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1 工程热力学 陆继东2020 4 19 2 绪论 0 1热能及其利用0 2工程热力学发展简史0 3工程热力学的主要内容 3 0 1热能及其利用 能源 矿物燃料化学能 风能 水力能 太阳能 地热能 原子能 其中热能平均超过85 我国占90 以上 热能利用的两种基本形式 1 直接 热利用 如在冶金 化工 食品等工业和生活上 供热 的应用 2 间接 动力利用 即把热能转化成机械能或电能 为人类社会的各方面提供动力等 工程热力学 是从工程技术观点出发 研究工质的热力学性质 热能转换为其它能源的规律和方法 以及有效 合理地利用热能的途径 4 能源形式及其转化 风能 化学能 太阳能 水能 热能 机械能 电能 5 化学能 光能 太阳能 电能 化学能 热能 机械能 机械能 热能 核能 热能 机械能 电能 6 能源 热能 开发利用的问题 温室效应 酸雨 臭氧层空洞 二次污染 7 0 2热力学的发展历史 从远古时代燧人氏钻木取火开始 人类就开始了探索和掌握热力学的过程 简单一个钻木取火的动作 其中包含了功变热 化学能变热能等能量转换过程 不过后来才注意探究热 冷现象的实质 但直到17世纪末 人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质 在当时流行的 热质说 统治下 人们误认为物体的温度高是由于储存的 热质 数量多 1709 1714年华氏温标和1742 1745年摄氏温标的建立 才使测温有了公认的标准 1798年 朗福德观察到用钻头钻炮筒时 消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温 1799年 英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化 这显然无法由 热质说 得到解释 8 0 2热力学的发展历史 1842年 迈尔提出了能量守恒理论 认定热是能的一种形式 可与机械能互相转化 并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量 英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念 1842年以后用不同方式实测了热功当量 1850年 焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了 热质说 公认能量守恒 能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律 能量单位焦耳就是以他的名字命名的 1824年 法国人卡诺提出著名的卡诺定理 指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限 实质上已经建立起热力学第二定律 1848年 英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标 9 0 2热力学的发展历史 1850年和1851年 德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律 并在此基础上重新证明了卡诺定理 1850 1854年 克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念 热力学第一定律和第二定律的确认 对于两类 永动机 的不可能实现作出了科学的最后结论 正式形成了热现象的宏观理论热力学 同时也形成了 工程热力学 这门技术科学 它成为研究热机工作原理的理论基础 使内燃机 汽轮机 燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展 1906年 德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理 1912年 这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式 绝对零度不能达到原理 10 热力机械的发展历史 18世纪初 带动往复式水泵的原始蒸汽机出现 1763 1784年间 英国人瓦特改进了原始蒸汽机 研制成功了应用高于大气压力的蒸汽和带有独立凝汽器的单缸蒸汽机 19世纪末 汽轮机被发明 内燃机也出现了 近三 四十年中 出现了燃气轮机 并得到越来越广泛的应用 近年来 新能源技术不断涌现 燃料电池 化学能直接转化为电能 温差电池 热能直接转化为电能 磁流体发电 热能直接变为电能 11 热力学第零定律 假如两物体的温度都等于另外第三个物体 那么这三个物体拥有相同的温度 热力学第一定律 热是能的一种 机械能变成热能 或热能变成机械能的时候 它们间的比值是一定的 热力学第二定律 1 克劳修斯说法 热不能自发的 不付代价的从低温物体传至高温物体 2 开尔文说法 不可能制造出从单一热源吸热 使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机 3 普朗克说法 不可能制造一个机器 使之在循环动作中把一重物升高 而同时使一热源冷却 热力学第三定律 在0k时任何纯物质的完美晶体的熵值等于零 工程热力学基本定律 12 0 3主要内容及研究方法 工程热力学的研究对象主要是能量转换 特别是热能与其它能源转换规律和方法 以及提高转化效率的途径 以提高能源利用的经济性 主要研究对象就是热能与机械能的转化 主要内容包括 1 基本概念与基本定律 如热力系统 平衡状态等 2 热工过程和热力循环的分析研究及计算方法 3 常用工质的性质 4 化学热力学方面的有关内容 13 目录 绪论第一章基本概念第二章热力学第一定律第三章气体和蒸汽的性质第四章气体和蒸汽的基本热力过程第五章热力学第二定律第六章实际气体的性质及热力学一般关系式第七章气体和蒸汽的流动第八章压气机的热力过程第九章气体动力循环第十章蒸汽动力循环装置第十一章制冷循环第十二章湿空气 14 第3章气体和蒸汽的性质 第4章气体和蒸汽的热力过程 及热力学一般关系式第6章实际气体性质 第1章基本概念 第2章第一定律 第5章第二定律 第 章湿空气 第 章气体和蒸汽的流动 第 章压气机的热力过程 第 章化学热力学基础 第 章气体动力循环 第 0章蒸汽动力装置循环 第11章制冷循环 工程热力学 热力学基本概念和基本理论 工质性质 基本热力过程以及应用 15 研究方法 从物质内部的微观结构出发 应用力学定律说明基本微粒的运动 用统计方法研究大量基本微粒无规则运动的统计平均性质 优点 能够从物质内部微粒运动的微观机理来更深刻地解释所观察到的宏观热现象的物理实质 不足 研究结果只是接近于实际 原因在于 物质微观结构无法观察 只能假设 近似于物质实际结构 有偏差 宏观 微观 以热力学第一 第二定律等少数宏观的基本定律为依据 并根据各问题的具体条件 推导出很多有用的公式 得到若干重要的结论 如 根据可测参数的变化来求热量 功等 优点 结构简单 概念直观 易于接受 易于理解 所得结果准确 涉及变量少 要求的数学知识较简单 不足 不考虑物质内部基本微粒的结构和运动 不能说明热现象的本质与内在原因 16 学习方法 把握线索 大量的基本概念贯穿于整个工程热力学的前前后后 抽象且相互联系 必须掌握好 学会抽象简化的研究方法 基本定律 基本关系式是解决问题的基础 必须掌握并能灵活运用 重视习题和实验等 理解是基础 方法是关键 熟能生巧 工程热力学主要采用宏观的研究方法来研究过程和循环中的吸 放热和作功等宏观效果 1 抽象与简化 不考虑实际的具体设备和装置 代之以抽象的概念与术语 如热源 2 理想化 忽略次要因素 先研究理想化的内容 如理想气体的提出 17 参考文献 1 沈维道 蒋智敏 童钧耕 上海交通大学 工程热力学 m 第四版 北京 高教出版社 200 2 童钧耕 上海交通大学 工程热力学学习辅导与习题解答 m 北京 高教出版社 2004 3 严家禄 王永青 哈工大 工程热力学 m 高等教育出版社 2004 面向21世纪课程教材全国统编教材