ShoolofJetPropulsionEngineeringThermodynamics

2011.10.19

工程熱力學

教學團隊丁水汀老師尹幸愉老師黃丹萍助教程會川助教彭于博助教張傳杰助教110414~110416,100417，111311，111312100411~100413111313，111314,其它答疑時間：周五下午4：30―5：30答疑地點：吳宏老師孫紀寧老師北航學院路校區(qū)三館緒論§0-1.什么是工程熱力學§0-2.工程熱力學的發(fā)展§0-3.課程內(nèi)容及學習方法3§0-1.什么是工程熱力學

Therme(heat)+dynamis(force)Thermodynamics希臘語熱力學：研究能量及其相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學從工程技術(shù)觀點出發(fā),研究熱能與其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及工程應用的科學工程熱力學：是什么?為什么?是什么?怎么做?系統(tǒng)引起外界變化的能力

熱量heat熱能thermalenergy?4據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)過熱能形式而被利用的能量在我國占90％以上，世界上其它國家也超過85％能源利用的形式在所有能源中，除了風能、水能和海洋潮汐能是以機械能（MechanicalEnergy）的形式直接被人們利用以外，其它各種能源都是直接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽℉eatEnergy）的形式后，才被予以利用。

熱能向機械能和電能的轉(zhuǎn)化是能源利用的主要形式能源是能夠獲得或轉(zhuǎn)換成熱能、機械能、電磁能、光能等等各種能量的資源5熱學（ThermalPhysics

）熱力學(thermodynamics)統(tǒng)計物理學(統(tǒng)計熱力學)(statisticalphysics)

(1)平衡態(tài)熱力學（經(jīng)典熱力學）(2)非平衡熱力學工程熱力學平衡態(tài)熱力學及推廣+熱能工程應用技術(shù)宏觀法(系統(tǒng)法、唯象法、)微觀法(結(jié)構(gòu)法)§0-1.什么是工程熱力學傳熱學(heattransfer)可逆不可逆一、一、宏觀方法，又稱熱力學方法或系統(tǒng)法。以歸納無數(shù)事實所得到的熱力學第一定律和熱力學第二定律為分析和推理的基礎，對開放式或封閉式的熱力系統(tǒng)，當與外界有熱量交換，或功交換時，通過描述系統(tǒng)特征的狀態(tài)性質(zhì)諸如溫度、壓力和比容的變化，對物體的宏觀現(xiàn)象和宏觀過程進行研究。二、微觀方法，又稱統(tǒng)計熱力學方法從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，應用力學的普遍規(guī)律來研究單個分子的運動，并根據(jù)概率論和統(tǒng)計平均的方法，研究大量微觀粒子運動時所表現(xiàn)出來的宏觀熱現(xiàn)象所服從的規(guī)律。.熱力學的兩種研究方法第零定律工程熱力學的基本定律及應用第一定律第二定律第三定律狀態(tài)公理熱機制冷機熱平衡的傳遞性能量守恒能量品質(zhì)，過程的方向、條件、限度絕對零度的熵特性狀態(tài)參數(shù)的獨立變量冰箱、空調(diào)、熱泵、…蒸汽機、內(nèi)燃機、燃氣輪機、…熱能轉(zhuǎn)換裝置基本定律§0-2.工程熱力學的發(fā)展§0-2-1

量測技術(shù)的發(fā)展是物理定律建立的基礎1593伽利略溫度計1724華倫海特華氏溫標1742攝爾修斯攝氏溫標荷蘭瑞典意大利1780J.Black布萊克英國熱的強度（溫度）不同于和熱的數(shù)量（熱量）不同，比熱、潛熱概念。我國用紅、橙、黃、白、青判別煉銅火溫春秋晚期9§0-2-2

第一定律在與永動機、熱質(zhì)說較量中產(chǎn)生彭塞利1829法國法國1792-1843科里奧利術(shù)語“功”動能表達式1799戴維H.Davy英國宣布不再審查永動機設計1775法國科學院兩塊冰摩擦實驗宣告熱質(zhì)說失敗德國邁爾守恒思想、理論熱功當量1842焦耳《論熱功當量》、實測熱功當量1849英國10§0-2-3

第二定律發(fā)現(xiàn)更深刻揭示了熱的本質(zhì)基南美國1848開爾文英國開爾文說法德國卡諾1824法國卡諾定理1850克勞修斯克勞修斯說法、熵1877玻爾滋曼熵與熱力學概率關系意大利1941可用能—11§0-2-4

第三定律給出最低絕對溫度特性和熵零點1912能斯特1906絕對零度熵等1927普郎克完美晶體熵零能斯特絕對零度達不到12§0-2-5

第零定律與狀態(tài)公理的建立福勒1931第零定律完備了溫度的定義1662-1834波義耳、馬略特、蓋.呂薩克、克拉貝隆理想氣體方程的建立簡單可壓縮物質(zhì)的狀態(tài)公理1875吉布斯吉布斯相律:多元復相的狀態(tài)公理13§0-2-6

熱機的發(fā)展1690法國丹尼斯·巴本世界上第一臺活塞式蒸汽機（模型機）高壓鍋(1681年）鍋爐（吸熱部件）、冷凝器（放熱部件）、汽缸(膨脹作功部件)、泵(壓縮部件)四件合并水（工質(zhì)）14§0-2-6

熱機的發(fā)展1696英國馬斯.薩費里“礦工之友”蒸汽水泵吸熱部件與放熱、膨脹作功、壓縮部件分離水泵與蒸汽機合并15§0-2-6

熱機的發(fā)展1712英國托馬斯.紐可門大氣壓力活塞式蒸汽機吸熱部件、壓縮部件分離水泵與蒸汽機分離放熱與作功部件合并>熱量損失大16§0-2-6

熱機的發(fā)展1763-1784英國瓦特第一臺具有現(xiàn)代意義的雙向活塞式蒸汽機冷凝器吸熱、放熱、作功、壓縮部件全分離汽缸活塞式蒸汽機傳動機構(gòu)復雜，隨轉(zhuǎn)速的提高，其不平衡慣性力會產(chǎn)生振動17從汽轉(zhuǎn)球到蒸汽輪機公元一世紀古希臘赫隆世界上第一臺蒸汽輪機（汽轉(zhuǎn)球）小渦輪蒸汽輪機18熱機——外燃機——蒸汽輪機19采用蒸汽動力的火力發(fā)電廠冷凝器汽輪機鍋爐水泵鍋爐汽輪機發(fā)電機給水泵凝汽器1234過熱器4321Ts1

2汽輪機s膨脹3

4給水泵s壓縮蒸汽動力循環(huán)2

3凝汽器T放熱4

1

鍋爐p吸熱21火電廠主要設備示意蒸汽機體積大，啟動慢，熱效率低1876德國奧托點燃式內(nèi)燃機（煤氣）內(nèi)燃機(煤氣機、汽油機、柴油機)的燃燒在工質(zhì)內(nèi)部內(nèi)燃機（活塞式）231.1.2基本術(shù)語1.上止點：活塞離曲軸回轉(zhuǎn)中心最遠處，通常指活塞上行到最高位置。2.下止點：活塞離曲軸回轉(zhuǎn)中心最近處，通常指活塞下行到最低位置。3.活塞行程(S)：上、下兩止點間的距離(mm)。4.曲柄半徑(R)：與連桿下端(即連桿大頭)相連的曲柄銷中心到曲軸回轉(zhuǎn)中心的距離(mm)。曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，活塞移動兩個行程。5.氣缸工作容積(Ⅴh)：活塞從上止點到下止點所讓出的空間容積(L)。Ⅴh=πD2S/(4×106)(L)式中：D——氣缸直徑(mm)。6.發(fā)動機排量(ⅤL)：發(fā)動機所有氣缸工作容積之和(L)。設發(fā)動機的氣缸數(shù)為i，則ⅤL=Ⅴhi(L)7.燃燒室容積(ⅤC)：活塞在上止點時，活塞上方的空間叫燃燒室，它的容積叫燃燒室容積(L)。8.氣缸總?cè)莘e(Ⅴa)：活塞在下止點時，活塞上方的容積稱為氣缸總?cè)莘e(L)。它等于氣缸工作容積與燃燒室容積之和，即Ⅴa=Ⅴh+ⅤC吸氣四沖程汽油機燃燒及膨脹壓縮排氣吸熱與作功放熱25點燃式內(nèi)燃機的爆燃壓縮比過大產(chǎn)生爆燃正常燃燒壓縮比=總?cè)莘e/燃燒室容積汽油標號是實際汽油抗爆性與標準汽油的抗爆性的比值。標號越高，抗爆性能就越強。標準汽油是由異辛烷和正庚烷組成。異辛烷的抗爆性好，其辛烷值定為100；正庚烷的抗爆性差，在汽油機上容易發(fā)生爆震，其辛烷值定為0。如果汽油的標號為90，則表示該標號的汽油與含異辛烷90%、正庚烷10%的標準汽油具有相同的抗爆性。并不是標號越高越好，要根據(jù)發(fā)動機壓縮比合理選擇汽油標號。27§0-2-6

熱機的發(fā)展1897德國狄塞爾壓燃式內(nèi)燃機（柴油）28從走馬燈到燃氣輪機公元十二世紀南宋中國走馬燈進氣道壓氣機燃燒室渦輪尾噴管風扇外涵道內(nèi)涵道§0-2-6

熱機的發(fā)展1872美國布雷頓燃汽輪機（地面）航空發(fā)動機二戰(zhàn)前活塞式發(fā)動機二戰(zhàn)后燃汽輪機渦噴式渦扇式30燃氣輪機裝置示意圖利用高溫燃氣直接推動燃氣渦輪（透平）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的動力機械。壓氣機(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃氣輪機(gasturbine)噴氣發(fā)動機冷凝器（大氣）制冷機

(冰箱)從熱機發(fā)展到制冷機33制冷循環(huán)Ts12344123蒸發(fā)器冷凝器壓縮機節(jié)流閥冷藏室環(huán)境34工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義：實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。不同性質(zhì)的工質(zhì)對能量轉(zhuǎn)換的效果有直接影響，工質(zhì)性質(zhì)的研究是本學科的重要內(nèi)容之一。原則上氣、液、固三態(tài)物質(zhì)都可作為工質(zhì)，但熱力學中熱能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換是通過物質(zhì)的體積變化來實現(xiàn)的，為使能量有效而迅速的轉(zhuǎn)換，常選氣態(tài)物質(zhì)作為工質(zhì)。

35熱能轉(zhuǎn)換的特點及研究問題工質(zhì)連續(xù)周期性（循環(huán)）改變狀態(tài)，經(jīng)歷升壓、膨脹以及向熱源吸（放）熱等過程，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換.能量、熱量（能）、熱源、狀態(tài)及狀態(tài)量、過程及過程量、循環(huán)、功。。。的確切含義？熱機可否只吸熱不放熱？制冷機可否不耗能，實現(xiàn)熱量低溫到高溫的傳遞？如何提高熱能裝置的效率？。。。工質(zhì)的性質(zhì)對轉(zhuǎn)換的影響？36§0-3.課程內(nèi)容及學習方法緒論基本概念及定義第一章熱力學第一定律第二章2-1to2-7氣體和蒸汽的性質(zhì)第三章3-1to3-7氣體和蒸汽的基本熱力過程第四章4-1to4-7第五章熱力學第二定律37§0-3.課程內(nèi)容及學習方法第六章氣體動力循環(huán)第九章6-1to6-4第十章10-1to10-5實際氣體的性質(zhì)蒸汽動力裝置循環(huán)第十二章理想氣體混合物及濕空氣38建議的學習方法——參考文獻法從課堂接受問題通過參考文獻弄清問題消化歸納總結(jié)問題要點是自主學習！課程是學懂的，不是聽懂的!以問題為中心3940寫在最后