工程热力学第一讲 绪论

探明化石燃料储量 Oil, Gas and Other
1400Βιβλιοθήκη Baidu
Reserve growth
1200
IPCC
? **
600 500 400 300 200
Proven reserves*
1000
Gt C
800 600 400 200 0
*Oil & gas from EIA ** Unconventional oil & gas; uncertain, could be large
各国化石燃料消耗量
哈伯特顶点 （石油峰值论）
The End of the Oil Age?
哈伯特顶点
“Anomalous Age of Easy Oil” is Nearing its End
Campbell, C. J. (2012). The Anomalous Age of Easy Energy. Energy, Transport and the Environment, Springer.
石油 Petroleum
世界40-50年 我国探明可开采储量32.74亿吨 可开采15~20年
能源的资源
2000.12.30《世界能源报道》
天然气 Natural Gas
世界60年 我国探明可开采储量11704亿m3 可开采28~58年
能源的资源
2000.12.30《世界能源报道》
煤炭 Coal
微观（统计）热力学 microscopic (statistical) thermodynamics
工程热力学所属学科
工 程 热 物 理
工程热力学 Engineering Thermophysics 传热学 Heat Transfer 流体力学 Hydrodynamics 燃烧学 Combustion 热物性学 Thermophysical Property
EIA
Shale Oil Tar Sands
100 0
Oil
Gas
Coal
Other
CO2 (ppmv)
Emissions (CDIAC)
Methane Hydrates
环境效应 Role of Anthropogenic Greenhouse CO2 Emissions
Keeling Curve, CO2 at Mauna Loa （莫纳罗亚山） Red line is 57% of fossil fuel CO2 emissions
Preface
Thermodynamics can be defined as the science of energy Therme heat dynamis (Greek words) power
热能 Thermal Energy
能源转换利用的关系
生物质 风 能 燃 料 电 池 水 能 化 学 能 核 能 聚 裂 变 变 地 热 能 利 用 太 阳 能 光 转 热 换
动力循环简图
Thermal efficiency
Q1 热机 Q2
低温热源
热效率
高温热源
W
思 考 题 ？
1、为什么永动机不能实现？
Perpetual – motion machine
2、为何要有两个热源，能否不要低 温热源, 不放热，W=Q是否可以 进行？ 3、发电厂效率高的只有40%左右，可否 有途径提高，最高效率是否有极 限？极限为多少？ 4、热能和机械能通过什么介质转换
《工程热力学》
目的和要求：
通过教学，学生应掌握热力学的基本理论知识，并培养解决热工的工 程实际问题的能力。
考核办法：闭卷考试
学生考核成绩包括平时成绩（20%）、期中测验（15%）、大作业 （20%）和期末考试卷面成绩（45%）两部分。 无故旷课，平时成绩取消！！！
免期末考试！！
免期末考试条件
1、平时作业全交
绪论
• • • • 1 学习工程热力学的动机 2 工程热力学与能源的关系 3 工程热力学应用实例 4 研究内容和方法
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
工程热力学的研究内容
1、能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程 3、热功转换设备、工作原理
Engineering Thermodynamics– Lecture #1/Motivation September 17, 2014
《工程热力学》32学时
黄玥
助理教授 物理机电航空大楼313 18250894250 huangyue@xmu.edu.cn 物理与机电工程学院 厦门大学
主要内容
基本概念：
美国能源前景
Fossil Fuels Will Continue to Dominate
非常规液态化石燃料
Substantial Resources Still Exist for GTL or CTL
Enhanced oil recovery
Potential Liquid Hydrocarbon Production (Gbbl)
公路 铁路 民航
政府机构：
节 能 Energy Saving
节能是近年来的基本国策 “开发和节约并重” 节能任重道远 是我们的责任
可持续发展 科学发展观
绪论
• • • • 1 学习工程热力学的动机 2 工程热力学与能源的关系 3 工程热力学应用实例 4 研究内容和方法
热 机 种 类
heat engine
环境效应
Role of Anthropogenic Greenhouse CO2 Emissions
环境效应
Role of Anthropogenic Greenhouse CO2 Emissions
环境效应
Disappearing Glaciers: Patagonia Glacier
环境效应
1 学习的动机
Some application areas of thermodynamics.
1. 石油耗尽 2. 全球气温变化 新型航空动力装置
化石燃料耗尽
(A Matter of WHEN…not IF)
FFC/GDP is fundamentally constrained by the 2nd Law of Thermodynamics!
Brandt, A. R and Farrell, A. E. (2007). Scraping the bottom of the barrel: greenhouse gas emission consequences of a transition to low-quality and synthetic petroleum resources. Climate Change, 84, pp. 241-263.
Disappearing Glaciers: Mt. Kilimanjaro
环境效应
Melting of the Polar Ice Sheet
环境效应
Predicted Rise in Sea Level
绪论
• • • • 1 学习工程热力学的动机 2 工程热力学与能源的关系 3 工程热力学应用实例 4 研究内容和方法
g / kW. h
600 500 400 300 200 100 0 60 70 80 91 2000 中国 世界先进
中国与日本工业能耗比较
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 吨煤/吨钢 吨煤/吨合成氨 总利用率 中国 日本
我国主要部门节能潜力
钢铁工业 建材工业 石化 合成氨 有色金属 交通部门: 24% 13-22% 10-24% 6-18% 4-10% 20-50% 10-30% 16-34% 15-20%
世界220年 我国探明可开采储量1145亿吨 可开采54~81年 能源短缺
Energy and Environment
粉尘、 CO2 燃煤：SO2、 （酸雨） （温室效应） acid rain Greenhouse effect 车辆：NOx、 HC 、 CO SUN 缺氧
O3
雾Smog
中国平均供电耗煤量的变化
2、期中考试成绩前15% 3、大作业优秀
人数控制在总人数的15%之内 免期末考试同学，需参加口试！ 如果对口试成绩不满意，可参加期末 考试，成绩以最后一次为准。
答疑和助教
答疑：
为了弥补课堂教学的不足，工程热力学每周可以答疑。答 疑时间：每周四晚8点-9点 （先预约）
助教信息： 姓名：阮灿（研一） QQ：1019979834 手机号码：18559774880 如果有任何关于本课的问题和困难，请联系助教。


热力系统 热力循环 功量、热量与熵 状态、过程和状态参数
主要内容：
热力学第一定律 理想气体的性质与过程 热力学第二定律 水蒸汽 湿空气 气体和蒸汽的流动
工程热力学的应用：
蒸汽动力循环 制冷循环
教材和参考书
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（1）朱明善等 工程热力学(第2版). 北京 清 华大学出版社, 2011. （2）杨海, 车驰东, 张小卿编译（双语教材), 工程热力学，国防工业出版社，2009. （3）沈维道, 童钧耕主编，工程热力学（第 4版），高等得教育出版社，2007. （4）Cengel, Yunus A., and Michael A. Boles. Thermodynamics: an engineering approach. Vol. 5. New York: McGraw-Hill, 2011.
小 知 识（1）
1、有几位科学家在热力学作出了贡献， 获诺贝尔奖？ 2、中国哪位教授与美国教授合作提出 的状态方程得到普遍认可？ 3、Entropy和Enthalpy是清华哪位教授 译为“熵”和“焓”？
4、为什么恩格斯说“卡诺定理”是头重 脚轻的定理？
热力学方面获诺贝尔奖的科学家 （ 1）
J.D.范.德瓦尔斯 Johannes van der Waals (1837-1923) 荷兰 气体和液体状态方程 1910年诺贝尔物理学奖
发电（火力、核能） 车辆发动机（内燃机） 轮船发动机 航空发动机
能量利用率 Energy efficiency 40%
25~35% 25~35% 20~30%
制冷空调(非热机，同理）
>200%
火力发电装置基本特点
过热器
锅 炉
1、热源，冷源 汽轮机 2、工质（水，蒸汽） 3、膨胀做功 4 、循环 发电机 (加压、加热、 凝 膨胀做功、放热)
绪
工程热力学
论
工程热力学是重要的技术基础课
是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学
绪论
• • • • 1 学习工程热力学的动机 2 工程热力学与能源的关系 3 工程热力学应用实例 4 研究内容和方法
绪论
• • • • 1 学习工程热力学的动机 2 工程热力学与能源的关系 3 工程热力学应用实例 4 研究内容和方法
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
medium, working substance moving boundary work cycle
3、容积变化功 4、循环
一次能源 (天然存在)
光 电 转 换
风 车
水 水 轮 车 机
燃 烧
热
热机 机 械 能 发 电 机 电 电 动 机 能
能
90%
二次能源
直接利用
工程热力学与节能
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转换规律 的科学
建立节能的理论基础
能源energy sources的资源
2000.12.30《世界能源报道》
汽 器
给水泵
燃气装置基本特点
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)
废 气
燃烧室
压 气 机 空 气
燃 气 轮 机
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)
4、化学热力学基础
工程热力学研究方法
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
特点：可靠，普遍，不能任意推广
经典 （宏观,平衡）热力学 classical (macroscopic, equilibrium)
√
工程热力学研究方法
2、微观方法：从微观粒子的运动及相互作 用角度研究热现象及规律 特点：揭示本质，模型近似