工程热力学绪论.ppt

工程热力学工程热力学 Engineering Thermodynamics热能与动力工程系热能与动力工程系1课程简介课程简介n热力学学科的分支热力学学科的分支n工程热力学是热工、储运、建环、装控等专业的工程热力学是热工、储运、建环、装控等专业的一门必修的专业技术基础课程一门必修的专业技术基础课程n本课程主要围绕着热能与机械能相互转换的规律、本课程主要围绕着热能与机械能相互转换的规律、条件和方法，以及如何提高转换效率的途径展开条件和方法，以及如何提高转换效率的途径展开的n3 3个学分，课内个学分，课内4444学时，两个实验学时，两个实验2绪论绪论§0-1 自然界的能源及其应用自然界的能源及其应用一、能量一、能量n能量是物质运动的度量每一种运动能量是物质运动的度量每一种运动形式对应着一种能量形态形式对应着一种能量形态n世界由物质构成，一切物质都处于运动状态世界由物质构成，一切物质都处于运动状态 n一切物质都具有能量一切物质都具有能量3 *能量形式能量形式*(1)(1)机械能机械能 主要包括物体的动能和势能，二者统主要包括物体的动能和势能，二者统称为宏观机械能。

称为宏观机械能2)(2)热能热能 物质分子的热运动动能和分子间相互作物质分子的热运动动能和分子间相互作用力具有的位能之和用力具有的位能之和 温度温度是物体具有热能多少的宏观标志之一是物体具有热能多少的宏观标志之一(3)(3)电能电能 与电荷的运动与积蓄有关的能量与电荷的运动与积蓄有关的能量 (4)(4)化学能化学能 与物质的化学结构有关，通过物质化与物质的化学结构有关，通过物质化学反应释放的能量学反应释放的能量5)(5)核能核能 蕴藏在物质原子核的内部，通过核反应蕴藏在物质原子核的内部，通过核反应( (核裂变或核聚变核裂变或核聚变) )释放的能量释放的能量6)(6)辐射能辐射能 物体以电磁波的形式向外发射的能量物体以电磁波的形式向外发射的能量4二、能源及其分类二、能源及其分类能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源一一)根据初始来源根据初始来源 1、地球本身蕴藏的能源，、地球本身蕴藏的能源，如核能、地热能等如核能、地热能等；； 2、来自地球以外天体的能源、来自地球以外天体的能源 如太阳能，如太阳能，风能、水力能、海洋能、生物质能以及化风能、水力能、海洋能、生物质能以及化石燃料石燃料( (如煤、石油、天然气等如煤、石油、天然气等) )；； 3、地球与其他天体的相互作用产生的能源、地球与其他天体的相互作用产生的能源，如潮汐能，如潮汐能。

间接来源间接来源于太阳能于太阳能5 1、、 一次能源一次能源 ——在自然界以自然形态存在可以直接开发利用的能源在自然界以自然形态存在可以直接开发利用的能源——如煤、石油、天然气、风能、水力能、太阳能、地热如煤、石油、天然气、风能、水力能、太阳能、地热能、海洋能、生物能等能、海洋能、生物能等 2、、 二次能源二次能源 ——由一次能源直接或间接转化而来的能源由一次能源直接或间接转化而来的能源——如电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等如电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等二二)按照开发的步骤按照开发的步骤6 1、、 常规能源常规能源 ——在现有技术条件下已大规模生产和广泛利用的能源在现有技术条件下已大规模生产和广泛利用的能源——如煤、石油、天然气、水力能等；如煤、石油、天然气、水力能等； 2、、 新能源新能源——目前科技水平条件下目前科技水平条件下尚未被大规模利用或尚在研究开尚未被大规模利用或尚在研究开 发阶段的能源发阶段的能源——如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能及核能等如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能及核能等 (三三)按照开发利用的情况按照开发利用的情况7 针对一次能源：针对一次能源： 1、、可再生能源可再生能源——不会因被开发利用而减少，具有天然恢复能力的能源。

不会因被开发利用而减少，具有天然恢复能力的能源——如太阳能、风能、海洋能、生物能等如太阳能、风能、海洋能、生物能等 2、、非再生能源非再生能源——指储量有限，随着被开发利用而日益减少，最终将会指储量有限，随着被开发利用而日益减少，最终将会枯竭的能源枯竭的能源——如如煤、石油、天然气等煤、石油、天然气等 (四四)按照能否再生按照能否再生8 1、、清洁能源清洁能源——即对环境无污染或污染很小的能源即对环境无污染或污染很小的能源——如太阳能、风能、水能、海洋能等如太阳能、风能、水能、海洋能等 2、、非清洁能源非清洁能源——即对环境污染较大的能源即对环境污染较大的能源——如如煤、石油、天然气等煤、石油、天然气等 (五五)按照污染程度按照污染程度9通常的分类方法：通常的分类方法：类别类别常规能源常规能源新能源新能源一次能源一次能源煤、石油、天然气、煤、石油、天然气、水力能等水力能等核能、太阳能、风能、核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生地热能、海洋能、生物能等物能等二次能源二次能源电力、汽油、柴油、电力、汽油、柴油、煤气、焦炭、液化煤气、焦炭、液化石油气、蒸汽等石油气、蒸汽等 沼气、氢能等沼气、氢能等10三、能源利用与人类社会的关系三、能源利用与人类社会的关系n能源是人类社会生存的基础n能源的开发和利用是人类社会发展的动力，而能源开发和利用水平又是人类社会文明的重要标志之一。

n三个能源时期：n都与人类社会生产力的发展密切地联系在一起n 薪柴时期薪柴时期 n 煤炭时期煤炭时期n 石油时期石油时期钻木取火钻木取火“薪柴、秸杆薪柴、秸杆 等等”18世纪工业革命世纪工业革命“煤炭煤炭”蒸汽机蒸汽机 、电能；、电能；电动机、电灯等电动机、电灯等20世纪世纪50年代年代 “石油、天然气石油、天然气”内燃机械内燃机械飞机、汽车等飞机、汽车等 熟食、取暖等熟食、取暖等人力、畜力、水力人力、畜力、水力 21世纪，世纪，“核能核能” 将成为世界能源的重要角色将成为世界能源的重要角色 11能源与国民经济关系能源与国民经济关系 n首先，能源是现代生产的动力来源现代化生产是建立在机械化、电气化和自动化基础上的高效生产，所有生产过程都与能源的消费同时进行着现代国防也需大量的电力和石油n其次，能源是珍贵的化工原料n一个国家的国民经济发展与能源开发和利用的依存关一个国家的国民经济发展与能源开发和利用的依存关系，可以说没有能源就不可能有国民经济的发展系，可以说没有能源就不可能有国民经济的发展 n一个国家的国民经济发展与能源消耗增长率之间存在一个国家的国民经济发展与能源消耗增长率之间存在正比例关系正比例关系——能源消费弹性系数能源消费弹性系数  12能源与人民生活关系n发展生产和国民经济需要能源，重要目的是不断改进人民生活。

n一般而言，从一个国家的能源消耗状况可以看出一个国家人民的生活水平n根据不同的发展水平，现代化生活需要消耗的能源大致有三种：（（1 1）维持生存所必需的能源消费量）维持生存所必需的能源消费量 每人每年约每人每年约400kg400kg标准煤标准煤（（2 2）现代化生产和生活最低限度的能源消费量）现代化生产和生活最低限度的能源消费量 每人每年约每人每年约12001200~1600kg1600kg标准煤标准煤（（3 3）更高级的现代化生活所需要的能源消费量）更高级的现代化生活所需要的能源消费量 每人每年约每人每年约2000020000~30000kg30000kg标准煤工业发达国家水平工业发达国家水平】】1314能源与环境能源与环境环境污染：环境污染：n（一）温室效应与热污染（一）温室效应与热污染n（二）酸雨（二）酸雨(pH<5.6) n（三）臭氧层的破坏（三）臭氧层的破坏n（四）放射性污染（四）放射性污染n（五）其他污染（五）其他污染 二氧化碳和水蒸气等多原子气体二氧化碳和水蒸气等多原子气体 冷却水排热冷却水排热 S02 和和 NOx 氟氯烃类物质氟氯烃类物质燃料燃烧产生的燃料燃烧产生的N2O紫外线辐射紫外线辐射 核电站：核燃料核电站：核燃料 烧煤电站烧煤电站：烟囱排放物中存在：烟囱排放物中存在放射性物质放射性物质(主要是氡主要是氡-222) 大气污染物大气污染物 —烟雾事件烟雾事件 排气、烟尘和排渣排气、烟尘和排渣：微量重金属汞；镍、铬致癌物质；微量重金属汞；镍、铬致癌物质；烟尘中吸附的环芳烃是强致癌物。

烟尘中吸附的环芳烃是强致癌物15能源利用与人类社会的可持续发展能源利用与人类社会的可持续发展 n能源问题、环境污染、可持续发展能源问题、环境污染、可持续发展 n 大力开发新能源和清洁能源大力开发新能源和清洁能源n 节约能源节约能源 n“节能节能”——采用技术上可行、经济上合理以及环境采用技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以接受的措施，减少从能源生产到能源消费和社会可以接受的措施，减少从能源生产到能源消费中各个环节的损失和浪费，以便更有效、更合理地利中各个环节的损失和浪费，以便更有效、更合理地利用能源，提高能源利用率和能源利用的经济效益用能源，提高能源利用率和能源利用的经济效益n节能与煤炭、石油及天然气、水力和核能四大节能与煤炭、石油及天然气、水力和核能四大能源相提并论，称之为能源相提并论，称之为“第五能源第五能源”16n能源建设要走可持续发展的道路，必须两条腿走路：能源建设要走可持续发展的道路，必须两条腿走路：n一是合理利用能源，提高能源利用率，包括从技术上一是合理利用能源，提高能源利用率，包括从技术上改进现有的能源利用系统和设备，将可用能的损失减改进现有的能源利用系统和设备，将可用能的损失减少到最低限度，并积极开发高效、低污染的能源利用少到最低限度，并积极开发高效、低污染的能源利用系统和先进的节能设备；系统和先进的节能设备；n二是大力开发对环境无污染或污染很小的新能源，如二是大力开发对环境无污染或污染很小的新能源，如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能以太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等。

及核能等17四、能量的转换与利用四、能量的转换与利用能量的利用过程实质上是能量的传递与转换过程能量的利用过程实质上是能量的传递与转换过程风能海洋能化化学学能能核能地热能太阳能机机 械械 能能电电 能能 热热 能能风车水车水力机械发电机光光合合作作用用生物质能光光电电反反应应燃燃料料电电池池（酒精、氢））燃烧核反应传热热热 机机温差发电磁流体发电热用户热用户【【85%以上以上】】通过热能形式被利用的能源，世界各国平均超过通过热能形式被利用的能源，世界各国平均超过85％，我国％，我国90％以上电动机水力能18热能及其利用热能及其利用n在能量转换与利用过程中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊在能量转换与利用过程中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重要的作用重要的作用热能的直接利用热能的直接利用：：直接用热能加热物体直接用热能加热物体热能形式不变热能形式不变 如取暖、烘干、冶炼、蒸煮以及化工过程中分馏等如取暖、烘干、冶炼、蒸煮以及化工过程中分馏等热能的间接利用热能的间接利用：：把热能转换为机械能或电能，为生产和把热能转换为机械能或电能，为生产和生活提供动力。

生活提供动力热能形式发生了变化热能形式发生了变化 如火力发电、交通运输、石油化工、机械制造以及各种动力装置如火力发电、交通运输、石油化工、机械制造以及各种动力装置 19五、热力学的发展简史五、热力学的发展简史n远古时代钻木取火；薪柴时期，热能的直接利用简单动力机械，远古时代钻木取火；薪柴时期，热能的直接利用简单动力机械，如风车，水车等，但功率太小如风车，水车等，但功率太小n17841784年瓦特单缸汽轮机；年瓦特单缸汽轮机；“煤炭时期煤炭时期”和和“石油时期石油时期”，热能的间，热能的间接利用内燃机、燃气轮机和蒸汽轮机等，汽车、飞机和火力发电接利用内燃机、燃气轮机和蒸汽轮机等，汽车、飞机和火力发电设备等；各种制冷设备，如冰箱、冷冻机和空调等设备等；各种制冷设备，如冰箱、冷冻机和空调等 n瓦特蒸汽机的出现和第一次工业大革命，推动了热工理论的研究瓦特蒸汽机的出现和第一次工业大革命，推动了热工理论的研究 n对对“工程热力学工程热力学”创立和发展作出过突出贡献的有：法国工程师卡创立和发展作出过突出贡献的有：法国工程师卡诺、德国科学家迈耶尔、英国科学家焦耳、德国科学家克劳修斯、诺、德国科学家迈耶尔、英国科学家焦耳、德国科学家克劳修斯、英国科学家开尔文以及范德瓦尔、朗肯、喀喇提奥多利和凯南等其英国科学家开尔文以及范德瓦尔、朗肯、喀喇提奥多利和凯南等其他一些科学家。

他一些科学家 20热力学发展史上的重要事件及人物：热力学发展史上的重要事件及人物：1．．18世纪初，带动往复式水泵的原始蒸汽机出现世纪初，带动往复式水泵的原始蒸汽机出现2．．1763-1784年间，英国人瓦特改进了原始蒸汽机；研制成功了应用高于年间，英国人瓦特改进了原始蒸汽机；研制成功了应用高于大气压力的蒸汽和带有独立凝汽器的单缸蒸汽机大气压力的蒸汽和带有独立凝汽器的单缸蒸汽机3．．1824年，法国人卡诺提出了卡诺定理与卡诺循环，发现了循环热机中年，法国人卡诺提出了卡诺定理与卡诺循环，发现了循环热机中热能变为机械能的根本条件一必须有热源和冷源热能变为机械能的根本条件一必须有热源和冷源4．．1840-1851年间，迈耶、焦耳等人建立了热力学第一定律年间，迈耶、焦耳等人建立了热力学第一定律5．．1850-1851年间，克劳修斯和汤姆逊先后提出了热力学第二定律年间，克劳修斯和汤姆逊先后提出了热力学第二定律6．．1906-1912年间，能斯特建立了热力学第三定律年间，能斯特建立了热力学第三定律7．．1942年，凯南提出有效能概念年，凯南提出有效能概念 8．．19世纪末，发明汽轮机，内燃机出现；世纪末，发明汽轮机，内燃机出现；20世纪世纪40年代，出现燃气轮机，年代，出现燃气轮机，得到越来越广泛的应用。

得到越来越广泛的应用9．近年来，新能源技术不断涌现：．近年来，新能源技术不断涌现：燃料电池，温差电池，热能直接转化燃料电池，温差电池，热能直接转化为电能；为电能； 磁流体发电；增压硫化床燃烧技术等磁流体发电；增压硫化床燃烧技术等21§0-2 工程热力学的研究对象、内工程热力学的研究对象、内 容和方法容和方法 n热能间接利用所涉及的热能和机械能之间的转换热能间接利用所涉及的热能和机械能之间的转换 n热能和机械能之间的转换有什么共同的规律，依据热能和机械能之间的转换有什么共同的规律，依据怎样的基本原理，或者说从原理上讲如何才能实现怎样的基本原理，或者说从原理上讲如何才能实现热能和机械能之间的转换；热能和机械能之间的转换；n为了节能，如何提高热机的热效率，或者说，提高为了节能，如何提高热机的热效率，或者说，提高热机能量利用率的基本原理和根本途径是什么；热机能量利用率的基本原理和根本途径是什么；n对于制冷机，人们提出如何实现制冷和提高制冷循对于制冷机，人们提出如何实现制冷和提高制冷循环的制冷系数等问题环的制冷系数等问题22（（1））主要内容主要内容n工程热力学：工程热力学：工程热力学的基本概念和基本定律、工程热力学的基本概念和基本定律、常用工质的基本热力性质、基本热力过程和热力循常用工质的基本热力性质、基本热力过程和热力循环的分析计算等。

环的分析计算等23（（2）研究方法）研究方法n宏观研究方法宏观研究方法——经典热力学经典热力学（主要方法）（主要方法）n 以热力学第一定律、第二定律作为分析和推理的基础，对宏以热力学第一定律、第二定律作为分析和推理的基础，对宏观的热力过程进行研究，不涉及物质的微观结构和物质分子、观的热力过程进行研究，不涉及物质的微观结构和物质分子、原子的微观行为，因此分析推理的结果具有可靠性和普遍性原子的微观行为，因此分析推理的结果具有可靠性和普遍性n微观研究方法微观研究方法——统计热力学统计热力学n 必要时引用微观的气体分子论和统计热力学的方法、观点和理论对必要时引用微观的气体分子论和统计热力学的方法、观点和理论对一些物理现象、物质的性质等进行说明和解释一些物理现象、物质的性质等进行说明和解释n普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法n 突出实际现象的本质和主要矛盾，忽略次要因素，建立合理突出实际现象的本质和主要矛盾，忽略次要因素，建立合理简化的物理模型，集中反映客观事物的本质简化的物理模型，集中反映客观事物的本质 24§0-3 能量转换装置简介能量转换装置简介n热能动力装置：热能动力装置：————从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能得到动力的整套设备。

到动力的整套设备——蒸汽动力装置、燃气动力装置蒸汽动力装置、燃气动力装置n制冷装置或热泵：制冷装置或热泵：——消耗外部机械功或其他能量，以实现热能消耗外部机械功或其他能量，以实现热能从低温物体到高温物体的转移从低温物体到高温物体的转移——制冷装置、热泵等制冷装置、热泵等25一、蒸汽动力装置一、蒸汽动力装置（（水蒸气水蒸气））锅炉锅炉 B汽轮机汽轮机 T凝汽器凝汽器C水泵水泵P过热器过热器S26燃料燃料（热源）（热源）冷却水冷却水环境介质环境介质（冷源）（冷源）发电机发电机给给水水过热蒸汽过热蒸汽乏乏汽汽凝结水凝结水吸热吸热膨胀膨胀放热放热升压升压对外对外做功做功27二、内燃机二、内燃机 （（燃气燃气））气气 缸缸活活 塞塞28排气管排气管气缸气缸曲轴曲轴空空气气废废气气上死点上死点下死点下死点吸气吸气 压缩压缩燃烧燃烧 膨胀膨胀排气排气柴油机柴油机喷喷油油嘴嘴对外对外做功做功29四、制冷四、制冷装置（或热泵）装置（或热泵）制冷装置：以制冷为目的；制冷装置：以制冷为目的；热泵：制热为目的；热泵：制热为目的；双制式空调：既制冷又制热双制式空调：既制冷又制热3031 空空 调调（家用壁挂式）（家用壁挂式）32蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷装置装置基本特点：基本特点：1、、热源，冷源热源，冷源2、工质（制冷剂）、工质（制冷剂）3、得到容积变化功、得到容积变化功4、循环、循环 (加压、放热、加压、放热、 膨胀、吸热膨胀、吸热)3334举例：蒸汽压缩制冷举例：蒸汽压缩制冷装置装置冷源冷源热源热源吸热吸热压缩压缩放热放热膨胀膨胀降降 降降压压 温温 低温低温 液体液体（低压）（低压）低压蒸气低压蒸气（高温）（高温）高压蒸气高压蒸气（常温）（常温）高压液体高压液体 消耗消耗外部功外部功35各种能量转换装置的不同之处：各种能量转换装置的不同之处：n装置系统不同n设备结构不同n工作特性不同n热能与机械能的转换方式不同n工程热力学不深入研究各种设备的具体结构和各自特性，而是研究它们的共性问题。

36能量转换过程中的共性问题能量转换过程中的共性问题n必须要有一套设备必须要有一套设备n 热能热能 →→机械能（热机）；机械能机械能（热机）；机械能→→热能（制冷机或热泵）热能（制冷机或热泵）n必须借助工质必须借助工质-热能与机械能相互转换的媒介物质热能与机械能相互转换的媒介物质n 一般为气态物质：膨胀性好；流动性好；载能性好一般为气态物质：膨胀性好；流动性好；载能性好n必须通过工质状态的连续变化必须通过工质状态的连续变化—热力循环热力循环n 吸热、放热；压缩、膨胀等一系列状态变化吸热、放热；压缩、膨胀等一系列状态变化n热机中，热能只能部分地转化为机械能，其余热机中，热能只能部分地转化为机械能，其余部分排向大气或冷却水部分排向大气或冷却水37热源的概念热源的概念——在能量转换过程中与工质有热量交换的物体在能量转换过程中与工质有热量交换的物体 n高温热源高温热源—温度较高的物体，简称热源温度较高的物体，简称热源 例如锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等例如锅炉炉膛中火焰以及高温烟气等n低温热源低温热源—温度较低的物体，简称冷源温度较低的物体，简称冷源 例如环境大气、冷却水等例如环境大气、冷却水等——可以是恒温，也可以是变温的可以是恒温，也可以是变温的“抽象抽象-简化简化”38 热动力装置热动力装置热机高温热源吸热输出功放热低温热源 工质从高温热源吸工质从高温热源吸热，在热机中将其中一热，在热机中将其中一部分转化为机械能而对部分转化为机械能而对外做功，并把其余部分外做功，并把其余部分传给低温热源。

传给低温热源QHQLW0QH > QL39制冷装置或热泵制冷装置或热泵制冷机或热泵高温热源吸热输入功放热低温热源QHQLW040。