流体力学与热工学 课件00 绪论

绪论工程热力学——是重要的技术基础课（能源类：专业基础课）

是一门研究热能有效利用及热能与其它形式能量转换规律的科学。1能量的主要形式:机械能:物体的动能与势能；热能：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉及化学变化和核反应的热力学能，也称内热能；电能：与电荷的运动和积蓄有关的能量；化学能：通过化学反应释放的能量；核能：通过核反应释放的能量；辐射能：物体以电磁波的形式发射的能量。1热能及其应用21热能及其应用3有序能（转换效率高、品味高）：宏观动能、位能、机械能、电能等。如水力可直接转变成机械能或电能，中间环节少，转换效率高，其品位就高；化石燃料需先经热转换再转换成机械能或电能，中间环节多，转换效率低，其品位则低。能量还可分为无序能（低级能或低品位能）和有序能（高级能或高品位能）。

无序能（转换效率低、品味低）：热能、生物质能、化学能、核能、地热能、太阳能等。1热能及其应用——能源转换利用关系风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源（天然存在）热能机械能电能二次能源转换水轮机水车燃烧裂变聚变供热光热风车发电机电动机燃料电池热机（90%）直接利用光电转换生物质4风力发电5风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源（天然存在）热能机械能电能二次能源转换水轮机水车燃烧裂变聚变供热光热风车发电机电动机燃料电池热机（90%）直接利用光电转换生物质6水力发电7风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源（天然存在）热能机械能电能二次能源转换水轮机水车燃烧裂变聚变供热光热风车发电机电动机燃料电池热机（90%）直接利用光电转换生物质8火力发电9机动车10火车11轮船12飞机13航天14燃料电池15

风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源（天然存在）热能机械能电能二次能源转换水轮机水车燃烧裂变聚变供热光热风车发电机电动机燃料电池热机（90%）直接利用光电转换生物质16秦山核电站17核潜艇18风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源（天然存在）热能机械能电能二次能源转换水轮机水车燃烧裂变聚变供热光热风车发电机电动机燃料电池热机（90%）直接利用光电转换生物质19地热利用有：蒸汽型资源（过热蒸汽）、热水型资源（＞150℃，90-150℃，＜90℃）20风能水能化学能核能地热能太阳能一次能源（天然存在）热能机械能电能二次能源转换水轮机水车燃烧裂变聚变供热光热风车发电机电动机燃料电池热机（90%）直接利用光电转换生物质21太阳能热直接利用22太阳能热发电23太阳能光电转换24生物质能利用直接燃烧压缩成型后燃烧制成可燃气体制成生物油制成乙醇25（1）直接利用：加热或制冷，例采暖，冶炼，需加热设备等。热能利用热能利用的实质是能量的转换和传递。（2）间接利用：将热能转化为机械能或电能，需热机才能实现。262热力学发展简史（1）热力学是研究能量、能量转换及其与物质性质之间关系的普遍学说。（2）原始人学会取火和用火，是人类发掘利用热能的第一步，但这并不是热力学的开始。（3）在人类历史上，水力的利用曾长期占据统治地位。（4）1784年，瓦特对原始蒸汽机进行改造，增加了曲轴、进汽阀、排汽阀。瓦特的发明引发了产业革命。

蒸汽机运用到航海以后，由于船上储煤空间宝贵，促使人们对如何提高蒸汽机的工作效率、节约用煤问题进行了系统的研究，并在十九世纪中叶开始形成“热力学”这门学科，和“电磁学”一道从牛顿力学上分枝出来。27（5）热力学第一、二定律的出现标志着热力学的建立a）到十九世纪中叶，焦耳（J.P.Joule.1818-1889)前后用了20多年时间，做过多种多样的实验，测定了热功当量。1850年当焦耳写出第一篇总结论文时，他的各种精确的实验结果的一致性，已经给出了能量守恒定律的实验基础。b）1824年，卡诺提出了卡诺循环和卡诺定理，发现了热能转变为机械能的根本条件，即必须有温度不同的热源和冷源，这从本质上说明了热力学第二定律。在卡诺研究的基础上，1850~1851年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律。开尔文在1848年根据卡诺定理制定了“热力学温标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了“熵”。28（6）1906年，能斯特根据低温下化学反应的大量实验事实归纳出了新的规律，并于1912年将之表述为绝对零度不能达到，即热力学第三定律。热力学第三定律的建立，使经典热力学理论更加完善。（7）热力学的建立与理论研究上的成就反过来又促进了热动力机的不断改进与发展。

早期蒸汽机的热效率只有1%~2%，目前蒸汽电站的热效率达40%，燃气蒸汽联合循环的热效率已接近60%。十九世纪末，发明了高参数、高效率、大功率汽轮机和重量轻、热效率高、能移动内燃机。近几十年来，燃气轮机已发展并改进成为适合实际应用的一种重要的热动力设备：军舰、喷气式飞机、燃机电站。293工程热力学的研究内容与研究方法（1）研究内容:

主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技术措施。热能→机械能:动力装置(蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、原子能动力装置等)机械能→热能:制冷、热泵、空气分离装置等302.各种热力过程的分析、计算3.部分典型热工设备的工作原理、热力过程分析及计算。31（2）研究方法:a）

宏观方法（经典热力学）：研究对象看作连续体，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结。

特点：可靠，普遍，不能任意推广

b）

微观方法（微观（统计）热力学）：从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律。

特点：揭示本质，模型近似

32工程热力学所属学科工程热物理学科

工程热力学传热学流体力学燃烧学热物性学33热力学的分类热力学

工程热力学：热能与机械能的转换物理热力学化学热力学生物热力学溶液热力学344工程热力学与中国能源战略及环保

工程热力学：是一门研究热能有效利用及热能与其它形式能量转换规律的科学。是节能的理论基础35世界矿物能源的储备石油20年天然气

50年煤碳70年36世界能源需求37标准煤是指热值为7000千卡/千克(公斤)的煤炭。它是标准能源的一种表示方法。中国能源形势严峻—资源匮乏中国人均能源资源与世界平均水平相比：只有世界平均水平的一半！38中国能源形势严峻—资源匮乏中国能源结构39中国能源形势严峻—利用率低上海某发电厂276.02克/度2013.0840中国能源形势严峻—利用率低中国和日本工业能耗比较41中国能源形势严峻—利用率低◆能源利用效率33.4%（世界平均43%，发到国家52-55%）◆占工业能耗73%的8个行业33种产品单位能耗平均比世界先进水平多47%（比先进水平多耗用能2.3亿吨标准煤/年）[标准煤是指热值为7000千卡/千克(公斤)的煤炭。它是标准能源的一种表示方法]◆交通能耗比发达国家多20%以上。42环境污染现状中国能源形势严峻—污染问题43能源危机涨中国能源形势—需要进口44中国能源形势工业、农业、国防军事及国家经济发展都离不开能源。能源事关国家战略安全，经济社会可持续发展！45节能节能与可持续发展一直都是我国的基本国策。开发与节能并重节能任重而道远，是我们每个人的责任46我国能源科技发展重点能源科技加强节能提高能效以煤为主、积极发展核能等多元化能源可再生能源及氢能利用发展节能和提高能效技术煤炭合理高效经济清洁技术保障石油安全技术支撑体系先进核能技术大型水电工程技术研究开发先进可靠的电力输配系统可再生能源规