。音速可以利用物理学中已学过的知识。绝热节流部分可侧重节流前后工质参数变化的分析。应举例说明绝热节流在工程上的应用。焦耳-汤姆逊系数与回转温度，对低温专业方向要重点介绍。指明绝热节流是不可逆过程，工质的熵一定增加，作功能力也一定有所降低，并能进行7计算。应讲清滞止参数。会分析计算不可逆绝热流动时喷管的不可逆损耗。13气体与蒸气的压缩本单元的主要目的是应用热力学的原理来分析气体在压气机中应如何压缩最有利。要指出这种热力学分析方法对各种形式压气机都具有通用性。应着重指出压气机所消耗的功并不等于压缩过程的功。对风机、压缩机、化机等专业方向要讲清压气机耗功及不可逆损耗在T-S 图上的表示。第11 至13 单元都是关于热力过程的，要注意指出封闭系过程与流动过程、气体与蒸气在分析计算方法上的异同。要求学生熟练掌握各种过程在状态参数坐标图上的表示，并能运用它对过程作定性的分析。14动力装置循环本单元要着重讲清分析循环的热效率法。此外，应适当说明热利用率的概念。气体动力循环和蒸汽动力循环都必须讲授，注意说明如何将实际工作循环合理地简化为理想循环的方法。讲清循环分析方法，着重分析提高动力循环热效率的基本途径。15制冷循环本单元重点是蒸气压缩制冷循环。第14 至15 单元的内容侧重点和学时安排可视专业方向性质而有所不同。（二）习题课、讨论课、上机及实验、现场教学习题课和讨论课是帮助学生消化和巩固所学知识，培养学生掌握正确的思维方法和运用理论解决实际问题能力的重要环节。习题课可通过一些典型例题，具体地培养学生独立思考和分析解