《工程热力学》教学课件(上)

理想气体
工 质
实际气体
蒸气
工程热力学 Thermodynamics
二、平衡状态
（一）热力状态：热力系在某一瞬间所呈现的宏观
物理状况。(简称状态)
（二）平衡状态 1、定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，
系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡 状态。
2、实现条件：Δp=0 ΔT=0 (Δμ=0)。
国家
能源利用率
中国 美国 日本 德国 印度 俄罗斯 澳大利亚 巴西
36.81 50.00 52.51 50.22 40.06 54.08 46.21 62.26
世界平均
50.32
工程热力学 Thermodynamics
§0-2 热能的利用
一、热能的利用
人类利用的主要能源有：水力能、风能、地热能、太 阳能、燃料的化学能和原子核能。
1.来自太阳的辐射能:如 煤炭、石油 、天然气、风 能等；
2.来自地球本身:如 地热能、铀、钍等；
3.来自月球和其他天体的引力:如 潮汐能等；
(二)按形态分:
1.一次能源:如 煤炭、石油 、铀等；
2.二次能源:如 电力、蒸汽等；
工程热力学 Thermodynamics (三)按使用程度和技术分:
1.常规能源:如 煤炭、石油 、天然气、风能等；
1( p1, v1 )
T1
1 (T1 , s1 )
O
v1 v
O
s1 s
状态参数坐标图
3、状态方程：描述平衡态基本状态参数间关系表达式
称为“状态方程式”。
二、主要内容
（一）、热力学基本定律：热力学第一定律、热力学第二定律。
（二）、工质的热力性质和热力过程：理想气体、实际气体、 蒸气和湿空气等 。
（三）、工程热力学的应用：工程热力过程、热力循环、装置 的分析研究。
三、研究方法
工程热力学 Thermodynamics
经典热力学：宏观和唯象的方法，简单、可靠。
29899 8241.1 6103.8 6036.1 3255.6 14237 12757 4841.8 131180 18869 651776
6749 3553 2859 3615 7361 63932 3445 3228 1153 824 1469
工程热力学 Thermodynamics
三、能源的利用与环境、社会发展
1235.08 961.93
1337.58 1064.43
工程热力学 Thermodynamics
同时，又把平衡氢三相点以上的温度分了三个区间，并 给出了相应的温度计算公式：
① -259.34℃～630.74℃――用铂电阻温度计测量，电阻丝是 无应力的和退火的。公式（略）。
② 630.74℃～1064.43℃――用铂铑（10％）－铂热电偶测量 ，电动势与温度关系为： E(t) a bt ct 2
2.新能源:如 地热能、太阳能、核能等。
(四)按污染程度分:
分清洁能源和非清洁能源；
(五)按性质分:
1.含能体能源：如煤炭、石油 ； 2.过程性能源: 如 水力能，风能等。
工程热力学 Thermodynamics
对于能源工作者，更多的是采用一次能源和 二次能源，常规能源和新能源的概念。
表1—1 能源分类
15590
3.3
9 中国
3546 26579
13.4
87992.3 151441 3.5
10 巴西
4792 10678
5.1
13353.1 15399
0.9
全世界
210234 482449
5.3
861676.6 956931 0.7
0.05 -0.29 -0.4 0.04 0.17 -5.48 -0.08 0.41 0.26 0.18 0.13
按是否
直接或 易测
和T 。
非基本状态参数： 不能直接或易测的状态参数。
如H，S，U 等
数学特征：
(x, y ) ，
2
Ñ d 0 或 1 d 2 1
工程热力学 Thermodynamics (二)、基本状态参数
1、比体积 ：比体积就是单位质量的工质所占的体积。 v V m3 /kg m
基准点：水的三相点（273.16 K）
新摄氏温标： 符号 t 单位℃。
t（℃）=T（K）-2Hale Waihona Puke Baidu3.15
工程热力学 Thermodynamics
➢ 国际实用温标：（ITS—90）
国际实用温标指包括水的三相点在内的若干固定点的温 度，如下表所示
国际实用温标的固定点
平衡状态
平衡氢三相点 平衡氢沸点 氖沸点 氧三相点 氧冷凝点
1、人均能源占有量低 ：
中国、美国与世界能源储备的比较（2006）
中国 美国 世界合计 中国人均 美国人均 世界人均
原煤/t
1.145×1011 2.466×1011 9.091×1011
87 825 139
原油/t
2.20×109 3.7×109 1.6450×1011
1.7 12.4 25.1
天然气/m3 2.45×1012 5.93×1012 1.81×1014 1.869×103 19.83×103 27.6×103
式中：a, b, c 由630.74±0.2℃的银凝固点与金凝固点温度确
定。 ③ 1064.43℃以上――由普朗克辐射定律定义，用1064.43℃作
参考温度。
工程热力学 Thermodynamics 四、状态参数坐标图和状态方程式
1、独立的状态参数 ：简单可压缩系统 2。
2、状态参数坐标图
p
T
p1
动力如如何何实提现高热热能能向向机机械械能能的转转换换的？能转量换利的用基率本（规经律济是性什）么？？
制冷
如何实现机械能向热能的转换？转换的基本规律是什么？ 如何提高机械能向热能转换的能量利用率（经济性）？
或热泵
2、热科学发展简史
1763~1784年间瓦特改进了蒸汽机使之用于生产，大大提高了生产力； 1842年、1843~1848年迈尔和焦耳各自独立发现热力学第一定律； 1824年卡诺提出了卡诺循环和卡诺定理，奠定了热力学第二定律基础；
4 英国
9755 23770
5.7
21217.6 21900
0.2
5 加拿大 5680 12716
5.2
20908.9 24034
0.9
6 俄罗斯 6081
9906
3.1
87827
4487
-17
7 日本 29320 43684
2.5
44591.6 43460 -0.2
8 韩国
2536
8882
8.1
9265
19902006年 能源消 费弹性
指数
2006年 人口/万
人
2006年 人均能 源消费
/kg
1 美国 54896 131639
5.6
192763.8 201406 0.3
2 德国 15014 28969
4.2
35622.1 29267 -1.2
3
法国
11954 22481
4
22727.6 17460 -1.6
水电/(kW.h)
铀/t
6.0830×1012 4.4850×1012 2.86960×1013 4.640×103
15.0×103 43.78×103
38.0×103 34.2×103 2938.3×103
-
工程热力学 Thermodynamics
2、能源利用率低下 ：
3、污染严重
各国能源利用效率（％）
从某种意义上讲，能源的开发和利用就是热能的开发
和利用。
世界一次能源消费结构（%）
年份 1950 1960 1970 1980 1990 2010 2020
煤炭 61.1 52.0 35.2 30.8 29.0 22.4 24.30
石油 27.4 32.0 42.7 44.2 36.0 38.5 18.0
类别
一次能源 二次能源
常规能源
新能源
煤、石油、天然气、水力能等
核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等
煤气、焦炭、汽油、柴油、液化气、电力、蒸汽等
沼气、氢能等
二、能源的利用与历史发展、国民经济
（一）能源利用的三个历史时期：薪柴时期，煤炭 时期和石油时期。
（二）能源消费弹性系数：
ξ=
能源消费的年增长率
简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可逆 体积变化功的交换。
按能量 孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。
交换
绝热系：与外界无热量交换的系统。
热 源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的
交换不引起系统温度变化的热力系统。
工程热力学 Thermodynamics （二）、工质：
用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。
（一）主要污染：温室效应与热污染；酸雨、臭氧层的 破坏、放射性污染、烟尘等;
（二）可持续发展与节能 节约能源是解决可持续发 展的战略措施之一，也是本学科研究的一个重要方面。
四、我国的能源事业
（一）储量丰富，种类齐全； （二）多种能源结构；
工程热力学 Thermodynamics （三）面临如下一些问题：
国民经济生产总值的年增长率
工程热力学 Thermodynamics 世界主要国家能源消费状况
序 号
国家
1990年 GDP①/ 亿美元
2006年 GDP/亿
美元
19902006年 GDP年增 长率（%）
1990年能 源消耗/万
吨
2006年 能源消 耗/万吨
19902006年 能源消 耗年增
长率 （%）
国际实用温标指定
值
T，K
t，℃
13.81 -259.34
20.28 -252.87
20.102 -246.048
54.361 -218.789
90.183 -182.962
平衡状态
水三相点 水沸点
锌凝固点 银凝固点 金凝固点
国际实用温标指定
值
T，K
t，℃
273.16
0.01
373.15 100.0
692.73 419.58
1850~1851年克劳修斯和开尔文先后独立提出了热力学第二定律； 1906~1912年能斯特提出了热力学第三定律。
工程热力学 Thermodynamics
§0-3 工程热力学的研究对象、内容和方法
一、研究对象
热力学是研究热能和机械能相互转换规律，以提高能量利 用经济性（节能）为主要目的的一门学科。
第一节 热力系、状态与状态参数 一、热力系统与工质
1、定义 人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统， 简称热力系或系统。
11
固定边界
移动边界
系统
系统
边界
22
热力系统
2、分类
工程热力学 Thermodynamics
按物质 闭口系：与外界无物质交换的系统 CM
交换 开口系：与外界有物质交换的系统 CV
2、压力 ：压力即物理学中的压强，单位是Pa（N/m2）。
绝对压力：p 表压力 ： pg
p pb pg p pb
真空度 ： pv 大气压力：pb p pb pv p pb
工程热力学 Thermodynamics
3、温度： 俗称是物体冷热程度的标志。
C
热平衡
A
B
A
B
A．热力学第零定律 :
《工程热力学》教学课件
授课60学时 实验4学时
工程热力学 Thermodynamics
能源概论（绪论） §0-1 自然界的能源及其利用
一、能源及其分类
定义:能源是指可向人类提供各种能量和动力的物质 资源。
能源可以根据来源、形态、使用程度和技术、 污染程度以及性质等进行分类:
工程热力学 Thermodynamics (一)按来源分:
如果两物体和第三个物体处于热平衡，则这两个物体之 间必然处于热平衡。
B．科学定义：
温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理量。
工程热力学 Thermodynamics
C．温标：温度的数值表示
➢ 经验温标建立的三要素：
基准点 测温物质的性质 分度方法
➢ 热力学温标：理论温标，符号T 单位 K
根据热力学第二定律建立。
工程热力学 Thermodynamics 三、热力状态参数、基本状态参数 (一)、状态参数
定义：描述系统状态的宏观物理量
分类：
按与所
含工质 的量有
广延量参数：有关，如 H、U、S 等，广延量
参数具有可加性
关否
强度量参数：无关，如 p、T、v，u，h 等
工程热力学 Thermodynamics
基本状态参数： 可以直接或易测的状态参数。如p、v
天然气 9.8 14.0 19.9 21.5 19.5 23.9 43.0
水电及其他 1.7 2．0 2.2 3.5 15.5 15.2 16.0
工程热力学 Thermodynamics
二、热能利用的形式和热科学发展简史
1、热能利用的形式
直接利用：是指直接用热能加热物体，热能的形式不发生变化。
间接利用：是指把热能转换为机械能，以满足人类生产生活对 动力的需要。
统计热力学：微观和统计的方法。
四、教与学
1.教材：傅秦生.工程热力学 第2版 .机械工业出版社，2020
2.参考书：沈维道、童钧耕编.工程热力学 .高教出版社 Termodynamics
3.考核：考试80%，平时20% （作业15%，实验5%）
工程热力学 Thermodynamics
第一章 基本概念