机械工程学科介绍-第6章.ppt

机械工程导论，第6章热量和能量系统，机械能、功和能的热传导能量守恒和转换发动机的原理和效果概述，第6.1章概述，能量：材料运动的测量。与物质的各种运动形式相对应，能量也有各种形式，它们可以相互转化，但总量保持不变。也叫能量。能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等。热力学中的能量主要指热能和热能转化成的机械能。对应于宏观物体机械运动的能量形式是动能。对应于分子运动的能量形式是热能；对应于原子运动的能量形式是化学能。对应于带电粒子定向运动的能量形式是电能。对应光子运动的能量形式是光能。当运动形式相同时：两个物体的运动特征可以用一些物理或化学量来描述和比较。例如，两个机械运动的物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述和比较。两个定向运动的电流可以用物理量来描述和比较，如电流强度、电压、功率等。当运动的形式不同时：唯一能描述和比较两种物质运动特征的物理量是能量，也就是说，能量特征是所有运动物质的共同特征，而能量尺度是衡量所有运动形式的通用尺度。能量单位，在不同的运动中以不同的形式出现，并通过做功、传递热量等进行转换。能量单位是焦炭、千瓦小时、电子伏特(特殊)等。物理学中能量的符号通常是e，它的国际单位是焦耳j，维数m * l 2 * t (-2)。除了焦耳，千瓦时和千瓦时，质量-能量关系是常用的。在狭义相对论中，能量与另一个重要的物理概念质量联系在一起，并建立了一个质量-能量关系公式：e=mc2，即质量和能量是一个事物，是一个事物的两个表达式。质量是内向的能量，能量是外在的质量。爱因斯坦：“质量就是能量，能量就是质量。时间就是空间，空间就是时间。”工程热力学的概念，热力学是研究热现象、物质系统在平衡中的性质和能量平衡关系的建立，以及状态的变化、系统与外界的相互作用。工程热力学是热力学的第一个分支。主要研究热能、机械能和其他能量的相互转化规律及其应用。它是机械工程的重要基础学科之一。工程热力学的基本任务，基本任务：通过对热力学系统、热力学平衡、热力学状态、热力学过程、热力学循环和工质的分析和研究，改善和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，提高热能利用率和热能转换效率。工程热力学的具体研究内容是以热力学基本定律为基础，讨论各种热力学过程的特点。研究气体和液体的热物理性质，以及蒸发和冷凝等相变规律。为了分析某些类型的冰箱，还需要研究解决方案的特性。现代工程热力学还包括化学反应过程，如燃烧，物理和化学过程，如溶解，吸收或解吸，这反过来涉及化学热力学的基础知识。工程热力学是关于热现象的宏观理论。研究方法是宏观的。它以总结大量事实得出的热力学第一定律、第二定律和第三定律为理论基础，通过材料压力、温度、比容等宏观参数以及加热、冷却、膨胀和收缩等整体行为来研究宏观现象和热过程。工程热力学的历史发展，古代人类火与火的利用；直到17世纪末，人们才能够正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。这是1709-1714年华氏温标和摄氏温标的建立1798年，兰福德(英美物理学家)观察到，当用钻头钻一个桶时，消耗机械功的结果使钻头和桶都变热了。1799年，英国大卫将两块冰相互摩擦，导致表面融化，这显然不能用“热量理论”来解释。1842年，德国的迈耶提出了能量守恒理论，认为热是一种可以转化为机械能的能量形式，并根据恒定压力下的比热容和恒定空气体积之间的差来计算热的机械当量。英国物理学家焦耳在1840年建立了电热等效的概念。1842年以后，用不同的方法测量了热的机械当量。1850年，焦耳的实验结果使科学界彻底抛弃了“热量理论”。人们普遍认为热力学第一定律是一个客观的自然定律，即能量守恒和能量形式的交换。能量单位焦耳是以他的名字命名的。1824年，法国人卡诺提出了著名的卡诺定理，指出了热机在给定温度范围内工作所能达到的效率极限。这实际上建立了热力学第二定律。然而，受“热量理论”的影响，他的证明方法仍然是错误的。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。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，并在此基础上再次证明了卡诺定理。从1850年到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，对不可能实现两种“永动机”作出了科学的最终结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。与此同时，“工程热力学”技术科学也已形成，成为研究热机工作原理的理论基础，并在内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进发动机方面取得了快速进展。同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，也发展了热力学的数学理论，发现了反映物质各种性质的相应热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液性质中遵循的各种规律。1906年，德国能斯特在观察低温现象和化学反应时发现了热定理。1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表达式。自20世纪初以来，对超高压、超高温水蒸气等物理性质以及极低温的研究不断取得新的成果。随着人们对能源问题的关注，人们对与节能相关的复合循环和新型复合制冷剂的研究表现出极大的兴趣。工程热物理学科的方向和进展，工程热力学和能量学科热力学的基础研究，在统计热力学和分子模拟领域有两个方面的进展：一方面，引入分形理论和其他新的分析方法，取得了良好的效果；另一方面，统计热力学和分子模拟的研究已经开始走向实用化。为了满足国家节能减排的主要需求，对各种余热驱动、低温余热利用和大温差制冷循环进行了深入研究。吸收式、吸附式制冷循环、复叠式制冷循环和水基有机混合物相变存储等新型储能技术已经得到广泛研究。随着热声理论的迅速发展，热声制冷和热声发电技术在实验和应用方面的研究进展很快。可再生能源和温室气体控制是能源和环境领域的重要课题。近年来，中国经历了各种形式的太阳能热发电关键技术的研究，并开始了太阳能热发电技术的国家专项研究。太阳能光催化分解水制氢的研究已在c在传热和传质方面，随着超快激光加热技术和微纳米技术如微机电系统/NEMS(微电子机械系统/纳米机电系统)的发展，传热过程在时间尺度、空间尺度、环境温度和热流密度方面扩展到极端条件。微纳尺度导热规律的研究是传热发展中一个新的重要研究方向，对微纳热电转换器件等高科技产品的研发具有重要意义。对流传热的研究比经典方向的深化和再认识的拓展更加复杂和交叉。非线性问题、直接湍流模拟、微尺度和跨尺度问题是自然对流的主要研究方向。研究重点是对流换热过程的强化和优化，换热器和换热网络的场协同理论，节能强化技术的发展，污垢形成机理和新的防垢技术。当前辐射传热的发展趋势是研究内容的深化和向复杂、交叉领域发展的趋势，以适应现代高技术发展的需要，如航空航天、红外探测、目标和环境的红外特性、强激光及其应用、功能材料制造和辐射传热生物医学等。我国工程热物理学科的发展前景和发展目标是：建立一支结构合理、精干稳定的基础研究队伍，支持和建设一批比较先进的工程热物理和能源利用研究基地，使我国工程热物理基础研究的更多分支和领域能够接近或达到国际先进水平；培育创新理念，积累科学储备，确定技术发展方向，为解决制约中国经济发展的重大能源问题奠定科学基础，为相关高技术能源和产业发展提供科学资源和支持。重点学科发展，继续加强工程热物理学科基础研究，注重能源-环境、能源-材料、能源-生物等学科交叉和领域渗透，使我国工程热物理学科适应能源和环境问题的需要，力争在一批具有比较优势的学科中跻身世界先进行列；解决化石能源开发和应用中的关键问题，开发和探索科学的途径和方法，使常规化石能源特别是煤炭成为高效、清洁、稳定、廉价的能源；一、为促进可再生能源的发展及其关键技术的发展，提供科学的资源和支持，以不断改善我国能源消费结构，加快能源结构的多样化，建立可持续发展的能源体系；加强能源转化的物理化学和生物基础研究，为煤炭清洁利用、战略石油储备、大规模储能、生物质能开发等奠定科学基础。功是力在空间的积累，是空间力从一个物体到另一个物体的积累，它不等于能量。能量既可以包含在物质中，也可以在物质之间传递。能量和功之间有一定的联系，能量的增加是物质之间相互作用的结果。工作和能量不是一回事，但它们经常一起发生。当向外做功时，能量会流出。当工作由其他物体完成时，它伴随着能量吸收的过程。能量，功和力，能量是一个静态的概念，可以说有多少势能，原子能，化学能等等。一个物体有，但事实上能量实际上是一个相对的概念，也就是说，一个物体有多少能量必须用它能做多少功来表示。例如，我们说水库中的水有多少势能，实际上指的是通过利用水库中所有的水做功(例如发电)可以做多少功。功是能量转换的量度功是过程量能量是状态量热传递是热量从高温物体传递到低温物体或从高温部分传递到低温部分的过程因此，传热的本质是能量从高温物体向低温物体传递的过程，是能量传递的一种方式。热传递传递的是内部能量，而不是温度。1、热传导的方式，传导它依赖于物体内部的温差或两个不同物体的直接接触，在没有相对运动的情况下，只依靠物体内部粒子的热运动来传递热量；a .固体和液体：分子碰撞；固体到固体：自由电子运动；气体之间：分子热运动；2。对流流体中不同温度零件间相对位移引起的传热过程：(1)自对流：温度是导致密度变化的最大因素，取决于物体的密度差异；(2)强制对流：由功、机械作用或压差引起的相对运动；热辐射：物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射。由于热，物体的内能被转换成电磁波的能量。任何高于0K的物体都会产生热辐射。影响传热系数的几个因素：1 .流体流动状态：层流：易产生热边界层；b .湍流：破坏热边界层，更经常使用湍流；过渡层：2。流体速度：大而大；3.放热面形状：光滑；大；粗糙度：小。能量的守恒和转化，热力学第一定律：能量既不会凭空产生也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不会改变。热力学第二定律：没有任何其他影响，从低温物体向高温物体传热是不可能的。在没有其他影响的情况下，不可能从单一热源获取热量，从而将其完全