工程热力学教案

《工程热力学》教案能源与动力工程学院邓巧林
2010年2月
一、课程基本描述
课程名称：工程热力学
英文译名：Engineering Thermodynamics
总学时数：40 讲课学时：40 实验学时：0
授课对象：热能与动力工程专业、建筑环境与设备工程专业本科生
课程要求：必修
分类：专业（学科）基础课
开课时间：第四学期
先修课：高等数学、大学物理、理论力学、材料力学、工程流体力学
二、课程教学定位
1. 本课程在专业课程体系中的定位
工程热力学是研究物质的热力性质、热能与其它能量之间相互转换的一门工程基础理论学科，其内涵丰富、概念抽象、公式数量多、联系工程实际范围广，是热能与动力工程和建筑环境与设备工程专业四年制本科的一门重要的专业基础课。

热能与动力工程专业所研究的问题：如燃料燃烧、能量转换、火力发电、内燃机动力装置、燃气轮机装置等，建筑环境与设备工程专业所研究解决的问题:如采暖、空调，热源、冷源,以及建筑物的温度、湿度等问题的调节与控制,都要以热力学物理模型研究为基础。

因此学生掌握工程热力学课程基本理论，直接影响其专业水平，对今后从事科学研究、工程应用及管理工作都非常重要。

工程热力学作为有百年历史的老学科，早已自成体系,目前全国约有30多个专业开设该课程，同型专业开设工程热力学课程的目的是一致的：即应用热力学的基本概念、基本定律和工质的热力性质，对各种类型热工设备或热力系统的热工过程进行分析计算，以寻求提高热能利用率和节能的有效途径。

所不同的是，能源动力类专业的研究对象主要是热能与机械能的转换，它是后续汽轮机原理、热力发电厂、锅炉原理、燃气轮机原理、燃气蒸汽联合循环发电技术、燃烧理论与技术、火电厂节能原理与技术、核能发电技术等课程的基础；而建筑环境与设备专业，其研究对象主要是热能的直接利用，一方面集中供热、供暖的热源，常取自热电联产，空调的冷源来自制冷装置，这些要涉及热与功的转换；而另一方
面湿空气、燃气、制冷剂、溶液等的热力性质，是后续供热、供燃气、通风与空调工程课程必须要用到的。

因此对本课程教学过程，必须定位在要保持学科基本理论的严密性和系统性基础上，考虑高新技术的应用和新型人才培养模式的要求，突出专业特点，使学生熟练掌握专业基础知识，提高他们的理论分析和解决工程问题的应用能力，为后续专业课的学习奠定坚实的理论基础。

2. 工程热力学内容的实质
工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律作为推理基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究；同时，以基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性，达到提高热能利用率和热功转换效率的最终目的。

其主要特点是理论分析、实验研究与工程实际应用密切结合，分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。

其中基础理论部分占65%，工程应用部分占35%。

鉴于上述特点，在教学中要始终抓住热力学两大定律这条主线，使学生通过对本课程的学习，掌握热力学基本定理的本质及其数学表达式，并能正确运用这些规律进行各种热工过程和热力循环的分析计算，培养学生具备分析和处理热工问题的抽象能力和逻辑思维能力，为学生今后的专业学习储备必要的基础知识。

此外，本课程在有关计算技能和实践技能方面也使学生得到一定的训练。

同时由于能源是全球关注的焦点，开发新能源，节约现存资源是当务之急。

而且当今世界开发与环保、发展与节能的矛盾日益突出，这些是人类面对的一大热点问题。

因此在教学中，还要始终贯穿节能的观点，向学生渗透节能的观点和思想，做到在开发能源的同时注意环保，在利用能源的同时注意节能。

3. 工程热力学与前、后续课的关系
工程热力学作为一门专业基础课，是架接基础课（高等数学、大学物理、理论力学、材料力学等）与专业课之间的桥梁，该课程的大部分公式，都是通过高等数学知识推导的；许多数学模型，都是在大学物理、理论力学知识基础上建立的，后续课程中的基础理论部分，都出自本课程，或者是本课程理论在某一具体工程实际对象中的延伸。

而且，本课程能广泛服务于机械工程、动力工程、冶金、石油、电力工程等各个研究领域。

由此可见，工程热力学在专业中不是孤立存在的，它与前、后续课都有紧密的联系。

这就决定了教师在课程教学中要形成自己的特色（见5.课程的讲授）。

4. 工程热力学在专业人才培养中的作用
为了适应人才培养的“基础扎实、知识面宽、能力强、素质高”的要求，在教学过程中，不应把知识传授作为教学的唯一目标。

在传授知识的同时，还应对学生进行其它方面的素质培养，比如自学能力、动手能力、用所学知识解决实际问题的能力、语言表达能力和人际交往的能力、科学精神、思维和做事方式的培养等。

同时还要通过这些知识的讲授，使学生掌握获取新知识的方法，使学生的思维能力得到锻炼，甚至可以说，要使学生的世界观得以改造，即最终目标是立足于对专业人才素质能力的培养，使学生达到真正掌握知识的目的。

三、教材的选择与分析
根据我国目前专业设置情况，工程热力学教材按内容特点主要分为机械类、动力类、建筑类三大类。

安排了64学时的工程热力学课程主要服务于热能与动力工程、建筑环境与设备工程专业。

因此，教材采用由沈维道、蒋智敏和童钧耕合编的，由高等教育出版社出版的面向21世纪课程教材《工程热力学》。

该教材是教育部“九五”规划教材，第二版曾获全国第一届高等学校优秀教材国家教委二等奖。

本课程选用该教材的第三版（最新版），2005年4月印刷。

本教材内容深入浅出，能适应科技发展的新形势,具有较好的教学适应性和工程实用性,充分体现了以学生为本、重视素质教育的思想。

在内容编选上以教育部颁布的《高等工业学校工程热力学课程的基本要求》为依据，除满足基本原则和要求外，在保证学科系统性与完整性的基础上，突出了热能与动力工程、建筑环境与设备工程专业的特点，既考虑了热能与机械能的转换，又考虑了热能的直接利用，以论述质量迁移，能量转换与物质状态或物态变化的关系，探讨提高热能利用率及节能的基本途径等为主要内容。

充分体现了这两个专业的特色，如热力学第一定律的论述不局限于热与功转换的数量关系，而是针对供热、通风、空调工程中常见的热力系统与设备进行能量平衡的分析与计算。

针对燃气供应和贮存中贮罐的充气和放气问题，建立了半开口变质量系统的能量方程。

此外特别
强调如何根据研究对象选取热力系统，建立能量方程和求解能量方程的方法。

对于热力学第二定律的论述，不再只围绕热功转换进行效率分析，而是根据热力学第二定律的实质，应用熵分析和用分析法，评价各种能量利用的合理性，研究优化能量系统的方法，探讨提高能量有效利用率和节能的技术措施。

以围绕热能开发、利用和节能为中心，重点介绍新能源、新工质、新循环，使学生能在走上工作岗位后，站在学科的前沿，用所学的热工理论指导工程实践。

教材：
1. 沈维道，蒋智敏，童钧耕合编.工程热力学(第三版). 北京：高等教育出版社.2005
主要参考教材：
1. 曾丹苓等.工程热力学（第三版）.北京:高教出版社,2002
2. 严家騄.工程热力学（第三版）.北京:高教出版社,2000
3. 朱明善等. 工程热力学. 北京:清华大学出版社,2000
4. 童钧耕等.工程热力学总复习——理论概要和习题. 上海:上海交通大学出版社,2001
5. 何雅玲. 工程热力学精要分析及典型题精解.西安:西安交通大学出版社, 2000
6.M.C.波特尔,C.W.萨默顿.工程热力学.北京:科学出版社,2002
7.M. W. Zemansky, Heat and Thermodynamics, 6th.ed., Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1981.
8.YUNUS A. CENGEL MICHAEL A. BOLES Thermodynamics—An Engineering Approach Third Edition McGraw-Hill
Publishing Company
9.KENNETH WARK DONALA E. RICHARDS Thermodynamics 6th. Edition McGraw-Hill Publishing Company 1999
9.Michael J. MORAN Howard N. SHAPIRO Fundamentals of Engineering Thermodynamics 4th. Edition JOHN WILEY
& SONS, INC.2000
四、课程的基本内容、学时分配、重点与难点
1、绪论 (2学时)
教学目标: 使学生全面了解本课程的基本内容，学科前沿研究现状，本课程的学习方法。

知识点：介绍热力学的发展简史、教学目的，基本内容，学习本课程应注意的问题。

难点：使学生认识到学习本课程的重要性，激发学生的学习兴趣和学习积极性，教会学生掌握专业基础课的学习方法。

2、第一章基本概念 (4学时)
教学目标: 使学生熟练掌握热力学研究的基本概念。

知识点：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。

重点：三种典型的热力系统；p、v、T三个状态参数的物理意义；测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。

难点：使学生理解并掌握抽象的热力学基本概念，是本章的难点。

3、第二章热力学第一定律（8学时，其中讲授6学时、习题课2学时）
教学目标：使学生深入理解并熟练掌握热力学第一定律的内容和实质，能将工程实际问题，建立热力学模型。

知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系与共性，热变功的实质。

能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。

培养学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。

德育点：介绍历史上科学家对建立能量守恒原理和热力学第一定律的贡献，引导学生学习科学的创新精神和科学精神；介绍现代科学与社会发展的新成果，如能量转换的新技术。

对学生进行能源的合理利用、节能及环保等相关的可持续发展观念的教育。

重点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件，在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过程的计算。

难点：热力学第一定律及其应用是本课程的重点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件，并能将理论与工程实际相联系。

布置撰写第一次能源问题及节能的科技论文。

热力学第一定律习题课（2学时）。

重点：应用热力学第一定律的解题方法和计算步骤。

难点：结合工程实际过程，建立热力模型，进行热功能量转换过程的热力计算。

4、第三章理想气体性质（4学时）
教学目标: 使学生能结合工程实际，熟练应用理想气体状态方程，解决问题。

知识点：理想气体（包括理想气体混合物）概念；理想气体状态方程；理想气体比热；混合气体性质。

重点：理想气体状态方程的各种表述形式，利用状态方程及公式进行热力计算，理想气体比热的物理意义以及该参数在工程中的应用特点。

难点：理想气体状态方程在工程中的应用范围、特点，理想气体比热的计算公式。

安排理想气体比热实验（2学时）。

5、第四章理想气体热力过程（4学时）
教学目标：使学生熟练掌握气体的各种基本热力过程及多变过程的状态参数及过程参数的热力计算。

知识点：分析热力过程的目的及一般方法；气体的基本热力过程及多变过程。

重点：结合热力学第一定律，分析和导出各种基本热力过程及多变过程（包括压气过程）的相应计算式并进行计算，利用p-v、T-s图分析热力过程。

难点：由于在大学物理中，学生已学习了基本热力过程，因此在教学中，要采用分析、对比讨论课的形式，使学生掌握热力学计算的特殊性，并能利用状态坐标图表示各种过程及过程中能量转换的特点。

6、第五章热力学第二定律（8学时，其中讲授6学时、习题课2学时）
教学目标：使学生熟练掌握热力学第二定律实质、数学表达式，能进行热力过程不可逆性的判定。

知识点：热力学第二定律实质及表述；卡诺循环、卡诺定理；熵与熵方程；孤立系统熵增原理。

重点：热力学第二定律的实质；卡诺循环及卡诺定理对热功转换效率的指导意义，熵参数定义，过程不可逆性与熵增之间的关系，利用熵方程进行热力计算以及作功能力损失的计算。

难点：热力过程的方向性与不可逆性的判定，熵的概念及其物理意义，孤立系统熵增原理对生产实践的指导意义。

热力学第二定律习题课（2学时）。

重点：热力过程的方向性与不可逆性的判定，系统熵变的热力计算以及作功能力损失的计算。

难点：对热力学第二定律的普遍性和抽象性的理解，用状态量熵来对过程的不可逆性进行描述。

布置撰写第二次热力学第二定律实质及熵在工程实践中的应用问题的科技论文
7、第六章实际气体的性质及热力学一般关系式（4学时）
教学目标：使学生了解实际气体模型与理想气体模型的差别，实际气体状态的描述方法，掌握热力学一般关系式及其物理意义。

知识点：状态方程用于实际气体的偏差；范德瓦尔方程和R—K方程；对应态原理与通用压缩因子图；麦克斯韦关系和热系数；热力学能、焓和熵的一般关系式。

重点：范德瓦尔方程及其应用；麦克斯韦关系和热系数的物理意义；热力学能、焓和熵的一般关系式及其在工程中的应用。

难点：麦克斯韦关系和热系数的物理意义；热力学能、焓和熵的一般关系式及其在工程中的应用。

8、第七章水蒸汽（4学时）
教学目标：使学生了解工程实际中，水蒸气的使用状况。

能进行水蒸气各种过程的热力计算。

知识点：水蒸气的定压发生过程；水蒸汽表和图；水的相图及三相点；水蒸汽的基本过程。

重点：工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸汽热力学性质的图表，并能熟练地运用于各种热力过程的计算。

难点：水蒸汽是实际气体，只能通过查热力学性质图表进行各种热力过程的计算。

安排饱和压力和饱和温度关系测定实验（2学时）。

安排二氧化碳临界状态实验（2学时）。

9、第八章气体与蒸汽的流动（4学时）
教学目标：使学生截面积变化对热力流动的影响，能进行喷管绝热稳定流动的热力计算。

知识点：绝热稳定流动的基本关系式；气体在喷管中的绝热流动、喷管中流速及流量计算；喷管主要尺寸的确定；实际喷管中有磨擦的流动；扩压管流动；气体和蒸汽的绝热节流。

重点：喷管内绝热稳定流动的基本特性，喷管出口的截面、流速和流量的计算，喷管的设计和校核计算，绝热节流过程的特点。

难点：通过确定临界压力比，对喷管进行设计和校核的计算，理想气体与蒸汽不同的流速和流量计算公式。

安排喷管实验（2学时）
10、第九章压气机的热力过程（2学时）
教学目标：使学生了解压气机热力过程。

知识点：活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。

重点：压气机耗功量的计算方法，提高压气机效率的方法和途径。

难点：多级压缩过程中各级增压比的确定，提高压气机效率的方法和途径。

11、第十章气体动力循环（2学时）
教学目标：使学生掌握分析动力循环的一般方法；了解活塞式内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析方法。

知识点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际循环的简化；活塞式内燃机的理想循环；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较；燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环。

重点：分析动力循环的一般方法；燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。

难点：实际循环简化成理想循环的方法；提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。

12、第十一章蒸汽动力循环装置 (4学时)
教学目标：使学生掌握各种热机转换循环及其计算方法。

知识点：蒸汽动力基本循环；朗肯循环；回热循环与再热循环；热电循环；内燃机循环；蒸汽—燃气联合循环。

重点：回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。

难点：热电循环中最佳用热和用电的分配比例的确定，提高热效率的途径和计算方法。

13、第十二章制冷循环 (4学时)
教学目标：使学生了解工程实际中制冷过程，掌握各种制冷循环的热力计算。

知识点：空气压缩致冷循环；蒸气压缩致冷循环；蒸气喷射致冷循环；吸收式致冷循环；热泵。

重点：空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。

难点：结合工程对空气和蒸汽压缩制冷循环的描述，建立数学模型，进行热力计算。

14、第十三章湿空气（4学时）
教学目标：使学生了解空调工程中，湿空气是如何进行调节的，并能进行湿空气各种过程的热力计算。

知识点：湿空气的性质；湿空气的焓湿图；湿空气的基本热力过程。

重点：湿空气的h-d图的使用，它是学习通风空调等课程不可缺少的理论基础。

难点：由于学生未接触专业课程，因此湿空气在工程上进行的各种热力过程及其计算是本章难点。

总结：以热力学基础理论为主线，以热能转换为主，以热能直接利用为辅，主要论述质量迁移，能量交换与物质状态或物态变化的关系，探讨提高热能利用率及节能的基本途径，理论联系实际。

教学中深入研究各知识点产生的背景和来龙去脉，努力将各章节用一条主线穿起来，避免对各知识点的孤立讲授，避免学生孤立的接受知识。

在教学方法上,要从学生发展的需要考虑,认为基础课不仅只是为后续课服务,为专业服务,更重要的是培养学生的科学素质和科学思维方式,提高他们分析问题和解决问题的科学研究能力,使学生眼光远、层次高、后劲足。

教学中还适当地介绍本学科在工业、民用及高新技术领域的一些应用实例,加深学生对基础知识的理解,使学生充分认识本门课程的重要性,提高学习的兴趣和积极性。

此外还特别注意将习题难度控制在适当的水平上,难度太大或题解量太大的习题,会过度加大学生的负担,反而不利于学生的自学提高。

五、课堂教学讲授
本课程的主要特点是概念性强、公式多、理论抽象，既有严格的理论证明，又具有很强的工程应用背景，在授课过程中，应不断渗透和强调知识的承上启下性和储备性。

承上启下性是指本课程作为专业基础课，承担着与基础课和专业课的桥梁作用，因此在授课时，既要对所学基础课进行复习对比，便于学生进行知识的迁移，又要密切结合工程实践，为今后专业课的学习，奠定理论基础。

储备性是指未来社会对科技人才所要求的知识积累，现代化社会要求学生具备基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，因此授课过程中，除本门课程所牵涉的应用知识外，应尽可能地介绍本门课程在其他领域的应用，使学生在学习过程中不断受到举一反三的训练，培养学生的综合素质和严谨的科学态度。

对还没有接触到专业课和工程实际的学生来说，本课程听起来容易枯燥无味，做题又无从下手。

所以要讲好此课，要做到以下几点：
1、要讲好绪论课, 激发学生的学习兴趣
通过多媒体直观、形象地讲解热力学的发展史、主要研究对象、以及热力学在热能工程、热力发电、供热通风空调与燃气工程中的主要应用。

使学生对这门课有一个全面、感观的认识，提高学生的学习兴趣。

随后再介绍本课程的全貌，强调学习本课程对解决能源问题所具有的意义及其在人才培养中所处的地位和作用，介绍我国的能源现状及与发达国家的差距，使学生建立起强烈的责任感和强烈的求知欲望。

2、要突出新旧知识间的共同因素
课程中的有些教学内容，学生在大学物理中的热学部分己经学过，在本课程中又重新出现，对这部分内容的讲述，首先和学生一起复习，激发学生的回忆，然后再引出热力学中的定义，即要紧紧抓住新旧学习知识间的共同因素，引导学生在复习旧知识的基础上引出新知识，同时注意不是简单的重复旧知识，而是从工程应用的角度来加以论述和深化。

在教学活动中，新知识的学习常常受到与其相类似的旧知识的干扰。

例如有些学生总是将热力学中的压力概念和单位与中学物理中压强概念混淆起来，为克服这种干扰，要采用对比的教学方法，帮助学生找出二者之间的区别并划清两种类似知识的界限。

使学生对立地建立起新知识中的概念，对新旧学习内容进行概括，找出其共同的本质。

3、要采用启发交流式教学
为使学生能较好地跟上教师的思维，课堂上要注意适时地采用对话式教学方式，提出一些问题，引导学生一起思考。

即要摒弃全面讲、满堂灌的授课方式，把精讲与指导相结合；系统讲解与问答式讲解相结合。

讲授时，根据授课内容，结合专业实际，经常提出问题，启发学生积极思维。

在讲到难懂之处，要有意识地留给学生思维余地，并提倡学生提出异义和不懂之处。

这样就把课堂教学变为教师和学生共唱一台"戏"，使学生在课堂上不再只带耳朵听，被动记笔记，也不能分散注意力，而在教师的引导下，。