热工基础-1-绪论

1824 年 ， 法 国 陆 军 工 程 师 Nicholas Léonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的 论文。 他通过对自己构想的理想热机 的分析得出结论：热机必须在两个 热源之间工作，理想热机的效率只 Carnot 取决与两个热源的温度，工作在两 个一定热源之间的所有热机，其效 (1796 - 1832) 率都超不过可逆热机，热机在理想 状态下也不可能达到百分之百。这 就是卡诺定理。
卡诺的论文发表后，没有马上引起人们
的注意。过了十年，法国工程师Benôlt Paul
Emile Clapeyron (1799 - 1864)把卡诺循环 以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研 究了汽液平衡，导出了克拉佩隆方程。
1842 年 ， 德 国 医 生 Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人 血液颜色在热带和欧洲的差 异及海水温度与暴风雨的启 发，提出了热与机械运动之 间相互转化的思想。
热力学基本定律反映了自然界的客观 规律,以这些定律为基础进行演绎、逻辑推 理而得到的热力学关系与结论,显然具有高 度的普遍性、可靠性与实用性,可以应用于 机械工程、化学、化工等各个领域,由此形 成了化学热力学、工程热力学、化工热力 学等重要的分支。化学热力学主要讨论热 化学、相平衡和化学平衡理论。工程热力 学主要研究热能动力装置中工作介质的基 本热力学性质、各种装置的工作过程以及 提高能量转化效率的途径。化工热力学是 以化学热力学和工程热力学为基础，结合 化工实际过程逐步形成的学科。
主讲教师：袁 越 锦 yuanyj@
绪 论
1-1 为什么要学习热工基础？ 1-2 能)
1-4 发展简史
1-1 为什么要学习热工基础？
生 活 领 域
请思考：为了使热量从低温物体传给 高温物体，是否一定要以消耗功或热 作为代价？
请思考：这是为什么？
考 试 与 作 业
考核方式： 考试； 平时成绩占20%~30% （包括作业、实验、
学习态度、创新意识、以及思维能力等）
作业： 每周交一次 主要实践教学环节： 实验/实习
1-4 发展简史
热力学是研究能量、能量转换以及与能量 转换有关的物性间相互关系的科学。 热力学(thermodynamics)一词的意思是 热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产生动 力，反映了热力学起源于对热机的研究。 从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸 汽机在生产中的广泛使用，如何充分利用热能 来推动机器作工成为重要的研究课题。
如何学好热工基础：
•概念抽象、系统性、实践性很强的一 课 门科学
程 •是一门专业基础课，联系基础课和专 特 点 业课的纽带
•热工转换/热量传递，提高效率及经济 性是贯穿全书的主线！！
学 习 方 法 建 议
1.作好听课笔记 2.重视对基础概念和基本理论的 理解 3.加强实践训练，理论和实际相 结合 4.独立完成作业，及时复习和小 结 5.看几本参考书
工 业 领 域
航 空 航 天
高新技术：
电 子 器 件
看了以上各个领域的热工现象，同 学们有什么感受？
1-2 能源及其利用
能 源—指提供各种能量和动力的物质源。
可按来源、形态、使用程度和技术、污染程度、性质 等进行分类。
一次能源—自然界以自然形态存在的、可资利用的能源。
以热能形式 如：风能、水利能、太阳能、 利用的能量超 地热能、核能、化学能等。 过85% ！！
Mayer (1814 - 1878)
1847年， 德国物理学家和生 物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 - 1894) 发表了 “ 论力的守衡” 一文， 全面论证了能量守衡和转化定律。 Helmholtz (1821 - 1894)
1843-1848年， 英国酿酒 商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的 定量实验结果为基础，论述了 能量受恒和转化定律。焦耳的 热功当量实验是热力学第一定 律的实验基础。
发 电 机 电 动 机
光 电 反 应
电
能
热能的利用：
１.热 利 用—将热能直接用于加热物体，以满足 烘干、采暖、熔炼等需要。 ２.动力利用—通过各种热能动力装置将热能转换 成机械能或者转换成电能加以利用， 为人类的日常生活、工农业生产及 交通运输提供动力。
1-3 热工基础的研究对象、内容和方法
研究对象、内容
将热力学基本理论应用于工程实际，对不同的过程和
循环进行分析和计算， 探讨影响能量转换的规律及提 供转换效果的途径。
传热学
导热[Heat Conduction]； 对流[Convection]； 热辐射[Thermal Radiation]。
研究方法：
研究方法

1.宏观研究方法 2.微观研究方法
教材与参考书
教材 1.傅秦生主编.《热工基础及应用》（面向21世纪教 材），西安交通大学出版社 推荐辅助教材 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 2.杨世铭，《传热学》（第四版），高等教育出版社
主要参考书 1．严家騄. 工程热力学（第三版）.北京: 高教出版 社, 2000 2．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 3. 章熙民，等. 传热学（第四版）.北京:中国建筑工 业出版社，2001 4. 张奕.传热学（第四版）.南京:东南大学出版社， 2004 5. 王秋旺.传热学要点与解题. 西安: 西安交通大学 出版社, 2006 6. Michael J, et al. Fundamentals of Engineering Thermodynamics （4th. Edition）. JOHN WILEY & SONS, INC. 2000
如：热能、机械能、电能。
二次能源—由一次能源加工转换后的能源。
能量的转换和传递过程
一 次 能 源
燃 料 电 池 二 次 能 源
风 能
风 车
水 力 能
水水 车力 机 械
化 学 能
核
能
燃 裂聚 烧 变变
地 热 能
传 热 传 热
太 阳 能
热
热 机 温 差 发 电
能
磁 流 体 发 电 热 用 户
机 械 能
工程热力学、传热学 1、工程热力学主要研究热能与机械能相互转 换的规律，以及合理有效利用热能的基本 理论； 2、传热学是研究不同温度的物体，或同一物 体的不同部分之间热量传递规律的学科。
工程热力学
1、研究能量转换的客观规律，即热力学第一定律与第二 定律； 2、研究工质的基本热力学性质； 3、研究工质在各种热工设备中的工作过程。
完
Joule (1818 - 1889)
1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完 全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学 第二定律的另一种说法。
1853年，他把能量转化与物系的内能联系起 来，给出了热力学第一定律的数学表达式。
1875年，美国耶鲁大学数 学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之 平衡” 的论文。他在熵函数的 基础上，引出了平衡的判据； 提出热力学势的重要概念，用 以处理多组分的多相平衡问题； 导出相律，得到一般条件下多 Gibbs 相平衡的规律。吉布斯的工作， (1839 - 1903) 把热力学和化学在理论上紧密 结合起来，奠定了化学热力学 的重要基础。
把物质视为连续体， 用宏观物理量描述物 质的性质、行为，以 大量观察、实验中总 结出的定律为依据， 通过推理、演绎得出 具有可靠的和普遍的 结论、公式、以解决 热力过程中的能量转 换与传递问题。
实验研究 是基本方法 理论分析 建立（偏微分）方程，分析求解等 数值模拟 FLUENT\Adina等

能光电反应应热热用用户户风车燃料电池池传热热传热热能量的转换和传递过程水力机械械水车车燃燃烧烧聚聚变变裂变变磁流体发电电温差发电电电动机机发电机机核核能能地地热热能能水力能热能机械能风风能能一次能源一次能源二二次次能能源源化化学学能能热能的利用
陕西科技大学机电工程学院
《热工基础》
Engineering Thermodynamics and Heat Transfer
1798年，英国物理学家和政治家 Benjamin Thompson (1753-1814) 通过炮膛钻孔实验开始对 功转换为热进行定量研究。
1799年，英国化学家 Humphry Davy (17781829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。
根据热力学第一定律热功可以 按当量转化，而根据卡诺原理热却 不能全部变为功，当时不少人认为 二者之间存在着根本性的矛盾。 1850 年 ， 德 国 物 理 学 家 Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 进一步研究 了热力学第一定律和克拉佩隆转述 的卡诺原理，发现二者并不矛盾。 Clausius 他指出，热不可能独自地、不付任 (1822 - 1888) 何代价地从冷物体转向热物体，并 将这个结论称为热力学第二定律。 克劳胥斯在1854年给出了热力学第 二定律的数学表达式， 1865年提出 “熵”的概念。