工工 程程 热热 力力 学学Engineering Thermodynamics西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安建筑科技大学环境与市政工程学院 School of Municipal & Environmental Engineering Xian University of Architecture & Technology主 讲 人：赵 蕾 Zhao Lei Email:zhaoleixauat.edu.cn教师介绍教师介绍 赵赵 蕾蕾, 博士，副教授博士，副教授, 硕士生导师硕士生导师 环境与市政工程学院环境与市政工程学院Address：环境与市政工程学院实验教学楼：环境与市政工程学院实验教学楼206室热工流力教研室室热工流力教研室Tel：82202185E-mail: zhaoleixauat.edu.cn助教介绍助教介绍Name: Address：高层研究生公寓：高层研究生公寓Tel：Introduction (绪论绪论)What does thermodynamics concern?Main Contents of Engineering ThermodynamicsSome Requirements for this course Thermodynamics can be defined as a branch of science of energy.heatThermedynamispower(Greek words)热能热能 Thermal Energy工程热力学是重要的工程热力学是重要的技术基础课技术基础课0.1 What does thermodynamics concerns? (热力学涉及哪些内容热力学涉及哪些内容?）1.Thermodynamics is the branch of science which studies the rule that governs the transformation of thermal energy to other forms of energy. Also it studies how to use thermal energy efficiently. 工程热力学工程热力学是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及热能热能和和其它形式其它形式能量能量转换规律的科学转换规律的科学 It includes all aspects of energy and energy transformations（能量转换）能量转换）, including power generation, refrigeration and relationships among the properties of matter.热电厂热电厂(热能热能机械能机械能)Thermal Power Plant (Thermal Energy Mechanical Energy飞机飞机(热能热能机械能机械能)Aeroplane (Thermal Energy Mechanical Energy汽车汽车 (热能热能机械能机械能)Vehicle(Thermal Energy Mechanical Energy)冰箱冰箱 (机械能机械能热能热能)Refrigerator(Mechanical Energy Thermal Energy ?Why do we need to learn Engineering Thermodynamics?(1)自然能源的种类自然能源的种类 (Categories of natural energy resources) A.化学能（化学能（Chemical energy ）: such as : 煤炭煤炭 （coal） 石油石油 （crude oil） 天然气（天然气（ natural gas ）沼气沼气 （firedamp, etc）. 2.自然界中的能源自然界中的能源（Natural energy resources)B. 机械能（机械能（Mechanical energy） such as: 风力资源风力资源 （wind resources） 水力资源水力资源 （water resources） 潮汐能潮汐能 （tidal energy）, etc.C. 热热 能（能（ Thermal energy） such as: 太阳能（太阳能（solar energy） 地热能（地热能（geothermal energy）,etc.D. 原子能（原子能（Nuclear energy ）Chemical energy Thermal energyFusion or fission reactionCombustion（燃烧）燃烧）directly usedMechanical energy can be used directly.（核聚变或和裂变）核聚变或和裂变）(2) 能源的利用（能源的利用（Utilization of Energy Resources ） Thermal energyNuclear energy Thermal energy indirectly used能源转换与利用的关系能源转换与利用的关系(Relationship between energy transformation and utilization) 热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源( (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光光电电转转换换燃燃料料电电池池光光热热聚聚变变裂裂变变燃燃烧烧水水车车水水轮轮机机风风车车热机热机电电动动机机发发电电机机90%转转换换直接利用直接利用利利用用生物质生物质90% of energy resources are transformed into thermal energy before it is used.(3) 能量转换的能量转换的共同点共同点(A rule in common) Then, thermal energy is transformed into mechanical energy and used indirectly How can thermal energy be transformed into mechanical energy more efficiently?Thermal energy Mechanical energy(1) 广泛性广泛性 universallyHeartthe heating and air-conditioning systems, the refrigerator, humidifier, the pressure cooker, the water heater, the shower, the iron and even the computer.automotive engines,rockets, jet engines,and conventional and nuclear power plans, solar collector and the design of vehicles from ordinary cars to airplanes.transformed3.热力学的研究对象热力学的研究对象(What does Thermodynamics study?)Disorganized energy organized energy （无序能）无序能） （有序能）（有序能）transformed(2)代表性（代表性（ Representatively ）(3)实用性实用性 (Practicality)4.能量转换的一些实例能量转换的一些实例(Examples of Some energy transformation application )(1)火力发电装置火力发电装置 (Steam power plant)火力发电装置基本特点火力发电装置基本特点锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝汽汽器器过热器过热器 1、热源热源2、工质、工质 （水，蒸汽）（水，蒸汽）3、工质状态的变化、工质状态的变化 ( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )4 4、冷源冷源Generalized Representation of Heat Engines（热机工作原理的示意）（热机工作原理的示意）热 源 (Hot Reservoir)冷冷 源源 (Cold Reservoir)How many W can be produced by absorbing QH? Is there any relationship between QH,QL and W?Is QL necessarily to be discharged to its surroundings, becoming waste energy?(2) 内燃机内燃机装置装置Internal combustion engine空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩点火点火膨胀膨胀排气排气内燃机内燃机装置装置基本特点基本特点1、热源热源2、工质（燃气）工质（燃气）3、工质经历状态变化、工质经历状态变化 (加压、加热、加压、加热、 膨胀做功、放热膨胀做功、放热)4、冷源冷源 冰箱冰箱 (Refrigerator)(3)制冷空调制冷空调装置装置 Refrigeration System (3)制冷空调制冷空调装置装置 Refrigeration System 1、冷源冷源2、工质（制冷剂）工质（制冷剂）3、循环循环 (加压消耗外界的功量、加压消耗外界的功量、放热、膨胀、吸热放热、膨胀、吸热)4、热源热源A.Heat source of high temperature （高温热源（高温热源 hot reservoir）B.Working substance or working medium （工作介质）（工作介质）C. The change in state of working medium （工质的（工质的 状态变化）状态变化）D. Heat sink of low temperature （低温冷源（低温冷源 cold reservoir）Thermal energy reservoir: heat source heat sink(4) Main Factors in energy transformation ( (能量转换中的主要因素能量转换中的主要因素) )0.2 研究的研究的主要主要内容内容 Main Contents 1.能量转换的基本定律能量转换的基本定律 Basic Principles of Thermodynamics(1)热力学第一定律热力学第一定律 （能量守恒原理）（能量守恒原理） The first law of thermodynamics (conservation of energy principle) For example: a rock falling off a cliff human body It asserts that energy is a kind of thermodynamic property of substance. It asserts that energy has quantity as well as quality and actual process occur in the direction of decreasing quality of energy. 阐明能量不仅有量的属性，而且也有质的属性，阐明能量不仅有量的属性，而且也有质的属性，过程总是朝着能量贬值的方向进行。过程总是朝着能量贬值的方向进行。 For example: a cup of hot water(2) 热力学第二定律热力学第二定律The second law of thermodynamics （）（）2.工质的性质工质的性质Properties of Working Medium (1) 理想气体的性质理想气体的性质 Properties of Ideal Gases (2) 水蒸气的性质水蒸气的性质 Properties of Steam or Water Vapor (3) 湿空气湿空气 Moist Air 3. 工程应用工程应用 Some applications (1) 喷管中的流动喷管中的流动 Flow through Nozzles (2) 动力循环动力循环 Power Cycles (3) 制冷循环制冷循环Refrigeration Cycles 主要内容主要内容 Main Contents 第一章第一章 热力学基础知识热力学基础知识 第二章第二章 理想气体的热力性质理想气体的热力性质第三章第三章 热力学第一定律热力学第一定律第四章第四章 理想气体的热力过程理想气体的热力过程第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律第七章第七章 水蒸气水蒸气第八章第八章 湿空气湿空气第九章第九章 蒸气的流动蒸气的流动第十章第十章 蒸气的动力循环蒸气的动力循环第十一章第十一章 制冷循环制冷循环(1) 宏观方法宏观方法 ( Classical Method) 连续体连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态，其基用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结本规律是无数经验的总结 特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广 经典经典 （宏观宏观,平衡平衡）热力学热力学 classical (macroscopic, equilibrium) thermodynamics4.工程热力学研究方法工程热力学研究方法 (Study Method) 从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律。规律。 Microscopic approach is based on the average behavior of large groups of individual particles 特点特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似 微观（统计）热力学微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynamics(2) 微观方法微观方法(Statistical Method)0.3 教教 学学 要要 求求 Some Requirements for this course1. Clearly understand and firmly grasp of the basic principles 弄清基本概念，注意每章后的思考题弄清基本概念，注意每章后的思考题2. Finish the assignment independently and submit it a week after it is assigned. 独立完成作业，布置作业后的下周按时交独立完成作业，布置作业后的下周按时交 3、Explore your activeness, think hard, attend to discussion in class. 发挥主观能动性，勤于思考，积极课堂讨论，发挥主观能动性，勤于思考，积极课堂讨论，4、Solve problems as soon as it is discovered 有问题及时解决，不要拖至考试有问题及时解决，不要拖至考试Problem Solving Technique (解题方法）解题方法） (1) Problem statement （问题陈述）（问题陈述）(2) Schematic （示意图）（示意图）(3) Assumptions （假设）（假设）(4) Physical Laws （物理定律）（物理定律）(5) Properties （物性参数）（物性参数）(6) Calculations （计算）（计算）(7) Reasoning, Verification, and Discussion （推理、证明和讨论）（推理、证明和讨论）nNeatness （整洁）（整洁）nOrganization （有条理）（有条理）nCompleteness （完整）（完整）nVisual appearance （工整）（工整） Requirements for writing form （对作业的要求）（对作业的要求）请在布置了作业以后的一周内交作业。作业得分在C及以下的同学可以重新做好之后请老师另阅。 Remark on Significant Digits （有效数字）（有效数字）Reporting results should be rounded to three significant digits. （结果保留三位有效数字）（结果保留三位有效数字）It is more appropriate to retain all the digits during intermediate calculations and to do the rounding in the final step. About the Exam 考试成绩考试成绩1、Assignment 10% (平时作业平时作业10%)2、Exercise and discussion in class 10% (课堂练习及讨论参与情况课堂练习及讨论参与情况 10）3、Experiment 10% (实验情况及报告实验情况及报告10%)3、Final Exam 70%（ 期末考试期末考试70%）热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（1） J.D.范范.德瓦尔斯德瓦尔斯 Johannes van der Waalso (1837-1923)o 荷兰荷兰o 气体和液体状态方程气体和液体状态方程o 1910年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（2）M.普朗克普朗克 Max Plancko (1858-1947)o 德国德国o 发现能量子（量子理论）发现能量子（量子理论） 热力学第二定律热力学第二定律o 1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（3）W.H.能斯特能斯特 Walther Hermann Nernsto (1864-1941)o 德国德国o 热化学，熵基准热化学，熵基准o 1920年年因发现热力学第三定律获诺贝尔化学奖。因发现热力学第三定律获诺贝尔化学奖。(1921年补发年补发)热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（4） L.昂萨格昂萨格 Lars Onsagero (1903-1976)o 美国美国o 不可逆过程热力学理论不可逆过程热力学理论o 1968-因创立多种热动力作用之间相互关系因创立多种热动力作用之间相互关系的理论获诺贝尔化学奖。的理论获诺贝尔化学奖。热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（5） I.普里高津普里高津 Ilya Prigoginep (1917-)p 比利时比利时p 热力学的耗散结构理论热力学的耗散结构理论p 1977年因提出热力学的耗散结构理论诺贝尔年因提出热力学的耗散结构理论诺贝尔化学奖化学奖热力学方面获诺贝尔奖的科学家（热力学方面获诺贝尔奖的科学家（6）K.G.威尔逊威尔逊 Kenneth G. Wilsonp (1936-)p 美国美国p 临界重整化群理论临界重整化群理论p 1982年诺因提出关于相变的临界现象理年诺因提出关于相变的临界现象理论获贝尔物理奖论获贝尔物理奖References 参参 考考 书书1、工程热力学工程热力学 沈维道等沈维道等 高教出版社高教出版社2、工程热力学工程热力学 曾丹苓等曾丹苓等 高教出版社高教出版社3、工程热力学工程热力学 刘桂玉等刘桂玉等 高教出版社高教出版社4、工程热力学工程热力学 何雅玲等何雅玲等5、Fundamentals of Classical Thermodynamics Gordon J. et al. Fifth ed6、Thermodynamics, Yunus A. Gengel et al. Fourth Edition外文教材（每班至少每个宿舍有外文教材（每班至少每个宿舍有1本本2本）本） 绪绪 论论 完完 End of Preface