周亞蘋zyaping源與動力工程學院工程熱力學EngineeringThermodynamics課程教材：《工程熱力學》（第6版），童鈞耕王麗偉葉強主編參考教材：《工程熱力學（ThermodynamicsanEngineeringApproach）》，尤努斯A.切蓋爾邁克爾A.博爾斯著《工程熱力學》（第六版），譚羽非吳家正朱彤編著《高等數學》、《大學物理》課程類別：專業基礎課、必修課考核方式：閉卷考試成績比例：平時考核+期末考試（比例待定）工程熱力學專業課什么是工程熱力學？熱力學是一門研究物質的能量、能量傳遞和轉換以及能量與物質性質之間普遍關系的科學。工程熱力學是熱力學的工程分支，著重研究熱能與其他形式能量之間的轉換規律及其工程應用。為什么要學習工程熱力學？世界上經過熱能形式利用的能量平均超過85%，我國則占90%以上。第1章第2/6章第3/4/5/12章第7/8章第9-11章基本概念及定義熱力學第一與第二定律工質的基本熱力學性質/熱力過程：理想氣體、蒸汽、濕空氣工質在熱工設備工作過程：管路設備、壓氣機工程實際熱力循環分析與計算：氣體動力循環、蒸汽動力循環、制冷循環課程內容課程邏輯：基本概念工質性質熱力循環課程主要內容點線面課程特點：（1）系統性強、研究對象（氣體）復雜；（2）課程概念多、內容抽象；（3）計算簡單、需要數學和物理基礎。學習方法要點（1）對基本概念和基本定律的理解要清楚；（2）切忌死記硬背，多思考揣摩；（3）具備一定的綜合及工程分析問題的能力，將實際工程問題轉化為物理或數學模型進行求解；（4）提前預習、提高課堂學習效率、及時復習鞏固；（5）理論聯系實際、按時獨立完成作業。如何學習工程熱力學？工程熱力學是一門研究物質的能量、能量傳遞和轉換以及能量與物質性質之間普遍關系的科學。作業要求：（1）按時獨立完成作業，在規定時間交作業；（2）表達規范、清晰，對于計算題：①寫出物理表達式及必要文字說明；②帶入原始數據；③給出相對準確結果及單位。（3）找一、兩本參考書，進一步提高。如何學習工程熱力學？緒論0-1熱能及其利用0-2熱能和機械能相互轉換的過程0-3熱力學發展簡史0-4工程熱力學的主要內容及研究方法能源是指提供各種有效能量的物質資源。一次能源—自然界以自然形態存在的、可資利用的能源。如：風能、地熱能、太陽能、水能、核能、化學能等。風力發電地熱能發電塔式太陽能發電水利發電核能發電電池1熱能及其利用-概念能源是指提供各種有效能量的物質資源。二次能源—由一次能源加工轉換后的能源。如：熱能、機械能、電能。熱電廠（熱能→電能）飛機（熱能→機械能）1熱能及其利用-概念能量利用過程實質是能量的傳遞和轉換過程，世界上經過熱能形式而被利用的能量平均超過85%，我國則占90%。汽車（熱能→機械能）1熱能及其利用-能量的轉換和傳遞過程熱機太陽能電能光電轉換熱用戶風車燃料電池傳熱光熱水力機械水車燃燒聚變裂變電動機發電機核能地熱能水力能熱能機械

能風能一次能源二次能源化學能直接利用轉換電熱裝置直接利用—將熱能直接用于加熱物體，滿足采暖、烘干、熔煉等需求。采暖烘衣服1熱能及其利用-利用方式冶金間接利用—通過熱能動力裝置將熱能轉換為機械能或電能加以利用。蒸汽機熱電廠1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置鍋爐水泵冷凝器汽輪機簡單蒸汽動力裝置流程過熱器汽鍋1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置汽輪機1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置雙曲線冷卻塔1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置煤燃燒火力發電站1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置進氣閥出氣閥火花塞氣缸活塞曲柄連桿機構內燃機示意圖燃氣輪機裝置系統簡圖1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置蒸汽壓縮制冷系統簡圖1熱能及其利用-常見熱能轉換裝置熱能動力裝置是指從燃料燃燒中得到熱能以及利用熱能得到動力的整套設備。2熱能和機械能相互轉換的過程分類：（1）蒸汽動力裝置（2）燃氣動力裝置：內燃機、燃氣輪機、噴氣發動機等工作過程的共同點:（1）從高溫熱源吸熱(吸熱過程)（2）將其中一部分轉變為功(對外膨脹作功過程)（3）將其余部分傳給低溫熱源(對外放熱過程)（4）工質提高壓力需要耗功(消耗外功)（5）將熱能轉換為機械能進氣閥出氣閥火花塞氣缸活塞曲柄連桿機構內燃機示意圖工作過程：吸氣壓縮排氣燃燒、膨脹工作物質：燃氣能量轉換：燃料

化學能燃氣熱能機械能環境以內燃機為例2熱能和機械能相互轉換的過程過熱器鍋爐給水泵冷凝器冷卻水汽輪機發電機Q1Q2高溫高壓蒸汽Wp蒸汽動力裝置流程簡圖2熱能和機械能相互轉換的過程汽輪機水泵冷凝器鍋爐簡單蒸汽動力循環過程圖（1）鍋爐(熱源):燃料燃燒產生熱量,將水變成蒸汽(吸熱過程)（2）汽輪機:將蒸汽攜帶的熱能→動能→轉子旋轉機械能(對外作功過程)（3）冷凝器(冷源):將作功后的低溫低壓蒸汽凝結成水(對外放熱過程)（4）水泵:提高水的壓力,將水送入鍋爐(消耗外功)2熱能和機械能相互轉換的過程P另一類能量轉換裝置，如制冷裝置和熱泵，通過消耗外部機械能或電能，以實現熱能由低溫物體向高溫物體轉移。壓縮蒸氣制冷裝置流程簡圖2熱能和機械能相互轉換的過程另一類能量轉換裝置，如制冷裝置和熱泵，通過消耗外部機械能或電能，以實現熱能由低溫物體向高溫物體轉移。夏季制冷循環2熱能和機械能相互轉換的過程冬季制熱循環對工質的要求:（1）膨脹性（2）流動性（3）熱容量（4）穩定性、安全性（5）對環境友好（6）廉價、容易大量獲取工質是指實現熱能和機械能相互轉化的媒介物。物質三態中氣態最適宜，如空氣、水蒸氣等。熱源是指與工質進行熱交換的物質系統。把從工質中吸取熱能的物系稱為熱源或高溫熱源；把接受工質排出熱能的物系稱為冷源或低溫熱源。根據溫度是否恒定，將熱源分為恒溫熱源、變溫熱源。熱功轉換通常通過體積膨脹實現。熱源與冷源是相對的。2熱能和機械能相互轉換的過程第1章第2/6章第3/4/5/12章第7/8章第9-11章基本概念及定義熱力學第一與第二定律工質的基本熱力學性質/熱力過程：理想氣體、蒸汽、濕空氣工質在熱工設備工作過程：管路設備、壓氣機工程實際熱力循環分析與計算：氣體動力循環、蒸汽動力循環、制冷循環課程內容主要內容3熱力學發展簡史熱力學（thermodynamics）—將熱（thermo）和動（dynamics）結合起來,反映出熱力學起源于對熱機的研究。1763-1784年間，英國人瓦特對當時用來帶動煤礦水泵的原始蒸汽機進行重大改進。第一次工業革命1824年，卡諾出版了《論火的動力及與產生該動力相適應的機器》一書。通過構想的理想熱機的分析得出結論：理想熱機的效率只取決于兩個熱源的溫度，工作在兩個一定熱源之間的所有熱機，其效率都不超過可逆熱機，且熱機效率也不可能達到百分之百。1850年，焦耳（JamesJoule）通過熱功當量實驗結果分析，論述了能量守恒和轉化定量，也是熱力學第一定律的實驗基礎。熱變功效率最高的循環3熱力學發展簡史1847年，德國物理學家和生物學家赫姆霍茲發表了“論力的守衡”一文，全面論證了能量守恒和轉化定律，從理論上把力學中的能量守恒原理應用到熱力學上，全面闡明了能、功和熱量之間的關系。1850年，德國物理學家克勞修斯指出，熱不可能獨自地、不付任何代價地從冷物體轉向熱物體，并將這個結論成為熱力學第二定律。同時給出熱力學第二定律的數學表達式，并于1865年提出“熵”的概念。3熱力學發展簡史1851年，英國物理學家開爾文指出，不可能從單一熱源取熱，使之完全變為有用功而不產生其他影響。這是熱力學第二定律的另一種說法。克勞修斯和開爾文先后從熱量傳遞和熱轉變為功的角度提出了熱力學第二定律，指明了熱過程的方向性。1875年，美國數學物理學教授吉布斯發表了“論多相物質之間平衡”的論文。在熵函數的基礎上，引出了平衡的判據，提出了熱力學勢的重要概念，將熱力學和化學在理論上緊密結合，奠定了化學熱力學的重要基礎。3熱力學發展簡史研究對象主要是能量轉換，特別是熱能轉化成機械能的規律和方法，以及提高轉化效率的途徑，以提高能源利用的經濟性。4工程熱力學的主要內容及研究方法主要內容1、基本概念與基本定律狀態參數、可逆過程、熱力學第一、二定律等。2、能量的轉化過程和循環的分析研究及計算方法熱工設備工作過程、工程實際循環等。3、常用工質的性質（宏觀特性）工質是實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質，工程熱力學主要研究氣體以及液體。4、化學熱力學針對燃燒、燃料電池等過程。研究方法1、宏觀研究方法應用宏觀研究方法的熱力學稱為宏觀熱力學，也稱為經典熱力學。以熱力學第一定律、第二定律為基礎，針對具體問題采用抽象、概括、簡化等方式，突出本質，建立分析模型，推到一系列有用的公式，得到若干重要結論。2、微觀研究方法應用微觀研究方法的熱力學成為微觀熱力學，也成為統計熱力學。氣體分子運動學說和統計熱力學認為大量氣體分子的雜亂運動服從統計法則和概率法則，能闡明熱現象的本質。由于分子微觀結構假設只能近似，其理論結果不夠精確。工程熱力學主要應用宏觀研究方法。4工程熱力學的主要內容及研究方法二、建設能源強國首先要和國際能源情況有一個比較。拿到國際上來看，我國現在的能源是一個什么情況，通過比較看，應該說我國現在是一個能源大國，我國現在的能源生產消費總量和發用電量已經排在世界的首位，這是已經實現了一個能源大國的體現。但是不是能源強國呢？通過幾個數據來看，我國還有一定的差距，比如我國煤炭的消費總量現在已經超過世界煤炭消費總量的50%，全世界一半的煤炭是在中國消費的。能源自給率，2019年我國能源自給率大概是在80%，美國大概是97.4%，俄羅斯更高，差不多200%，它是一個能源輸出國，我國現在總體上是80%，主要是油和氣的對外依存度高。現在油的對外依存度大概70%以上，天然氣對外依存度大概是在40%以上。我國的碳排放量也居在高位，按照現在的數據大概占到1/3，大概100億噸，全世界就300多億噸。我國的能耗水平現在也是高于世界平均水平，和發達國家相比差距更大。所以從能源大國向能源強國的轉化過程當中，這都是制約或者需要加以認真解決的一些問題。三、建設能源強國應有以下六個方面的基本特征。一是要有一個安全的能源保障基礎。保障能源安全很重要，在發展和在實現“雙碳”目標的情況下，能源需求還是要有一定的增長，保障安全應放在首位。二是應根據國家的資源稟賦。有一個比較優化的能源結構，提高能源開發的整體效率。三是要有一個可控的能源自給率。我國目前是80%，特別是石油和天然氣的自給率