1、熱工基礎(chǔ)電子教案 緒論熱能及其利用 能源為人類提供能量和動力的物質(zhì)資源。常見能源有：化石能、水力能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、核能等絕大多數(shù)能源都是以熱能的形式為人類服務，但我們需要的卻主要是動力。人類利用熱能目前主要有兩種形式：(1) 熱能的直接利用能的形式不發(fā)生變化；如：取暖、烘烤、冶煉、蒸煮等。(2) 熱能的間接利用能的形式發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、電能等；如：熱力發(fā)電廠、內(nèi)燃機等，主要用于交通運輸、機械制造等。熱能利用的歷史就是一部人類的發(fā)展史： 遠古時代鉆木取火（烤食、取暖）原始社會時期古代冶煉、制造金屬工具（直接利用）封建社會時期近代（1784年）發(fā)明蒸汽機（間接利用）工業(yè)革命資

2、本社會時期熱能利用的歷史就是一部人類的發(fā)展史： 現(xiàn)代建立完善的熱工理論（間接利用）（產(chǎn)生了飛機、火車、汽車、制冷）信息社會 當今 熱傳遞問題（傳熱學） 如何提高效率 間接利用（工程熱力學）熱力學發(fā)展的歷史人力提水機的原理一個1780年的馬力提水機最早的蒸汽提水機妞科倫提水機瓦特發(fā)明蒸汽機之前的蒸汽抽水機1786年的蒸汽機瓦特發(fā)明的蒸汽調(diào)節(jié)閥能量與能量守恒的發(fā)現(xiàn)18世紀，意大利外科醫(yī)生高瓦尼(Luigi Galvani, 1737-1798)發(fā)現(xiàn)，帶電金屬塊可使死青蛙的腿抽動電創(chuàng)造了生命？物理學家伏達(Alessandro Volta, 1745-1827)認識到這不過是由于電流的通過引起的，1

3、800年發(fā)明了“伏達電極”，世界上第一個“化學電池”：電流從化學反應中產(chǎn)生。能量與能量守恒的發(fā)現(xiàn)19世紀30年代，法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)發(fā)現(xiàn)了化學生電的逆效應，即電流可以驅(qū)動化學反應，電流也可以產(chǎn)生光和熱；能量與能量守恒的發(fā)現(xiàn)1819年丹麥物理學家奧斯特(Hans Christian rsted, 1777-1851)發(fā)現(xiàn)電流還可以產(chǎn)生磁場 ；1822年，德國科學家塞貝克(Thomas Seebeck, 1770-1831)發(fā)現(xiàn)了“熱電效應”，由熱效應可產(chǎn)生電流 ；熱力學第一定律 能量與能量守恒的發(fā)現(xiàn)1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)變化的磁場可以產(chǎn)生電流 ；所有這

4、些發(fā)現(xiàn)將熱、電、磁、化學反應交織在一起，也使人們認識到在這些變化中有一種不可消滅的“能量”在傳遞。能量與能量守恒的發(fā)現(xiàn)1787年，拉瓦錫(A.L. Lavoisier)提出熱質(zhì)(Caloric)一詞，后來進一步發(fā)展為熱質(zhì)說。焦耳(James Prescott Joule, 1818-1889),生于曼徹斯特市郊釀酒廠老板家庭，沒有受過正規(guī)教育；他20歲研制磁電機，試圖代替父母釀酒廠中的蒸氣機但沒有成功，但發(fā)現(xiàn)了電流可以作機械功，也產(chǎn)生熱。熱力學第一定律 能量與能量守恒的發(fā)現(xiàn)1840年，焦耳開始研究電流熱效應，1844年要求在英國皇家學會宣讀論文但遭拒，1847年在牛津的科學技術(shù)促進協(xié)會上介紹了

5、實驗結(jié)果，1849年6月21日作了一個熱功當量的總結(jié)報告。1850年，實驗結(jié)果已使科學界公認能量守恒。2.熱工基礎(chǔ)與車輛工程的關(guān)系 空調(diào)制冷、制冷工質(zhì)、循環(huán)；汽車的動力熱能與動力的轉(zhuǎn)化（包括：效率、原理）；散熱器、管道傳熱空調(diào)管道、熱水管道；車內(nèi)的舒適性空氣溫度、濕度、降溫與去濕、結(jié)露及濕空氣過程第一章：熱能轉(zhuǎn)變的基本概念1.熱力系、狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)1.1. 熱力系與工質(zhì) 熱力系人為地選取一定范圍的物質(zhì)作為研究對象，這個對象稱為熱力系統(tǒng)（system）。 外界熱力系以外的物質(zhì)（也稱為環(huán)境）。 邊界熱力系與外界的交界面（界面）。邊界可以是假設(shè)的，也可以是真實的；可以是固定的，也可以是運動的。真實的

6、固定的移動的12移動的12假設(shè)的固定的假設(shè)的假定的變化的系統(tǒng)的性質(zhì)與特點 閉口系與外界沒有物質(zhì)交換的熱力系（但可以有能量交換，如加熱）。 開口系與外界有物質(zhì)或能量交換的熱力系 絕熱系熱力系與外界無熱量交換（但有其它能量交換，如功） 孤立系熱力系與外界無任何能量和物質(zhì)交換. 簡單可壓縮系由可壓縮的流體構(gòu)成，與外界只有容積變化功交換.熱源與工質(zhì) 熱源（冷源）能為熱力系提供無限熱能（冷量），而自身溫度不會發(fā)生變化.（高溫熱源、低溫熱源）其熱容量無限大。(10) 工質(zhì)用來實現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)為工質(zhì)。1.2. 熱力系的狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) 熱力系的狀態(tài)熱力系在某一瞬間呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。平衡狀態(tài)在沒有外

7、界影響條件下，系統(tǒng)各部分長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化的狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)用于描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量。比如壓力、溫度、比容等。1.3.基本狀態(tài)參數(shù) 常用的狀態(tài)參數(shù)：壓力p，比容v ，溫度，熱力學能(內(nèi)能)U ，焓，熵?；镜臒崃W參數(shù):比容v ，壓力p，溫度.（）比容 比容是單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積。若m(kg)物質(zhì)占有的容積為(m3)，則比容為：密度是單位容積內(nèi)所含物質(zhì)的量。 （）壓力p（a） 壓力是指單位面積上所承受的垂直作用力。 (N/m2)常用單位有： kPa; MPa; mmHg; atm; 托氣體的壓力是組成氣體的大量分子對容器壁碰撞的統(tǒng)計平均的效果。氣體的壓力是組成氣體的大量分子對容器壁

8、碰撞的統(tǒng)計平均的效果。通常用壓力表或真空表測量流體壓力絕對壓力（p）物質(zhì)的真實壓力。大氣壓力（pb）大氣環(huán)境的真實壓力。表壓力（pg）壓力表上讀到的壓力。真空度（pv）真空計上的讀數(shù)。表壓力與真空度均是環(huán)境壓力與絕對壓力的差，所以當ppb時，ppgpb 當ppb時，ppbpv常用的壓力計:彈簧壓力計及形管壓力計（測壓差） 比如右圖的形管壓力計，對線上有：ppb+gH為高度差（單位m）；p為被測壓力；pb為環(huán)境壓力；為液柱中液體的密度；g為重力加速度。 pbA AHp（）溫度及溫標的建立溫度是物體冷熱程度的標志溫度概念的建立以熱力學第零定律為依據(jù)。第零定律：與處于熱平衡；與處于熱平衡，則與必然處

9、于熱平衡。 溫度是決定系統(tǒng)間是否處于熱平衡的物理量。 溫度的意義溫度的熱力學定義：決定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的宏觀性質(zhì)。處于熱平衡的各系統(tǒng)溫度相同。 溫度的熱力學定義提供了溫度測量的依據(jù)，即被測物體與溫度計處于熱平衡時，就可以從溫度計的讀數(shù)確定被測物體的溫度值。溫度測量和溫度計 溫度計測溫原理：當一個物體的溫度改變時，物體的其它性質(zhì)也將隨之發(fā)生變化，可根據(jù)這些變化性質(zhì)中的某些參數(shù)測量物體的溫度，指明溫度的數(shù)值。 溫度與熱力學第零定律 溫度計測溫屬性氣體溫度計壓力或體積液體溫度計體積電阻溫度計電阻熱電偶熱電動勢磁溫度計磁化率光學溫度計輻射強度溫 標 為了給溫度的測量賦予一定數(shù)值，必須科

10、學地建立起一套規(guī)則，把不同的溫度指定不同的數(shù)值,這就是所謂的溫標。 華氏溫標 ：鹽水混合物的冰點溫度為零度，人體溫度為96度，則冰點與蒸氣點分別為32度和212度，按照水銀溫度計的長度等分；攝氏溫標：將1個標準大氣壓下水的冰點和蒸氣點之間的溫度等分為100度，并以冰點作為零點。 溫度與熱力學第零定律 經(jīng)驗溫標的問題：什么叫做均分？使用不同的物質(zhì)作為測溫的工質(zhì)得到不同的結(jié)果；熱力學溫標：從熱力學第二定律出發(fā)得到的絕對溫標，與任何工質(zhì)無關(guān)，是一種理論溫標；溫度與熱力學第零定律 熱力學溫標熱力學溫標與其它溫標溫度與熱力學第零定律 熱力學溫標只需要定義一個溫度的量值，其它溫度值就全部確定了。1854年

11、，開爾文提議將水的三相點溫度定義為273.16 K，1954年第十屆國際計量大會正式采納。KCF水三相點273.160.0132.02冰點273.150.0032.00水沸點373.124399.9743211.95絕對零度0-273.15-459.67利用某些氣體在低壓下,壓力或容積隨溫度的變化是確定溫標的最佳選擇；理想氣體溫標其定義與熱力學溫標一致，是其一級近似，不過是一種經(jīng)驗溫標；定容式溫度計的測量原理：溫度與熱力學第零定律 理想氣體溫標理想氣體溫標應用溫度與熱力學第零定律 Tptr氣體A氣體B氣體C溫度與熱力學第零定律 地點或狀態(tài)溫度激光管內(nèi)發(fā)射激光的氣體0 K宇宙大爆炸后的10-43

12、 s1032 K氫彈爆炸中心108 K實驗室已獲得的最高溫度6107 K太陽中心1.5107 K地球中心4000 K乙炔焰2900 K月球向陽面400 K(127 C)地球最高氣溫（利比亞）331 K(58 C)地球上的最低氣溫（南極）185 K(-88C)月球背陰面90 K(-183 C)He的正常沸點4.2 K星際空間2.7 K核自旋冷卻法激光冷卻法(朱棣文)210-10 K2.410-11 K我們身邊的溫度衡量溫度的標尺叫溫標：國際單位所確定的溫標叫熱力學溫度，T （K）常用溫標是攝氏溫標，t ()熱力學溫標取水的三相點為基點，定為273.16 K攝氏溫標取純水在一個標準大氣壓下的冰點為

13、0 ，與水的三相點差0.01度。所以 T = 273.15+ t (K) 1.4.狀態(tài)方程兩個相互獨立的狀態(tài)參數(shù)可以確定系統(tǒng)平衡態(tài)。三個基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，稱為狀態(tài)方程。常見的狀態(tài)方程有：理想氣體方程：范德瓦爾斯方程：平衡狀態(tài)下，可用二維平面坐標圖描述系統(tǒng)狀態(tài)： 1(T1,s1)TT1s1s1(p1,v1)pp1v1v參數(shù)坐標系中用一個點來代表系統(tǒng)確定的狀態(tài)-狀態(tài)參數(shù)圖熱力過程、功和熱量2.1.熱力過程 要實現(xiàn)熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)化，必須通過工質(zhì)的狀態(tài)變化才能實現(xiàn)：工質(zhì)狀態(tài)變化熱力系只能對平衡態(tài)進行描述熱能熱能熱能機械能功動能 如何調(diào)和狀態(tài)變化與平衡態(tài)之間的矛盾？由此引進準平衡態(tài)的概念！

14、準靜態(tài)就是無限接近于平衡態(tài)的狀態(tài)。 考查一個漸變的過程：狀態(tài)1狀態(tài)2一系列中間狀態(tài)1vp2可逆過程如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原路經(jīng)逆向返回，能使系統(tǒng)和外界都恢復原來狀態(tài)而不留下任何變化的過程。 （要包括系統(tǒng)及外界都不發(fā)生任何變化） 特征：（）可逆過程必然是準平衡過程。（）可逆過程不應有摩擦、電阻、磁阻等耗散效應存在?？赡孢^程是理想過程（充要條件）：只有準平衡且無任何耗散效應的過程才是可逆過程。實際過程都是不可逆的。 2.2. 功和熱量功在力的作用下，通過宏觀有序運動而傳遞的能量 Fdx 在傳遞中才有意義，一旦越過邊界，就成為外界的能量。 是過程量，與初終態(tài)有關(guān)，還與過程有關(guān)。 系統(tǒng)對外做功為正，外界對系統(tǒng)做功為負。功的單位：（焦耳） 功率單位 （瓦特） 熱力系是通過容積變化來實現(xiàn)功的傳遞的，稱容積變化功. 在準靜態(tài)可逆過程時，對外做功由系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)決定的，不用考慮外界因素。 dxppb A在p圖上表示：線下的面積即為膨脹功，所以p圖叫示功圖。 pV12p（）熱量是在溫差作用下，通過微觀粒子無序運動傳遞的能量。 熱量是過程量。 系統(tǒng)吸熱取正號，放熱取負號。 熱量為：熱容與其變化溫差的乘積。2.3. 熱力循環(huán)系統(tǒng)由某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)，最后又回到初態(tài)的過程稱為熱力循環(huán)。（封閉過程） 特征： （）它