【正文】 中國礦業(yè)大學動力工程系 工程熱力學與傳熱學 中國礦業(yè)大學動力工程系 緒 論 教學目標 : 使學生全面了解本課程的基本內(nèi)容，學科前沿研究現(xiàn)狀，本課程的學習方法。 知識點： 介紹熱力學的發(fā)展簡史、教學目的，基本內(nèi)容，學習本課程應(yīng)注意的問題。 難點： 使同學們認識到學習本課程的重要性，激發(fā)學生的學習興趣和學習積極性，掌握專業(yè)基礎(chǔ)課的學習方法。 中國礦業(yè)大學動力工程系 一、熱能及其利用 能 源 — 指提供各種能量的物質(zhì)源。 一次能源 — 自然界以自然形態(tài)存在的、可資利 用的能源。 如：風能、水利能、太陽能、 地熱能、核能、化學能等。 二次能源 — 由一次能源加工轉(zhuǎn)換后的能源。 如：熱能、機械能、電能。 能源及其利用 中國礦業(yè)大學動力工程系 熱能的利用 １ .熱 利 用 — 將熱能直接用于加熱物體，以滿足 烘干、采暖、熔煉等需要。 ２ .動力利用 — 通過各種熱能動力裝置將熱能轉(zhuǎn)換 成機械能或者轉(zhuǎn)換成電能加以利用， 為人類的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及 交通運輸提供動力。 能源的利用 中國礦業(yè)大學動力工程系 中國礦業(yè)大學動力工程系 熱 機 太 陽 能 電 能 光電反應(yīng) 熱 用 戶 風車 燃料電池 傳熱 傳熱 能量的轉(zhuǎn)換和傳遞過程 水力機械 水車 燃 燒 聚 變 裂變 磁流體發(fā)電 溫差發(fā)電 電動機 發(fā)電機 核 能 地 熱 能 水 力 能 熱 能 機 械 能 風 能 一次能源 二 次 能 源 能量的轉(zhuǎn)換和傳遞過程 化 學 能 中國礦業(yè)大學動力工程系 二、熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程 熱能 機械能 ( 轉(zhuǎn)換裝置 ) 熱 機 熱能轉(zhuǎn)換裝置的工作過程 中國礦業(yè)大學動力工程系 蒸 汽 機 示 意 圖 汽缸 活塞 曲柄連桿 鍋爐 冷凝器 曲軸箱 蒸汽機示意圖 泵 中國礦業(yè)大學動力工程系 蒸汽動力循環(huán)裝置系統(tǒng)簡圖 蒸汽動力循環(huán)裝置系統(tǒng)簡圖 中國礦業(yè)大學動力工程系 原子能蒸汽動力裝置系統(tǒng)簡圖 反應(yīng)堆(濃縮鈾) 換熱器 泵 冷凝器 發(fā)電機 汽輪機 泵 載熱質(zhì) (重水、堿性金屬蒸汽 ) 冷卻水 原子能蒸汽動力裝置系統(tǒng)簡圖 中國礦業(yè)大學動力工程系 廢氣 燃燒室 燃氣輪機 空氣 壓氣機 燃料泵 燃料 燃 氣 輪 機 裝 置 系統(tǒng) 簡 圖 燃氣輪機裝置系統(tǒng)簡圖 中國礦業(yè)大學動力工程系 內(nèi)燃機的工作原理圖 活塞 曲柄連桿機構(gòu) 氣缸 內(nèi)燃機的工作原理圖 中國礦業(yè)大學動力工程系 壓縮制冷裝置系統(tǒng)簡圖 中國礦業(yè)大學動力工程系 地源熱泵 中國礦業(yè)大學動力工程系 各種熱工裝置的熱力學共性內(nèi)容歸納 內(nèi)燃機裝置 燃氣輪機裝置 蒸汽動力裝置 裝置名稱 工作物質(zhì) 熱 源 冷 源 功 水蒸汽 高 溫 物 體 冷卻水 對外輸出功 燃 氣 燃燒產(chǎn)物 (自身 ) 大 氣 對外輸出功 燃 氣 燃燒產(chǎn)物 (自身 ) 大 氣 對外輸出功 壓縮制冷裝置 制冷劑 被冷卻物體 大 氣 消 耗 功 各種熱工 裝置 熱力學共性內(nèi)容歸納 中國礦業(yè)大學動力工程系 三、熱力學的發(fā)展 熱力學是研究能量、能量轉(zhuǎn)換以及與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的物性間相互關(guān)系的科學。 從十八世紀末到十九世紀初開始，隨著蒸汽機在生產(chǎn)中的廣泛使用，如何充分利用熱能來推動機器做功成為重要的研究課題。 中國礦業(yè)大學動力工程系 ?1798 年 ， 英 國 物 理 學 家 和 政 治 家 Benjamin Thompson (17531814) 通過炮膛鉆孔實驗開始對功轉(zhuǎn)換為熱進行定量研究 。 ?1799年 ， 英國化學家 Humphry Davy (17781829)通過冰的摩擦實驗研究功轉(zhuǎn)換為熱 。 ?1824 年 ， 法 國 陸 軍 工 程 師 Nicholas L233。onard Sadi Carnot 發(fā)表了 “ 關(guān)于火的動力研究 ” 的論文 。 中國礦業(yè)大學動力工程系 他通過對自己構(gòu)想的理想熱機的分析得出結(jié)論： 熱機必須在兩個熱源之間工作 ， 理想熱機的效率只取決與兩個熱源的溫度 ， 工作在兩個一定熱源之間的所有熱機 ， 其效率都超不過可逆熱機 ， 熱機在理想狀態(tài)下也不可能達到百分之百 。 這就是卡諾定理 。 Carnot (1796 1832) 中國礦業(yè)大學動力工程系 卡諾的論文發(fā)表后，沒有馬上引起人們的注意。過了十年，法國工程師Ben244。lt Paul Emile Clapeyron (1799 1864)把卡諾循環(huán)以解析圖的形式表示出來，并用卡諾原理研究了汽液平衡，導出了克拉佩隆方程。 中國礦業(yè)大學動力工程系 1842 年 ， 德國醫(yī)生 Julius Robert Mayer (1814 1878) 主要受病人血液顏色在熱帶和歐洲的差異及海水溫度與暴風雨的啟發(fā) ， 提出了熱與機械運動之間相互轉(zhuǎn)化的思想 。 Mayer (1814 1878) 中國礦業(yè)大學動力工程系 1847年， 德國物理學家和生物學家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 1894) 發(fā)表了 “ 論力的守衡” 一文，全面論證了能量守衡和轉(zhuǎn)化定律。 Helmholtz (1821 1894) 中國礦業(yè)大學動力工程系 18431848年， 英國釀酒商 James Prescott Joule (1818 1889) 以確鑿無疑的定量實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，論述了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。焦耳的熱功當量實驗是 熱力學第一定律 的實驗基礎(chǔ)。 Joule (1818 1889) 中國礦業(yè)大學動力工程系 根據(jù) 熱力學第一定律 :熱功可以按當量轉(zhuǎn)化 ， 而根據(jù)卡諾原理熱卻不能全部變?yōu)楣?， 當時不少人認為二者之間存在著根本性的矛盾 。1850年 ， 德國物理學家 Rudolf J. Clausius (1822 1888) 進一步研究了熱力學第一定律和克拉佩隆轉(zhuǎn)述的卡諾原理 ， 發(fā)現(xiàn)二者并不矛盾 。他指出 ， 熱不可能獨自地 、 不付任何代價地從冷物體轉(zhuǎn)向熱物體 ， 并將這個結(jié)論稱為 熱力學第二定律 ?？藙隈闼乖?1854年給出了熱力學第二定律的數(shù)學表達式 ， 1865年提出 “ 熵 ” 的概念 。 Clausius (1822 1888) 中國礦業(yè)大學動力工程系 1851年，英國物理學家 Lord Kelvin (1824l907)指出，不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。 這是 熱力學第二定律 的另一種說法。 1853年，他把能量轉(zhuǎn)化與物系的內(nèi)能聯(lián)系起來，給出了 熱力學第一定律 的數(shù)學表達式。 中國礦業(yè)大學動力工程系 1875年 ， 美國耶魯大學數(shù)學物理學教授 Josiah Willard Gibbs發(fā)表了 “ 論多相物質(zhì)之平衡 ” 的論文 。他在熵函數(shù)的基礎(chǔ)上 ， 引出了平衡的判據(jù)；提出熱力學勢的重要概念 ， 用以處理多組分的多相平衡問題；導出相律 ， 得到一般條件下多相平衡的規(guī)律 。 吉布斯的工作 ，把熱力學和化學在理論上緊密結(jié)合起來 ， 奠定了化學熱力學的重要基礎(chǔ) 。 Gibbs (1839 1903) 中國礦業(yè)大學動力工程系 熱力學基本定律 反映了自然界的客觀規(guī)律 ,以這些定律為基礎(chǔ)進行演繹 、 邏輯推理而得到的熱力學關(guān)系與結(jié)論 ,顯然具有高度的普遍性 、可靠性與實用性 ,可以應(yīng)用于機械工程 、 化學 、化工等各個領(lǐng)域 ,由此形成了 化學熱力學 、 工程熱力學 、 化工熱力學 等重要的分支 。 化學熱力學 主要討論熱化學 、 相平衡和化學平衡理論 。工程熱力學 主要研究熱能動力裝置中工作介質(zhì)的基本熱力學性質(zhì) 、 各種裝置的工作過程以及提高能量轉(zhuǎn)化效率的途徑 。 化工熱力學 是以化學熱力學和工程熱力學為基礎(chǔ) ， 結(jié)合化工實際過程逐步形成的學科 。 中國礦業(yè)大學動力工程系 四、值得研究的問題 為了獲得一定數(shù)量的機械能是否必須投入熱量？ 反之，為了使熱量從低溫物體傳給高溫物體，是否 一定要以消耗功或熱作為代價？ 為什么在各種動力裝置中既要吸熱又要放熱？這是 不是熱工轉(zhuǎn)換的必要條件？ 不同的工質(zhì)對熱工轉(zhuǎn)換的程度是否有影響？ 影響能量轉(zhuǎn)換的因素有哪些？如何提高