嚴(yán)家騄版工程熱力學(xué)緒論

1、2024/3/19,1,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,工程熱力學(xué)Engineering Thermodynamics,楊曉軍（Patrick Young）北教3－210Xjyang@cauc.edu.cn24092415-606,College of Aeronautical EngineeringCivil Aviation University of China,2024/3/19,2,中國民航大學(xué)航空

2、工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,課程介紹,總學(xué)時(shí)72，課堂講授62＋實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)10學(xué)分 4,平時(shí)15％＋實(shí)驗(yàn)15％＋考試70％星期一交作業(yè)前續(xù)課程：大學(xué)物理，高等數(shù)學(xué)后續(xù)課程：航空發(fā)動機(jī)原理；氣體動力學(xué)Textbook：1、《工程熱力學(xué)》嚴(yán)家錄等編；高教出版社 2、《傳熱學(xué)-理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用》曹紅奮編；人民交通出版社Online learning: http://nht.xjtu.

3、edu.cn/rlx/para/intro.htm,2024/3/19,3,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,Preface,Thermodynamics can be defined as the science of energy,heat,Therme,dynamis,power,(Greek words),,,熱能,Thermal Energy,2024/3/19,4,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教

4、研室,緒 論,工程熱力學(xué) 是一門研究熱能有效利用及 熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué),2024/3/19,5,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)系,熱 能,電 能,機(jī) 械 能,,,風(fēng)能,水能,化學(xué)能,核能,地?zé)崮?太陽能,,,,,,,一次能源(天然存在),二次能源,光電轉(zhuǎn)換,燃料電池,光熱,聚變,裂變,燃燒,

5、水車,水輪機(jī),風(fēng)車,熱機(jī),電動機(jī),發(fā)電機(jī),90%,轉(zhuǎn)換,,直接利用,供暖,2024/3/19,6,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,工程熱力學(xué)與節(jié)能,工程熱力學(xué) 是一門研究熱能有效利用及 熱能和其它形式能量轉(zhuǎn)換規(guī)律 的科學(xué),2024/3/19,7,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,能源energy sources的資源,2000.12.30《世界能源報(bào)道

6、》,我國探明可開采儲量32.74億噸 可開采15~20年,石油 Petroleum,世界40-50年,2024/3/19,8,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,能源的資源,2000.12.30《世界能源報(bào)道》,我國探明可開采儲量11704億m3 可開采28~58年,? 天然氣 Natural Gas,世界60年,2024/3/19,9,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,能源的資

7、源,2000.12.30《世界能源報(bào)道》,我國探明可開采儲量1145億噸 可開采54~81年,? 煤炭 Coal,世界220年,2024/3/19,10,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,能源消費(fèi)水平,? 日、德、俄等 5 ~6噸標(biāo)煤/ 人?年,? 美國11噸標(biāo)煤/ 人?年,我國規(guī)劃：2030 ~2050 年 ? 2.5 ~3噸標(biāo)煤/ 人?年,? 我國 1噸標(biāo)煤/ 人?年,2024/3/19,1

8、1,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,發(fā)電為例,我國電力 2 億 5 千萬千瓦,? 中等發(fā)達(dá)國家 1 kW/人,? 發(fā)達(dá)國家 6 kW/ 人,2050 年 ? 1 kW/人 ? 15 億千瓦,? 我國 0.2 kW/ 人,2024/3/19,12,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,電的來源,? 煤： 9 億 kW,2050 年 ? 1 kW/人 ? 15 億千瓦,? 水能： 3 億 7

9、千 6 百 kW,? 核能： 2 億 kW,? 風(fēng)能、太陽能： 1 億 kW,2024/3/19,13,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,Energy and Environment,SO2、 粉塵、 CO2 （酸雨） （溫室效應(yīng)）,acid rain,Greenhouse effect,燃煤：,車輛：,NOx、 HC 、 CO,O3,,,霧Smog,

10、SUN,,缺氧,2024/3/19,14,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,全球溫室氣體排放及運(yùn)輸業(yè)溫室氣體排放比例,民航溫室氣體排放占2%；IPCC預(yù)計(jì)到2050年會占到3%,2024/3/19,15,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,中國平均供電耗煤量的變化,g / kW. h,2024/3/19,16,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,中國與日本工業(yè)能耗比較,2024/3/19,17

11、,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,節(jié) 能 Energy Saving,,節(jié)能是近年來的基本國策“開發(fā)和節(jié)約并重”節(jié)能任重道遠(yuǎn)是我們的責(zé)任,2024/3/19,18,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力學(xué)的分類,,工程熱力學(xué)：熱能與機(jī)械能物理熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)生物熱力學(xué)溶液熱力學(xué),熱力學(xué),,2024/3/19,19,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱 機(jī) 種 類,,? 發(fā)

12、電（火力、核能） 40%? 車輛發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)） 25~35%? 輪船發(fā)動機(jī) 25~35%? 航空發(fā)動機(jī) 20~30%? 制冷空調(diào)(非熱機(jī)，同理） >200%,,能量利用率,heat engine,Energy efficiency,2024/3/19,20,中國民航大學(xué)航空工程

13、學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,火力發(fā)電裝置基本特點(diǎn),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐,汽輪機(jī),,,,發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,,過熱器,1、熱源，冷源2、工質(zhì)（水，蒸 汽）3、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、膨脹做功、放熱),2024/3/19,21,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,燃?xì)庋b置基本特點(diǎn),1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?

14、 3、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、膨脹做功、放熱),,,,,,,,,,壓氣機(jī),燃?xì)廨啓C(jī),燃燒室,,空氣,廢氣,2024/3/19,22,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,內(nèi)燃機(jī)裝置,,,,,,,,,,,空氣、油,廢氣,吸氣,壓縮點(diǎn)火,膨脹,排氣,internal combustion engine,2024/3/19,23,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,,,內(nèi)燃機(jī)裝置基本特點(diǎn),,

15、1、熱源，冷源2、工質(zhì)（燃?xì)猓?、膨脹做功4、循環(huán) (加壓、加熱、 膨脹做功、放熱),2024/3/19,24,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,制冷空調(diào)裝置基本特點(diǎn),,1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán) (加壓、放熱、 膨脹、吸熱),2024/3/19,25,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力裝置共同基本特點(diǎn),,

16、1、熱源，冷源 heat reservoir 2、工質(zhì) medium 3、容積變化功 moving boundary work 4、循環(huán) cycle,2024/3/19,26,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱機(jī),高溫?zé)嵩?低溫?zé)嵩?Q

17、1,Q2,W,動力循環(huán)簡圖,熱效率,Thermal efficiency,2024/3/19,27,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,思 考 題 ？,2、為何要有兩個(gè)熱源，能否不要低 溫?zé)嵩? 不放熱，W=Q是否可以 進(jìn)行？,3、發(fā)電廠效率高的只有40%左右，可否 有途徑提高，最高效率是否有極 限？極限為多少？,1、為什么永動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)？,Perpetual – motio

18、n machine,4、熱能和機(jī)械能通過什么介質(zhì)轉(zhuǎn)換,2024/3/19,28,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,工程熱力學(xué)的研究內(nèi)容,1、能量轉(zhuǎn)換的基本定律,2、工質(zhì)的基本性質(zhì)與熱力過程,3、熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備、工作原理,4、化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ),2024/3/19,29,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,過程,過程,化學(xué)反應(yīng)過程,熱力過程,閉口系熱力過程,開口系熱力過程,循環(huán),制冷熱泵,內(nèi)燃機(jī),外燃機(jī),柴油,汽油

19、,燃?xì)廨啓C(jī),空氣壓縮,蒸氣壓縮,吸收,熱機(jī),,,,,,,,,,蒸汽動力,,,,,,,,2024/3/19,30,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,工質(zhì),工質(zhì),種類,研究方法,狀態(tài)參數(shù)全微分特征,Maxwell式,理想氣體,實(shí)際氣體,混合氣體,比熱關(guān)系式,濕空氣,水蒸氣,制冷工質(zhì),,,微分關(guān)系式,狀態(tài)方程,,,2024/3/19,31,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,1、宏觀方法：連續(xù)體(continuu

20、m)，用宏觀物理量描述其狀態(tài)，其基本規(guī)律是無數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié) 特點(diǎn)：可靠，普遍，不能任意推廣 經(jīng)典 （宏觀,平衡）熱力學(xué) classical (macroscopic, equilibrium),工程熱力學(xué)研究方法,√,2024/3/19,32,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,2、微觀方法：從微觀粒子的運(yùn)動及相互作用角度研究熱現(xiàn)象及規(guī)律 特點(diǎn)：揭示本質(zhì)，模型近似

21、微觀（統(tǒng)計(jì)）熱力學(xué) microscopic (statistical) thermodynamics,工程熱力學(xué)研究方法,2024/3/19,33,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,工程熱力學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer流體力學(xué) Hydrodynamics燃燒學(xué) Combustion熱物性學(xué) Thermophysical property,工程熱力學(xué)所屬學(xué)科

22、,,工程熱物理,Engineering thermophysics,五個(gè)定律,能量轉(zhuǎn)化及使用熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熱力性質(zhì)熱力學(xué) 第零定律熱力學(xué)第三定律狀態(tài)公理,2024/3/19,34,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,2024/3/19,35,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,1、有幾位科學(xué)家在熱力學(xué)作出了貢獻(xiàn)， 獲諾貝爾獎？,小 知 識,2、中國哪位教授與美國教授合作提

23、出 的狀態(tài)方程得到普遍認(rèn)可？,3、Maxwell 妖是什么？,4、“吉布斯佯謬”又是什么？,2024/3/19,36,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎的科學(xué)家（1）,J.D.范.德瓦爾斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷蘭 氣體和液體狀態(tài)方程:如果壓強(qiáng)表示成臨界壓強(qiáng)的單調(diào)函數(shù)，體積表示成臨界體積的單調(diào)函數(shù)，溫度表示成臨界溫度的單調(diào)函數(shù)

24、，、就可得到適用于所有物質(zhì)的物態(tài)方程的普遍形式. 1910年諾貝爾物理學(xué)獎,,2024/3/19,37,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎的科學(xué)家（2）,M.普朗克 Max Planck (1858-1947) 德國 發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論）物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν

25、。其中h，普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，現(xiàn)在叫做普朗克常數(shù)。 1918年諾貝爾物理學(xué)獎,2024/3/19,38,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎的科學(xué)家（3）,W.H.能斯脫 Walther Hermann Nernst (1864-1941) 德國 熱化學(xué)，熵基準(zhǔn):絕對零度不可達(dá)到但可以無限趨近 .  在絕對零度，任何完美晶體的熵為零 1920年諾貝爾化學(xué)獎,2

26、024/3/19,39,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎的科學(xué)家（4）,L.昂薩格 Lars Onsager (1903-1976) 美國 不可逆過程熱力學(xué)理論:在描述各種不可逆過程的流（速率）和力（推動力）之間的線性唯象關(guān)系中的唯象系數(shù)之間滿足一種對稱關(guān)系，這就是著名的昂薩格倒易關(guān)系。 1968年諾貝爾化學(xué)獎,2024/3/19,40,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教

27、研室,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎的科學(xué)家（5）,I.普里戈金 Ilya Prigogine (1917-) 比利時(shí) 熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論:封閉沒有發(fā)展，平衡也沒有發(fā)展，這是耗散結(jié)構(gòu)理論的基本結(jié)論?；竟剑篸S=deS+diS。一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)（不論它是物理、化學(xué)的，還是生物學(xué)、生態(tài)學(xué)的，乃至是社會、經(jīng)濟(jì)或精神的），通過與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換即通過物質(zhì)、能量和信息的耗散，從而就可能自發(fā)組織起來，實(shí)現(xiàn)從無序到有序的

28、轉(zhuǎn)變，形成具有一定組織和秩序的動態(tài)結(jié)構(gòu)。 1977年諾貝爾化學(xué)獎,2024/3/19,41,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,熱力學(xué)方面獲諾貝爾獎的科學(xué)家（6）,K.G.威爾遜 Kenneth G. Wilson (1936-) 美國 臨界重整化群理論:臨界點(diǎn)現(xiàn)象具有標(biāo)度變換不變－>這種對稱性可用重整化群來表示將關(guān)聯(lián)長度發(fā)散的臨界點(diǎn)與非線性變換的不動點(diǎn)聯(lián)系起來，建立一種與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法不同的分析

29、途徑，這種途徑不直接配分函數(shù)，而是研究保持配分函數(shù)形式不變的變換特性。對連續(xù)相變的討論：分析這種非線性變換的不動點(diǎn)和在不動點(diǎn)附近線性化之后的本征值，以此計(jì)算臨界指數(shù) 1982年諾貝爾物理獎,2024/3/19,42,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)動機(jī)系工程熱物理教研室,參 考 書,1、工程熱力學(xué) 沈維道等 高教出版社2、工程熱力學(xué) 曾丹苓等 高教出版社3、工程熱力學(xué) 嚴(yán)家錄等 高教出版社4、工程熱力學(xué) 龐麓鳴等

30、高教出版社5、熱力學(xué)分析 朱明善等 高教出版社6、工程熱力學(xué)題型分析 朱明善等 清華出版社7、Fundamentals of Classical Thermodynamics Gordon J. et al. Fifth ed8 、Thermodynamics, Yunus A. Gengel et al. Fifth Edition,2024/3/19,43,中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院發(fā)