工程热力学教案1(05版)

教案课程名称：工程热力学所在单位：动力与能源工程学院课程性质：专业基础课授课学时：64学时（8学时实验）授课专业：热能与动力工程，核工程与核技术，轮机工程授课学期：第3（或4）学期教学基本进度教学学时主要教学内容说明1～2绪论，热能和机械能相互转换的过程，热力系统，工质的热力学状态及其基本状态参数授课3～4平衡状态、状态方程式、坐标图，工质的状态变化过程，过程功和热量，热力循环授课5～6热力学第一定律的实质，热力学能和总能，能量的传递和转化授课7～8焓，热力学第一定律的基本能量方程式授课9～10开口系统能量方程式，能量方程式的应用授课11～12理想气体的概念，理想气体的比热容授课13～14理想气体的热力学能、焓和熵，水蒸气的饱和状态和相图；授课15～16水的汽化过程和临界点；水和水蒸气的状态参数；水蒸气表和图授课17～18理想气体的可逆多变过程；定容过程；定压过程；定温过程授课19～20绝热过程；理想气体热力过程综合分析；水蒸气的基本过程授课21～22热力学第二定律；卡诺循环和多热源可逆循环分析；卡诺定理授课23～24熵、热力学第二定律的数学表达式；熵方程授课25～26孤立系统熵增原理授课27～28火用参数的基本概念、热量用；习题课授课29～30稳定流动的基本方程式；促使流速改变的条件；授课31～32喷管的计算；授课33～34有摩阻的绝热流动；绝热节流，习题课授课35～36单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量；余隙容积的影响授课37～38多级压缩和级间冷却。叶轮式压气机的工作原理。授课39～40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(1)授课41～42活塞式内燃机的理想循环(2)；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较授课43～44燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环授课45～46简单蒸汽动力装置循环-——朗肯循环授课47～48蒸汽动力装置再热循环；回热循环，习题课授课49～50概述；压缩空气制冷循环；压缩蒸汽制冷循环；热泵循环授课51～52理想气体混合物；理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵授课53～54湿空气；湿空气的状态参数；湿球温度和绝热饱和温度；湿空气焓-湿图；湿空气过程及其应用授课55～56总结，机动授课57～58工程热力学实验实验59～60工程热力学实验实验61～62工程热力学实验实验63～64工程热力学实验实验教材：沈维道，蒋志敏，童钧耕合编.工程热力学（第四版）北京：高等教育出版社，2001严家騄，余晓福著.水和水蒸汽热力性质图表.北京：高等教育出版社，1995主要参考资料：曾丹苓，敖越，朱克雄等编.工程热力学（第二版）北京：高等教育出版社，1986朱明善，林兆庄，刘颖等.工程热力学.北京：.清华大学出版社.1995严家騄编著.工程热力学（第二版）.北京：高等教育出版社，1989朱明善，陈宏芳.热力学分析.北京：高等教育出版社，1992赵冠春，钱立仑.火用分析及其应用.北京：高等教育出版社，19841绪论（课时1）一、为什么学习“工程热力学”热力学与专业培养目标的联系，说明学习工程热力学对本学科的重要性。二、能量能量的形式：燃烧光热转换热机利用发电机聚变裂变电动机风车水轮机光电转换化学能热能太阳能热能机械能地热能热能电能原子能热能风能机械能水力能机械能太阳能燃料电池直接应用电能化学能电能由能量的形式，人类面临的能源形式说明工程热力学对于动力工程的重要性。三、工程热力学的主要内容热力学基本概念；热力学第一定律；气体和蒸汽的性质和基本热力过程；热力学第二定律；实际气体性质简介；气体和蒸汽的流动；压气机的热力过程；气体动力循环；蒸汽动力装置循环；制冷循环；理想气体混合物及湿空气；化学热力学基础。四、热力学的研究方法1.宏观的研究方法（宏观热力学；经典热力学）2.微观的研究方法（微观热力学；统计热力学）工程热力学主要应用宏观的研究方法，但有时也引用气体分子运动理论和统计热力学的基本观点及研究成果。五、怎样学好工程热力学强调到课率和作业的重要性。要求作业及时完成，不等不拖，说明考核方式。2第1章基本概念及定义（课时2）一、基本要求1.掌握工程热力学中的一些基本概念（热力系，平衡态，准平衡过程，可逆过程）；2.掌握状态参数的特征，基本状态参数的定义和单位；3.掌握热量和功量过程量的特征，正确理解并运用可逆过程的热量、功量的计算。二、本章重点和难点1.必须正确理解一些重要的概念：平衡状态，准平衡过程，可逆过程；2.区分状态量和过程量的特征。1.1热能在热机中转变成机械能的过程热能动力装置蒸汽动力装置内燃机燃气动力装置燃气轮机制冷空调引出几个定义：工质——实现热能和机械能相互转换的媒介物质（workingsubstance）；高温热源——工质从中吸取热能的物质；低温热源——接受工质排出热源的物质；总结热能动力装置的工作特点（体现工程热力学的研究方法）1.2热力系统一、热力系统1.热力系的定义和图例：热力学中把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它与周围物体之间的能量和物质的传递，这种被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。热力系统边界外界边界热力系统能源做功媒介物质排入大气或冷却水能量转移余能锅炉汽轮机冷凝器泵过热器Q1Q2W32.热力系的分类闭口系统开口系统绝热系统孤立系统（1）结合思考题1：闭口系与外界物物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗（开口系中的质量是否就一定是变化的）？注意区分开口系与闭口系的主要因素为：区分是闭口系统还是开口系统的依据是有没有质量跨越系统的边界，而不是系统中质量的数量是否变化。（2）“绝热”的概念：由于温差而传递的能量（3）孤立系的取法与意图，在此处阐明孤立系是一个理想化的概念。是为了研究问题的方便，用一个假想的边界，把进行能量转换的一切有关物体都包括进来构成一个孤立系统。（强调）孤立系统内部各子系统之间可以有各种相互作用，而孤立系统与外界之间则无任何相互作用。（以利于第5章孤立系熵增的理解）。3.热力系的选取二、边界（Boundary/Controlsurface）系统与外界的分界面说明：a.边界可以是实际的，也可以是假定的；b.边界可以是固定的，也可以是移动的。三、外界（Surrounding）以例子说明研究外界的作用。为热力系分析打基础。四、热力系统模型实例以换热器和高压锅中的热力传递为例，说明如何选好热力系。1.3工质的热力学状态及其基本状态参数一、热力学状态1.热力学状态热力学状态的定义2.状态参数及其性质○1状态参数○2状态参数的性质冷流体热流体124状态参数是热力系统状态的单值函数，它的值取决于给定的状态，而与如何达到这一状态的途径无关。状态参数的这一特性表现在数学上是点函数，其微分差是全微分，而全微分沿闭合路线的积分等于0。即2211210,dXdXXXX○3状态参数的分类pTVUHS可直接用仪器测量，可测参数，基本状态参数；通过热力学方法由基本参数推导而来，不可测参数。强度量——压力和温度这两个参数与系统质量的多少无关，称为强度量；广延量——体积V、热力学能U、焓H、熵S等与系统质量成正比，具有可加性，称作广延量。注：热力学的广延量用大写字母表示，其比参数（单位质量的体积v、热力学能u、焓h、熵s）用小写字母表示。（通过对量的代数形式的定义，引导学生在科学研究中尊重术语）二、温度物理意义○1宏观：温度是物体冷热程度的标志。在此处插入热力学第零定律，使热力学体系更加完善。○2微观温度是物质微粒热运动激烈程度的标志。○3测量温度是利用温度计来测量的。结合思考题，说明温度计的测温原理：（思考题5）○4温标温标——温度的数值表示法。不同温标之间的关系：物体A热物体B冷物体A热平衡物体B热平衡物体A物体B物体C物体A热平衡物体B热平衡物体C热平衡511221122iisisitttttttt可推出两种温标之间的关系。几种类型的温度计及其测量属性温度计测温属性气体温度计液体温度计电阻温度计热电偶磁温度计光学温度计压力或体积体积电阻热电动势磁化率辐射强度例1－1：铂金丝的电阻在冰点时为10.000Ω，在水的冰点时为14.247Ω，在硫的沸点（446℃）时为27.887Ω，试求出温度t/℃和电阻R/Ω的关系式201RRAtBt中的常数A、B、R0的数值。结合（思考题6）说明经验温标的缺点，引出热力学温标。热力学温标。摄氏温度与热力学温度的关系273.15tTK三、压力1.压力的定义2.压力的测量。通过测压元件的图例和工作情况说明压力计所测得的压力是工质的真实压力（或称绝对压力）与环境介质压力之差，叫做表压力或真空度。（理解思考题4）；对压力元件所处环境的说明：（习题1-8）3.压力单位：Pa1Pa＝1N/m21MPa＝106Pa1atm＝101325Pa,1at＝98066.5Pa，1mmHg＝133.3224Pa，1mmH2O＝9.80665Pa例1－2：测得容器内气体的表压力为0.25MPa，当地大气压为755mmHg，求容器内气体的绝对压力，并分别用MPa，bar，atm，at表示。ppbpeppbpv00pbpvpppv6四、比体积和密度比体积、密度注意：1v，因此它们不是相互独立的参数，可以任意选用其中之一，工程热力学中通常用v作为独立参数。1.4平衡状态、状态方程式、坐标图（课时3、4）一、平衡状态通过状态的分类引出热力学的三个研究层次，使学生认识到热力学虽然是一门有上百年的历史的学科，但其依然充满活力，增加研究兴趣1平衡状态的定义说明：1不受外界影响是指与外界既没有能量交换，也没有物质交换，但重力场的影响除外；2始终保持不变，是指系统参数不随时间变化；平衡包括3热平衡，组成热力系统的各部分之间没有热量的传递；4力平衡，各部分之间没有相对位移，系统就处于力的平衡。5化学平衡，没有化学反应6相平衡：没有相的迁移。实现平衡状态的充要条件：只有在系统内或系统与外界之间一切不平衡势差都不存在时。2稳定状态。内燃机、压气机在稳定状态时，工质状态的周期性规律不随时间而变。说明在对此类热力设备进行研究时应视之为稳定系统换热器在设计工况下工作时各点状态也不随时间而变。说明：1.稳定状态的特征，各状态点或各点状态的周期性变化规律不随时间而变；2.各点状态可能不同，即系统内部的状态可能并不均匀。稳定状态与平衡状态是不同的概念区别：稳定状态仅仅强调不随时间而变，并不强调这种不随时间而变的条件。平衡状态既强调不随时间而变，也强调不随时间而变的条件，即在不受外界影响的条件下。THTL铜棒气相液相T,p,u’,h’,s’T,p,u,h,s73均匀状态。（平衡是相对于时间而言的，均匀是相对于空间而言的。）以例子说明如何区分平衡与稳定，平衡与均匀两种概念。例1.3铜棒的一端与高温热源HT接触，另一端与低温热源LT接触，其表面与外界绝缘，如图。经历较长时间后，铜棒内各截面的温度不再随时间变化，试问铜棒是否处于平衡状态？说明：由此例可见要注意区分稳定与平衡两种不同的概念。稳定状态时状态参数虽不随时间变化，但它是靠外界影响来维持的。平衡状态是不受外界影响时参数不随时间变化的状态，两者有所区别，但又有联系——平衡必稳定，稳定未必平衡。例1.4一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，他们的温度和压力分别相等，不随时间而变化，试问汽水混合物是否已处于平衡状态。说明：本例说明，处于热力平衡状态的系统内部各种参数未必都是均匀的，即均匀必平衡，平衡未必均匀。当然对于单相物质组成的系统，均匀必平衡，平衡也必均匀。判断题：均匀必平衡，平衡也必均匀。有前提条件：对于单相物系，