工程熱力學(xué)緒論課件ppt

1、工程熱力學(xué)緒論本講內(nèi)容CH0 緒論1 工程熱力學(xué)簡介2 熱力學(xué)發(fā)展史3 教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求思考題CH0 緒論 1 了解工程熱力學(xué)發(fā)展簡史； 2 理解熱能和機械能連續(xù)轉(zhuǎn)換需要滿足的條件。CH0 緒論0.1 工程熱力學(xué)簡介課程性質(zhì)研究對象研究內(nèi)容研究方法0.2 熱力學(xué)發(fā)展史理論熱力學(xué)四大定律 實踐熱機熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家0.3 教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求0.1 工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)：是一門從工程觀點來論述熱力學(xué)普遍原理及其各種應(yīng)用的基礎(chǔ)性應(yīng)用學(xué)科。本課程的性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課節(jié)能分析的理論基礎(chǔ)過程裝備設(shè)計的理論基礎(chǔ)之一工程熱力學(xué)： 熱能與機械能轉(zhuǎn)換物理熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)生物熱力學(xué)溶液熱力學(xué)熱力學(xué)傳熱學(xué)熱工基

2、礎(chǔ)世界能源狀況全球能源消費增長迅速 全球能源危機石油價格波動熱力學(xué)第二定律 18541855年 S汽車工作介質(zhì)氣體或者蒸汽內(nèi)燃機：煤氣機、汽油機、柴油機從微觀粒子的運動及相互作用角度以研究熱現(xiàn)象及規(guī)律。最早的內(nèi)燃機煤氣機Kenneth G.他還提出熱力學(xué)能U和熵S的概念。1920年諾貝爾化學(xué)獎1862年，法國工程師德羅沙提出等容燃燒四沖程循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。理論熱力學(xué)四大定律1897年提出了實用的Diesel 內(nèi)燃機循環(huán)。中國平均供電耗煤量的變化常見能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量利用率熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論） 熱二律1924年，美國康明斯公司正式采用了泵噴油器，這一發(fā)明

3、有效地降低了柴油機的質(zhì)量 。常見能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量利用率原則:檢查參與教學(xué)活動的情況勾股定理 微生物的存在 血液循環(huán) 物種進(jìn)化 基因1924年，在柏林汽車展覽上，MAN公司展示了一臺裝備柴油機的卡車，這是第一臺裝有柴油機的汽車。（開爾文說法）不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響。工程熱力學(xué)主要研究熱能的有效利用以及熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：汽車 制冷空調(diào) (非熱機） 200%熱力學(xué)第一定律 18401850年 E1968年諾貝爾化學(xué)獎從微觀粒子的運動及相互作用角度以研究熱現(xiàn)象及規(guī)律。本質(zhì)：在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆

4、性。中國能源需求與生產(chǎn)差額中國與世界工業(yè)能耗比較g / kW. h中國平均供電耗煤量的變化冶金化肥耗煤量比較節(jié)能是我們的責(zé)任我國主要部門節(jié)能潛力：鋼鐵工業(yè) 24%建材工業(yè) 13-22%石化 10-24%合成氨 6-18%有色金屬 4-10%交通部門: 公路 20-50% 鐵路 10-30% 民航 16-34% 政府機構(gòu)： 15-20%節(jié)能是近年來的基本國策“開發(fā)和節(jié)約并重”節(jié)能任重道遠(yuǎn)！節(jié)能是我們的責(zé)任！0.1 工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)的研究對象： 工程熱力學(xué)主要研究熱能的有效利用以及熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。 熱是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種自然力，是地球上一切生命的源泉。 恩格斯能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系

5、熱 能電 能機 械 能 風(fēng)能水能化學(xué)能核能地?zé)崮芴柲芤淮文茉?天然存在)二次能源 光電轉(zhuǎn)換燃料電池光熱聚變裂變?nèi)紵囁啓C風(fēng)車熱機電動機發(fā)電機85%轉(zhuǎn)換直接利用利用生物質(zhì)生活中常見的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備鍋爐 冰箱 汽車汽輪機 空調(diào) 飛機蒸汽動力裝置 熱電廠蒸汽機車(化學(xué)能熱能機械能電能)1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸汽）3、膨脹做功4、循環(huán)(加壓、加熱、膨脹做功、放熱)燃?xì)廨啓C裝置 飛機坦克(化學(xué)能熱能機械能）1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?3、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、膨脹做功、放熱)內(nèi)燃機裝置 汽車火車(化學(xué)能熱能機械能）空氣、油廢氣吸氣壓縮點火膨脹排氣1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、

6、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、膨脹做功、放熱)制冷裝置 冰箱 空調(diào) (電能機械能熱能) 1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán) (加壓、放熱、膨脹、吸熱)熱能與其他形式能之間轉(zhuǎn)換的條件熱源、冷源工作介質(zhì)氣體或者蒸汽容積變化循環(huán) 吸熱（蒸發(fā)）膨脹（節(jié)流）壓縮 冷凝（放熱）常見能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量利用率 發(fā)電（火力、核能） 40% 車輛發(fā)動機（內(nèi)燃機） 2535% 輪船發(fā)動機 2535%航空發(fā)動機 2030% 制冷空調(diào) (非熱機） 200%(18321891)應(yīng)用：有效解決了計算平衡常數(shù)問題和許多工業(yè)生產(chǎn)難題。本質(zhì)：在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆

7、性。常見能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的能量利用率過程裝備設(shè)計的理論基礎(chǔ)之一中國中文版機械工程教材的奠基者。1830年，法國薩迪卡諾：“準(zhǔn)確地說，能量既不會創(chuàng)生也不會消滅，實際上，它只改變了它的形式。3工程熱力學(xué)教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求1876年，德國人奧托(Nicolaus Auguest Otto) 發(fā)明了四沖程煤氣機，熱效率相當(dāng)于當(dāng)時蒸汽機的兩倍 。本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用。熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：1847年，亥姆霍茲（H.內(nèi)燃機：煤氣機、汽油機、柴油機1897年，狄塞爾制成了第一臺壓縮點火的“狄塞爾”內(nèi)燃機，即柴油機。(17961832)0.1 工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容：1）基本概念、

8、基本定律；2）工質(zhì)的熱力性質(zhì)；3）熱力過程、熱力循環(huán)；4）熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理；5）節(jié)能分析。6）溶液熱力學(xué)！7）化學(xué)熱力學(xué)！0.1 工程熱力學(xué)簡介工程熱力學(xué)的研究方法：1、宏觀方法： 將研究對象看作連續(xù)體，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗的總結(jié)。 特點：可靠，普遍，不能任意推廣 應(yīng)用：經(jīng)典 （宏觀,平衡）熱力學(xué) 化工裝備及過程領(lǐng)域2、微觀方法： 從微觀粒子的運動及相互作用角度以研究熱現(xiàn)象及規(guī)律。 特點：揭示本質(zhì)，模型近似 應(yīng)用：微觀（統(tǒng)計）熱力學(xué) 宏觀基本實驗規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律邏輯推理對微觀結(jié)構(gòu)提出模型、假設(shè)統(tǒng)計方法熱現(xiàn)象規(guī)律0.2 熱力學(xué)發(fā)展史理論發(fā)展熱力學(xué)四大定律：熱力學(xué)第零定

9、律 1931年 T熱力學(xué)第一定律 18401850年 E熱力學(xué)第二定律 18541855年 S熱力學(xué)第三定律 1906年 S 基準(zhǔn)人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)：勾股定理 微生物的存在 血液循環(huán) 物種進(jìn)化 基因牛頓運動定律物質(zhì)的結(jié)構(gòu)電流熱力學(xué)四大定律 光的波粒二象性熱力學(xué)第零定律（R.W. Fowler in 1931）如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律是溫度測量的理論基礎(chǔ)。 B 溫度計熱力學(xué)第零定律對溫度的研究1593年，伽利略利用空氣熱脹冷縮的性質(zhì)，制成了溫度計的雛形。1702年，阿蒙頓制成空氣溫度計，但不準(zhǔn)確。1724年，荷蘭工人華倫海特在他的

10、論文中，建立了華氏溫標(biāo)，首先使用水銀代替酒精。1742年，瑞典的攝爾修斯定義水的沸點為0度，冰的熔點為100度，后施勒默爾將兩個固定點倒過來建立了攝氏溫標(biāo)。1779年，全世界有溫標(biāo)19種。1848年，開爾文發(fā)表論文建立在卡諾熱動力理論基礎(chǔ)上的絕對溫標(biāo)。1854年，開爾文提出的開氏溫標(biāo)，得到世界公認(rèn)。熱力學(xué)第一定律內(nèi)容：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔幌囊欢ǖ墓Ρ禺a(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時，也必產(chǎn)生一定的功。本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用。 能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是自然界基本規(guī)律，恩格斯曾將它和進(jìn)化論、細(xì)胞學(xué)說并列為三大發(fā)現(xiàn)。成因： 理論邁耶 實驗焦耳 數(shù)學(xué)形式亥姆霍茲熱力學(xué)第一定律

11、的發(fā)展1830年，法國薩迪卡諾：“準(zhǔn)確地說，能量既不會創(chuàng)生也不會消滅，實際上，它只改變了它的形式?！?836年，俄國的赫斯說：“不論用什么方式完成化合，由此發(fā)出的熱總是恒定的?！?842年，邁耶（J.R. Mayer）發(fā)表了論無機性質(zhì)的力的論文，表述了物理、化學(xué)過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量的人，但當(dāng)時沒有引起重視。1847年，亥姆霍茲（H.L. Helmholtz）發(fā)表著名論文力的守恒，把能量概念從機械運動推廣到普遍的能量守恒。1840-1849年，焦耳（Joule）用多種實驗的一致性證明熱一律，于1950年發(fā)表并得到公認(rèn)。1909年

12、，C. Caratheodory最后完善熱一律。熱力學(xué)第二定律內(nèi)容： 各種說法等價（克勞修斯說法）熱不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。 （開爾文說法）不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響。本質(zhì)：在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆性。條件：只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程，并且該系統(tǒng)是線性的、各向同性的。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。熱力學(xué)第二定律的發(fā)展1832年，卡諾談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機器。1834年，克拉派?。˙enoit Paul Emile Clapeyron）論熱

13、的動力。1850年，克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學(xué)第二定律的表述 。1851年，開爾文從熱功轉(zhuǎn)換的角度提出了熱力學(xué)第二定律的另一種說法 。1859年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）用統(tǒng)計方法導(dǎo)出了處于熱平衡態(tài)中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。1877年，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（Ludwig Eduard Boltzmann）發(fā)現(xiàn)了宏觀的熵與體系的熱力學(xué)幾率的關(guān)系。 熱力學(xué)第三定律及其發(fā)展內(nèi)容：在絕對零度，任何完美晶體的熵為零。應(yīng)用：有效解決了計算平衡常數(shù)問題和許多工業(yè)生產(chǎn)難題。發(fā)展：1906年，德國物理化學(xué)家能斯特（Walther Hermann Nerns

14、t）根據(jù)對低溫現(xiàn)象的研究得出了能斯特?zé)岫ɡ怼?1911年，德國物理學(xué)家普朗克也提出了對熱力學(xué)第三定律的表述，即“與任何等溫可逆過程相聯(lián)系的熵變，隨著溫度的趨近于零而趨近于零”。 1912年，能斯特進(jìn)一步推論出絕對零度不能達(dá)到原理。0.2 熱力學(xué)發(fā)展史實踐發(fā)展熱機：蒸汽機內(nèi)燃機：煤氣機、汽油機、柴油機燃?xì)廨啓C蒸汽機的發(fā)展 “蒸汽機是一個真正的國際發(fā)明，而這個事實又證實了一個巨大的歷史進(jìn)步?！?695年，法國人巴本第一個發(fā)明蒸汽機，但操作不便， 不安全。1705年，鈕科門和科里制造了新的蒸汽機，有一定實用價值，但用水冷 卻氣缸，能量損失很大。1769年，英國技工瓦特改進(jìn)了鈕科門機，加了冷凝器，使機

15、器運作由斷 續(xù)變連續(xù)，蒸汽機的使用價值大大提高，導(dǎo)致了歐洲工業(yè)革命。1785年，蒸汽機機被應(yīng)用于紡織。1807年，蒸汽機機被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船。1825年，蒸汽機被用于火車和鐵路。內(nèi)燃機的發(fā)展最早的內(nèi)燃機煤氣機1824年，法國工程師卡諾(Sadi Carnot) 發(fā)表熱力發(fā)動機的經(jīng)典理論卡諾定理。 1860年，法國萊諾制成了第一臺實用內(nèi)燃機單缸、二沖程、無壓縮和電點火的煤氣機，熱效率為4%。1862年，法國工程師德羅沙提出等容燃燒四沖程循環(huán)：進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。1876年，德國人奧托(Nicolaus Auguest Otto) 發(fā)明了四沖程煤氣機，熱效率相當(dāng)于當(dāng)時蒸汽機的兩倍

16、。把三個關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)?、四沖程融為一體 。等容燃燒四沖程循環(huán)由奧托實現(xiàn),也被稱為奧托循環(huán)。Kenneth G.熱力過程 （4學(xué)時） 他還提出熱力學(xué)能U和熵S的概念。中國能源需求與生產(chǎn)差額Ilya Prigogine基本概念 （2學(xué)時）熱力學(xué)第三定律 1906年 S 基準(zhǔn)1854年，開爾文提出的開氏溫標(biāo)，得到世界公認(rèn)。1859年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）用統(tǒng)計方法導(dǎo)出了處于熱平衡態(tài)中的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律”。工程熱力學(xué)主要研究熱能的有效利用以及熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：條件：只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍

17、內(nèi)的宏觀過程，并且該系統(tǒng)是線性的、各向同性的。熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：3 教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求1850年，克勞修斯從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學(xué)第二定律的表述 。內(nèi)燃機的發(fā)展汽油機1883年，戴姆勒和邁巴赫制成了第一臺四沖程往復(fù)式汽油機，此發(fā)動機上安裝了邁巴赫設(shè)計的化油器，還用白熾燈管解決了點火問題。同時，本茨研制成功了現(xiàn)在仍在使用的點火裝置和水冷式冷卻器。20世紀(jì)20年代，美國的米格雷和鮑義德通過在汽油中加入少量的四乙基鉛，解決了爆震的問題，使壓縮比從4提高到了8，大大提高了汽油機的功率和熱效率。20世紀(jì)20年代，英國的里卡多及其合作者通過對多種燃燒室及燃燒原理的研究，改進(jìn)了燃燒室，使汽油機

18、的功率提高了20%。20年代后期到40年代早期，發(fā)明了廢氣渦輪增壓，可使氣壓增至1.41.6大氣壓。內(nèi)燃機的發(fā)展柴油機1892年，德國的狄塞爾博士獲得壓縮點火壓縮機的技術(shù)專利。1897年，狄塞爾制成了第一臺壓縮點火的“狄塞爾”內(nèi)燃機，即柴油機。1924年，美國康明斯公司正式采用了泵噴油器，這一發(fā)明有效地降低了柴油機的質(zhì)量 。1924年，在柏林汽車展覽上，MAN公司展示了一臺裝備柴油機的卡車，這是第一臺裝有柴油機的汽車。1936年，奔馳公司生產(chǎn)出了第一臺柴油機轎車260D。20世紀(jì)70年代以后，博世公司把電控汽油機噴射技術(shù)引用回柴油機。0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家： 卡諾 (1796

19、1832) 法國 1824 年發(fā)表了著名的論文火的動力的思考,闡述了卡諾循環(huán)及卡諾定理。 邁耶 J. R. Mayer (18141878) 德國 1842 年提出了能量轉(zhuǎn)換定律0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：亥姆霍茲 H.L. Helmholtz (18141878)德國1847 年推導(dǎo)出能量轉(zhuǎn)換定律。開爾文 L. Kelvin(18241907) 英國 1848年建立了熱力學(xué)溫標(biāo)。0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：克勞修斯 (18221888)德國1850年第一個闡述了兩個基本規(guī)律：熱力學(xué)第一、第二定律。他還提出熱力學(xué)能U和熵S的概念。朗肯 (18201872) 英國18

20、53年提出“熱效率”概念，并于1854年提出p-v圖，1859年出版第一本熱力學(xué)教科書。0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：奧托 N.A. Otto (18321891)德國1876年制造了使用Otto循環(huán)的內(nèi)燃機。布雷頓 G.B. Brayton(18301892) 美國 1876年制造了使用Brayton 循環(huán)的內(nèi)燃機。0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：吉布斯 J.W. Gibbs (18391903)美國1878 年發(fā)表相律，并建立了T-s圖和多相系平衡的熱力學(xué)分析方法。狄塞爾 (18581913) 德國 1897年提出了實用的Diesel 內(nèi)燃機循環(huán)。0.2 熱力學(xué)發(fā)展史

21、熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家： J.D.范.德瓦爾斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷蘭 氣體和液體狀態(tài)方程 1910年諾貝爾物理學(xué)獎 M.普朗克 Max Planck (1858-1947) 德國 發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論） 熱二律 1918年諾貝爾物理學(xué)獎0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家： W.H.能斯脫 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德國 熱化學(xué)，熵基準(zhǔn) 1920年諾貝爾化學(xué)獎 L.昂薩格 Lars Onsager (1903-1976) 美國 不可逆過程熱力學(xué)理論 1968年諾貝爾化學(xué)獎0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力

22、學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家： I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-) 比利時 熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論 1977年諾貝爾化學(xué)獎 K.G.威爾遜 Kenneth G. Wilson (1936-) 美國 臨界重整化群理論 1982年諾貝爾物理獎1910年諾貝爾物理學(xué)獎(1903-1976)汽輪機 空調(diào) 飛機熱力循環(huán) （3學(xué)時）本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律在熱過程中的應(yīng)用。鍋爐 冰箱 汽車1853年提出“熱效率”概念，并于1854年提出p-v圖，1859年出版第一本熱力學(xué)教科書。Ilya Prigogine討論和習(xí)題 （4學(xué)時）1878 年發(fā)表相律，并建立了T-s圖和多相系平衡的熱力學(xué)分析方法。把三個關(guān)鍵的技術(shù)思想：內(nèi)燃、壓縮燃?xì)狻⑺臎_程融為一體 。熱力學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)大家：3工程熱力學(xué)教學(xué)安排與學(xué)習(xí)要求1769年，英國技工瓦特改進(jìn)了鈕科門機，加了冷凝器，使機器運作由斷多練習(xí)，認(rèn)真完成課后作業(yè)，理解思考題0.2 熱力學(xué)發(fā)展史熱力學(xué)領(lǐng)域的中國學(xué)者：侯虞鈞院士 中國.浙江大學(xué) 馬丁侯(MH)方程劉仙洲 中國.北洋/東北/清華大學(xué)中國中文版機械工程教材的奠基者。Entropy和Enthalpy譯為“熵”和“焓”0.