工程热力学讲义(西安交通大学版).doc

工程热力学讲义(傅秦生)
绪论
[第一讲]
§0-1 自然界的能源及其利用
一、 能源及其分类
能源是指可向人类提供各种能量和动力的物质资源。
1、按来源分：可分为来自太阳的辐射能；存储于地球内部的能量和来自其它天体的引力能量等区分。
2、按形态分：可分为一次能源和二次能源；一次能源又可分为再生和非再生能源。
3、按使用程度和技术分：可分为常规能源和新能源。
能源分类
类别
常规能源
新能源
一次能源
煤、石油、天然气、水力能等。
核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等。
二次能源
煤气、焦炭、煤油、液化气、电力、蒸汽等。
沼气、氢能等。
对于能源工作者，更多的是采用一次能源和二次能源，常规能源和新能源的概念。
4、按污染程度分：可分为清洁能源和非清洁能源。
5、按性质分：可分为含能体能源和过程性能源。
二、 能源的利用与社会历史发展
能源利用的三个历史时期：薪柴时期（麦节、动物的粪便等）、煤炭时期和石油时期。
三、 能源的利用与国民经济和人民生活
*一个国家的国民经济与能源的开发与利用有着依存关系
*人民生活的改善离不开能源的开发与利用
能源消费弹性系数：
能源消费的年增长率
ξ=
国民经济生产总值的年增长率
世界主要国家能源消费概况
序号
国家
1993年GDP/亿美元）
1980-1993年GDP年增长率%）
1980-1993年能源消耗年增长率%
1980-1993年能源消耗弹性系数
1993年人口/万人
1993年人均能源消费/kg
1
美国
62599
2.7
1.4
0.52
25700
7918
2
德国
19108
2.6
\
\
8070
4170
3
法国
12517
2.1
2
0.95
57500
4031
4
英国
8190
2.5
1
0.4
5790
3718
5
俄罗斯
3294
-0.5
\
\
14870
4438
6
日本
42142
4
2.7
0.68
12450
3462
7
中国
4256
9.6
5.1
0.53
11784
623
8
印度
2254
5.2
6.7
1.29
89820
242

全世界
231126
2.9
\

550150
1421
四、 能源的利用与环境
能源在其开发、输送、加工、转换、利用、利用和消费过程中，必然环境造成污染：
1、温室效应与热污染
2、酸雨
3、臭氧层的破坏
4、放射性污染
5、其它污染
五、 能源的利用与人类社会的可持续发展
1、非再生能源的大量消耗
2、环境污染日趋严重
节能是解决可持续发展的战略措施之一，也是本学科研究的一个重要方面。
六、 我国的能源事业
1、储量丰富、种类齐全
2、多种能源结构

[第二讲]
§0-2 热能的利用
一、人类利用的主要能源有:水力能、风能、地热能、太阳能、燃料的化学能和原子能。
从某种意义上讲，能源的开发和利用就是热能的开发和利用。
世界一次能源消费结构
年份
煤炭
石油
天然气
水电及其它
1950
611
274
98
17
1960
520
320
140
20
1970
352
427
199
22
1980
308
442
215
35
1990
290
360
195
155
2020
240
270
290
200

二、热能利用的形式和热科学发展简史
1、热能利用的形式
直接利用：是指直接用热能加热物体，热能的形式不发生变化。
间接利用：是指把热能转换为机械能，以满足人类生产生活对动力的需要。（图热电厂工作原理图）
从某种意义上讲，能源的利用就是热能的利用。
如何实现热能向机械能转换？转换的基本规律是什么？
动力
如何提高热能向机械能转换的能量利用率（经济性）？
如何实现机械能向热能的转换？转换的基本规律是什么？
制冷伙热泵
如何提高机械能向热能转换的能量利用率（经济性）？
2、热力学发展史
1763---1784年间瓦特改进了蒸汽机使之用于生产，大大提高了生产力；
1842年、1843---1848年迈尔和焦耳各自独立发现热力学第一定律；
1824年卡若提出了卡若循环和卡若定理，奠定了热力学第二定律基础；
1850---1851年克劳修斯和开尔文先后对立提出了热力学第二定律；
1906---1912年能斯特提出了热力学第三定律。
§0-3 工程热力学的研究对象、内容和方法
一、 研究对象
热力学是研究热能和机械能相互转换规律（即热力学第一定律和热力学第二定律），以提高能量利用经济性（节能或能量利用率）为主要目的的以门学科。
二、 主要内容
（一）、热力学基本定律：热力学第一定律、热力学第二定律（既是重点也是难点）。
（二）、工质的热力性质和热力学过程：理想气体、实际气体（不能理想化的气体）、蒸汽和湿空气等。
（三）、工程热力学的应用：工程力学过程、热力学循环、装置的分析研究。
三、 研究方法
经典热力学：宏观和唯象的方法，简单、可靠。宏观：从宏观研究气体。唯象：从现象出发进行研究。优点：只用到高等数学的微积分即可，结论可靠。缺点：内部过程不能解释。
统计热力学：微观和统计的方法。优点：可以解释许多现象。缺点：要用到概率统计方法，结果与实际有偏差。
工程热力学研究以经典热力学为主，统计热力学为辅。
四、 教与学
1、教材：《工程热力学》沈维道主编 第三版
2、参考书：《工程热力学》 （重庆大学、清华大学、上海交通大学、东南大学）
《热工基础与应用》傅秦生主编 机械工业出版社
《Thermodynamics》
2、教与学：课堂教学为主+自学
作业
答疑+面授
说明：
工程热力学、流体力学、燃烧学是本专业的专业基础课或技术基础课。

[第三讲]
第一章基本概念
§1-1热力系统与工质
一、 热力系统
1、定义：人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系或热力系统。（全称是热力学系统）。（图示说明）
2、分类
⑴按物质交换分：
闭口系（与外界无物质交换的系统CM。
开口系：与外界有物质交换的系统CN。热力学工程研究的主要情况
⑵按能量交换分：
简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可可逆体积变化功的交换。（一般情况都是该系统）
孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。(现实没有，是一个抽象模型)
绝热系：与外界无热量交换的系统。（是一个抽象模型）
热源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统温度变化的热力系统。（如：发电厂的锅炉，生活的环境。而热污染是无限热量交换。）热源又有高温热源(热源)和低温热源。
⑶分类方法3
单项系统
多项系统
⑷分类方法4
单元系统
多元系统
二、 工质（工作物质）
用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。（图示）它包括：理想气体、实际气体、蒸气。
虽然在物质有三种状态，但在热力学中，工质主要是指气体（理想气体、实际气体、蒸气）。
[第四讲]
1-2热力状态
热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。（简称状态）
一、 状态参数
1、定义：描述系统状态的宏观物理量。
2、分类
广延量参数：有关。如H、U、S等。广延量参数具有可加性。
⑴按与所含工质的量是否有关：
强度量参数：无关。如p、T、v、h等
广延量参数和强度量参数可以相互转化。一般广延量参数用大写字母表示，强度量参数用小写字母表示。
基本状态参数：可以直接或易测的状态参数。如：p、v和T等。
⑵按是否直接或易测
非基本状态参数：不能直接或易测的状态参数。如：H、U、S等。
3、数学特征：状态一定，状态参数一定。也是物理学中质量一定、上升高度一定时，物体所具有的势能就确定。与走的路线无关。
z=z(x,，y) dz=0 或 =z-z
二、 基本状态参数
上述说明了状态一定，其状态参数就可以确定。那么状态参数确定或要确定一个状态则需要几个状态参数。这就涉及到基本状态参数。
1、比体积：比体积就是单位质量的工质所占的体积。即：
v=m/kg v=
2、压力：压力即物理学中的压强。单位是Pa。
⑴单位换算 1Pa=1N/ m 1MPa=10Pa 1kPa=10Pa
0.1MPa=750.06mmHg
1at=735.6mmHg
0.1MPa=1.01972at=0.98623atm
具体换算见教材p13的表1-1
⑵解释：气体压力是气体分子撞击器壁的统计（平均）效果。
⑶
三、 的
四、

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