2020/6/30,1,.,工程热力学 Engineering Thermodynamics,杨晓军（Patrick Young） 北教3210 Xjyang 24092415-606,College of Aeronautical Engineering Civil Aviation University of China,2020/6/30,2,.,课程介绍,总学时72，课堂讲授62实验学时10 学分 4,平时15实验15考试70 星期一交作业 前续课程：大学物理，高等数学 后续课程：航空发动机原理；气体动力学 Textbook：1、工程热力学严家录等编；高教出版社 2、传热学-理论基础及工程应用曹红奋编；人民交通出版社 Online learning: ,2020/6/30,3,.,Preface,Thermodynamics can be defined as the science of energy,heat,Therme,dynamis,power,(Greek words),热能,Thermal Energy,2020/6/30,4,.,绪 论,工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学,2020/6/30,5,.,能源转换利用的关系,热 能,电 能,机 械 能,风 能,水 能,化 学 能,核 能,地 热 能,太 阳 能,一次能源 (天然存在),二次能源,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,直接利用,供暖,2020/6/30,6,.,工程热力学与节能,工程热力学 是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学,2020/6/30,7,.,能源energy sources的资源,2000.12.30世界能源报道,我国探明可开采储量32.74亿吨 可开采1520年,石油 Petroleum,世界40-50年,2020/6/30,8,.,能源的资源,2000.12.30世界能源报道,我国探明可开采储量11704亿m3 可开采2858年, 天然气 Natural Gas,世界60年,2020/6/30,9,.,能源的资源,2000.12.30世界能源报道,我国探明可开采储量1145亿吨 可开采5481年, 煤炭 Coal,世界220年,2020/6/30,10,.,能源消费水平, 日、德、俄等 5 6吨标煤/ 人年, 美国11吨标煤/ 人年,我国规划：2030 2050 年 2.5 3吨标煤/ 人年, 我国 1吨标煤/ 人年,2020/6/30,11,.,发电为例,我国电力 2 亿 5 千万千瓦, 中等发达国家 1 kW/人, 发达国家 6 kW/ 人,2050 年 1 kW/人 15 亿千瓦, 我国 0.2 kW/ 人,2020/6/30,12,.,电的来源, 煤： 9 亿 kW,2050 年 1 kW/人 15 亿千瓦, 水能： 3 亿 7 千 6 百 kW, 核能： 2 亿 kW, 风能、太阳能： 1 亿 kW,2020/6/30,13,.,Energy and Environment,SO2、 粉尘、 CO2 （酸雨） （温室效应）,acid rain,Greenhouse effect,燃煤：,车辆：,NOx、 HC 、 CO,O3,雾Smog,SUN,缺氧,2020/6/30,14,.,全球温室气体排放及运输业温室气体排放比例,民航温室气体排放占2%；IPCC预计到2050年会占到3%,2020/6/30,15,.,中国平均供电耗煤量的变化,g / kW. h,2020/6/30,16,.,中国与日本工业能耗比较,2020/6/30,17,.,节 能 Energy Saving,节能是近年来的基本国策 “开发和节约并重” 节能任重道远 是我们的责任,2020/6/30,18,.,热力学的分类,工程热力学：热能与机械能 物理热力学 化学热力学 生物热力学 溶液热力学,热力学,2020/6/30,19,.,热 机 种 类, 发电（火力、核能） 40% 车辆发动机（内燃机） 2535% 轮船发动机 2535% 航空发动机 2030% 制冷空调(非热机，同理） 200%,能量利用率,heat engine,Energy efficiency,2020/6/30,20,.,火力发电装置基本特点,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,1、热源，冷源 2、工质（水，蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),2020/6/30,21,.,燃气装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),压气机,燃气轮机,燃烧室,空气,废气,2020/6/30,22,.,内燃机装置,空气、油,废气,吸气,压缩点火,膨胀,排气,internal combustion engine,2020/6/30,23,.,内燃机装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热),2020/6/30,24,.,制冷空调装置基本特点,1、热源，冷源 2、工质（制冷剂） 3、得到容积变化功 4、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热),2020/6/30,25,.,热力装置共同基本特点,1、热源，冷源 heat reservoir 2、工质 medium 3、容积变化功 moving boundary work 4、循环 cycle,2020/6/30,26,.,热机,高温热源,低温热源,Q1,Q2,W,动力循环简图,热效率,Thermal efficiency,2020/6/30,27,.,思 考 题 ？,2、为何要有两个热源，能否不要低 温热源, 不放热，W=Q是否可以 进行？,3、发电厂效率高的只有40%左右，可否 有途径提高，最高效率是否有极 限？极限为多少？,1、为什么永动机不能实现？,Perpetual motion machine,4、热能和机械能通过什么介质转换,2020/6/30,28,.,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,2020/6/30,29,.,过程,过程,化学反应过程,热力过程,闭口系热力过程,开口系热力过程,循环,制冷热泵,内燃机,外燃机,柴油,汽油,燃气轮机,空气压缩,蒸气压缩,吸收,热机,蒸汽动力,2020/6/30,30,.,工质,工质,种类,研究方法,状态参数全微分特征,Maxwell式,理想气体,实际气体,混合气体,比热关系式,湿空气,水蒸气,制冷工质,微分关系式,状态方程,2020/6/30,31,.,1、宏观方法：连续体(continuum)，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 经典 （宏观,平衡）热力学 classical (macroscopic, equilibrium),工程热力学研究方法,2020/6/30,32,.,2、微观方法：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 微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynamics,工程热力学研究方法,2020/6/30,33,.,工程热力学 传热学 Heat Transfer 流体力学 Hydrodynamics 燃烧学 Combustion 热物性学 Thermophysical property,工程热力学所属学科,工程热物理,Engineering thermophysics,2020/6/30,34,.,五个定律,能量转化及使用 热力学第一定律 热力学第二定律 热力性质 热力学 第零定律 热力学第三定律 状态公理,2020/6/30,35,.,1、有几位科学家在热力学作出了贡献， 获诺贝尔奖？,小 知 识,2、中国哪位教授与美国教授合作提出 的状态方程得到普遍认可？,3、Maxwell 妖是什么？,4、“吉布斯佯谬”又是什么？,2020/6/30,36,.,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1）,J.D.范.德瓦尔斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷兰 气体和液体状态方程:如果压强表示成临界压强的单调函数，体积表示成临界体积的单调函数，温度表示成临界温度的单调函数，、就可得到适用于所有物质的物态方程的普遍形式. 1910年诺贝尔物理学奖,2020/6/30,37,.,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2）,M.普朗克 Max Planck (1858-1947) 德国 发现能量子（量子理论）物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是的能量的最小数值=h。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数。 1918年诺贝尔物理学奖,2020/6/30,38,.,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3）,W.H.能斯脱 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德国 热化学，熵基准:绝对零度不可达到但可以无限趋近 . 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零 1920年诺贝尔化学奖,2020/6/30,39,.,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4）,L.昂萨格 Lars Onsager (1903-1976) 美国 不可逆过程热力学理论:在描述各种不可逆过程的流（速率）和力（推动力）之间的线性唯象关系中的唯象系数之间满足一种对称关系，这就是著名的昂萨格倒易关系。 1968年诺贝尔化学奖,2020/6/30,40,.,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5）,I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-) 比利时 热力学的耗散结构理论:封闭没有发展，平衡也没有发展，这是耗散结构理论的基本结论。基本公式：dS=deS+diS。一个远离平衡的开放系统（不论它是物理、化学的，还是生物学、生态学的，乃至是社会、经济或精神的），通过与环境进行物质、能量和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，从而就可能自发组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。 1977年诺贝尔化学奖,2020/6/30,41,.,热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）,K.G.威尔逊 Kenneth G. Wilson (1936-) 美国 临界重整化群理论:临界点现象具有标度变换不变这种对称性可用重整化群来表示 将关联长度发散的临界点与非线性变换的不动点联系起来，建立一种与传统的统计方法不同的分析途径，这种途径不直接配分函数，而是研究保持配分函数形式不变的变换特性。对连续相变的讨论：分析这种非线性变换的不动点和在不动点附近线性化之后的本征值，以此计算临界指数 1982年诺贝尔物理奖,2020/6/30,42,.,参 考 书,1、工程热力学 沈维道等 高教出版社 2、工程热力学 曾丹苓等 高教出版社 3、工程热力学 严家录等 高教出版社 4、工程热力学 庞麓鸣等 高教出版社 5、热力学分析 朱明善等 高教出版社 6、工程热力学题型分析 朱明善等 清华出版社 7、Fundamentals of Classical Thermodynamic