工程热力学课件前言

2) 在日后从事的工作中应用工程热力学的知识和原理；
具体目标：
1) 对涉及能量在传递、转移和利用的一般实际工程问题，进行抽象、简化、
建立分析模型； 2) 应用工质热力性质图、表或电子文档确定气体的参数，并就基本热力过程
进行能量分析；
3) 对活塞式内燃机循环、水蒸气的朗肯循环和压缩蒸气制冷循环作循环分析， 并进一步归纳得到提高循环经济性指标的热力学措施和主要途径的热力学 原理； 4) 能判断热过程进行的方向并计算过程可用能损失。
特点：可靠，普遍，不能任意推广
经典 （宏观,平衡）热力学 classical (macroscopic, equilibrium)
2、微观方法：从微观粒子运动及相互作用研究热现象及规律
特点：揭示本质，模型近似
微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynamics
热能转换成机械能的“机器”- 热机
热机种类
Heat Engine 发电厂（火力、核能） 车辆发动机（内燃机）
轮船发动机
能量利用率 Energy efficiency 40% 25~35%
25~35%
航空发动机
20~30%
火力发电装置
核电发电装置
发电装置（蒸汽动力循环）的基本特点
cycle
工程热力学结构体系
热 力 学 基 本 理 论
能量转换，特别是热能转 换成机械能规律、途径及 提高转换效率方法
概念和术语
物理学等理论 科学与生产实Biblioteka Baidu 生活经验
方法论
本课程的学习内容
基 本 概 念
平 衡 态 状 态 参 数 温 度 等
基 础 理 论
可 逆 过 程
热 力 学 第 一 定 律 热 力 学 第 二 定 律 熵 增 原 理 熵 产 与 损 失 卡 诺 循 环 和 定 理 水 蒸 气 饱 和 状 态 、 定 压 汽 化 过 程
世界矿物能源的资源
《BP世界能源统计2014》
石油 Petroleum
53.3年
天然气 Natural Gas 煤炭 Coal
54.8年 162年
中国能源现状
(1) 中国能源资源缺乏
中国与世界平均人均能源资源比较
10 8 6 4 2 0 Coal Petoroleum Sum of energy resources
工 质 性 质
理 想 气 体 f(p ,v, T) = 0 cp、 u、 h、 s 多 变 过 程 及 水 蒸 气 过 程 压 气 机 内 过 程
热 力 过 程 和 循 环
内 燃 机 及 蒸 气 循 环 气 体 和 蒸 气 的 流 动
—
第 一 解 析 式
第 二 解 析 式
本课程的学习目标
总体目标： 1) 可以获得学习动力、机械等专业课程必要的基础理论知识；
机 械 能 发 电 机 电 动 机
全球能源消耗组成
《BP世界能源统计2014》 石油：32.9%全球能源消耗
天然气：30.9%全球能源消耗
煤炭：30.1%一次能源消耗
核电 ：4.4 %， 是1984年以来最低的比重 水力发电：6.7%全球能源消费 其它可再生能源： 5%的发电量，3%一次能 源消耗
(引自孙鸿烈院士报告2004年9月北京，中国科技论坛）
我国能源科技发展重点
能源科技
加强节能 提高能效 以煤为主、积极发展 核能的多元化发展 可再生能源和 氢能利用
高发 能展 效节 技能 术和 提
经煤 济炭 清合 洁理 技高 术效
技保 术障 支石 撑油 体安 系全
先 进 核 能 技 术
技大 术型 研水 究电 开工 发程
锅 炉 或 核 反 应 堆
过热器
汽轮机
发电机 凝 汽 器
1、热源，冷源 2、工质（水，蒸 汽） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
给水泵
燃气轮机装置（外燃机）
船用燃气轮机
燃气轮机装置（外燃机）
涡轮喷管燃气轮机
涡轮喷气发动机示意图
空客A380发动机
燃气轮机装置（外燃机）的基本特点
(Greek words)
heat
natural extension of the “mechanical world dynamics” to applications involving temperature effects.
二、为什么要学工程热力学？
高教改革与国际化 科学迅速发展 -> 学科交叉 △计算机、材料、生物、航天、军工等与热科学
50 %
World average China
7%
50 %
石油：能源安全战略
年代
项目
石油需求量，亿t
2000
2010
2020
2.24
3.35-3.5-7
4.3-4.35
净进口量，
Mt
69.6
31.0
155-187
46-52
240-295
59-62
进口依存度， %
（国家发改委能源所）
(2) 中国能源利用效率低下
http://cc.sjtu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?cours eId=5150&topMenuId=28498&action=view&type=&name=&m enuType=1
教务处网页（精品课程）：
4、考核方式
考试 （70%）
期末考试,半开卷，可带 1 张写上任何 内容的A4纸 作业（包括实验）（15%）
70 60 50 40 30 20 10 0 美国 世界平均 中国 煤 石油 天燃气 核能 水电
中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）
能源与环境 SO2、 燃煤： （酸雨） acid rain 粉尘、 CO2 （温室效应） Greenhouse effect
NOx、 HC 、 CO 车辆： SUN 缺氧
5) 在专业课学习和工作中应用工程热力学基本理论和知识。
四、如何“学好”工程热力学？
1. “课程难与不难？”
课程特点— 概念活 气体（远较刚体复杂）
难
研究对象—
课程内容纵向比较 使用的数学工具简单 不难 物理基础 丰富的优质资源
Arnold Sommerfeld
Thermodynamics is a funny subject. The first time you go through it, you don’t understand it at all. The second time you go through it, you think you understand it, except for one or two points. The third time you go through it, you know you don’t understand it, but that time you are so used to the subject, it doesn’t bother you anymore.
21世纪人类面临问题： 粮 食 环 境 战争与和平 能源和 其它资源
能源转换利用的关系
生物质 风 能 燃 料 电 池 水 能 水水 轮车 机 化 学 能 燃 烧 热 热机 二次能源 直接利用 电 能 核 能 聚裂 变变 能 地 热 能 太 阳 能 一次能源 (天然存在)
风 车
利 光 转 光 用 热 换 电 转 90% 换
2、几点建议和要求
1) 积极投入课堂教学活动，并主动思索； 2) 弄清基本概念，注意每章后的思考题； 3) 独立完成作业，按时上交； 4) 积极参与各项实践； 5) 有问题及时解决，不要拖至考试； 6) 除了教材外，看一、二本参考书(外文）。
3、教材和参考书
工程热力学，沈维道、童钧耕主编，第五版，高等教育出
力先 输进 配可 系靠 统的 电
模可 化再 利生 用能 技源 术规
池氢 技能 术与 燃 料 电
三、工程热力学学习些什么？
热力学的分类
工程热力学：热能与机械能
热 力 学
物理热力学 化学热力学
生物热力学
溶液热力学
热力学的研究方法
1、宏观方法：连续体(continuum)，用宏观物理量描述其状态， 其基本规律是无数经验的总结
600 500 400 300 200 100 0 60 70 80 91 2000 2006 中国 世界先进
g / kW. h
平均供电耗煤量的变化
200
150 100
173.9
148.8
100 100
150
100
50 0
发达国
中国
炼钢
乙烯
建材
中国与世界先进水平单位产品能耗之比
（3）能源环境问题突出
工程热力学
Engineering Thermodynamics
洪芳军 教授 机动群楼A-419，34204377 mehongfj@sjtu.edu.cn
绪 论
一、什么是工程热力学？
二、为什么学工程热力学？ 三、工程热力学学什么？ 四、如何学好工程热力学？
一、什么是工程热力学？
工程热力学是重要的专业基础课，是工程热物理 学科的重要组成之一:
42
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6、答疑时间
每周五课后
机动学院 A-419，周二下午，12:00-16:00
邮件预约
燃烧室
压 气 机 空 气
燃 气 轮 机
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
废 气
内燃机装置
内燃机装置
internal combustion engine
空气、油
废气
吸气
压缩 点火
膨胀
排气
内燃机装置基本特点
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
机械能转变成热能－ 制冷（热泵）装置
制冷空调装置基本特点 1、热源，冷源 2、工质（制冷剂） 3、得到容积变化功 4、循环 (加压、放热、 膨胀、吸热)
热力装置共同基本特点
1、热源，冷源
heat reservoir
2、工质 3、容积变化功
4、循环
medium, working substance moving boundary work
工程热物理 Engineering Thermophysics 工程热力学 Engineering Thermodynamics 传热学 Heat Transfer 流体力学 Hydrodynamics 燃烧学 Combustion 热物性学 Thermophysical Property
工程热力学是一门研究热能有效利用及热能和其 它形式能量(特别是机械能)转换规律的科学
“Thermodynamics is the science that deals with heat and work and those properties of substances that bear a relation to heat and work.”
Therme
dynamis
work
必须按时交作业（每周三）,迟交原则上 不计成绩 平时测试 （15%）
课堂小测验，不定期点名、上课2/3以上 才能参加考试 （重修除外）
5、作业和考试的解题规范
写出物理表达式 代入原始数据 给出结果
p1 pb F1 195 771133.32 98100 2.941105 Pa A 100
O3
雾Smog
能源消耗引起的主要环境问题比较
温室 气 体 中国
二氧化 甲烷* 碳 3051 959
氧化亚 氮* 538 3570 1
二氧化 沙尘 黑碳 硫 800 1.19 3000 6.63 1 1 19.95 105 1
世界 总量
中国 位次
23172 6340 2 1
单位：百万吨
* 百万吨CO2 当量
版社（教材） 工程热力学学习辅导与习题解答—童钧耕等，高教出版社 工程热力学总复习— 理论概要和习题 童钧耕等，上海 交大出版社 工程热力学题型分析—朱明善等，清华出版社 Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, M. J. and Shapiro, H. N. Thermodynamics An Engineering Approach, Yunus A.Çengel, Michal A. Boles