热工基础__张学学_第二版_高等教育出版社

绪论1.能量0-1能量与能源能量是物质运动的度量。能量是人类社会进步的动力。世界是由物质构成的，一切物质都处于运动状态，所以一切物质都具有能量。能量的主要形式:机械能：物质分子热运动动能与位能之和，即不涉及化学变化和核反应的热力学能，也称为内热能；电能化学能核能辐射能:物体的动能与势能；热能：与电荷的运动和积蓄有关的能量；：通过化学反应释放的能量；：通过核反应释放的能量；：物体以电磁波的形式发射的能量。2.能源能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源。（1）能源分类1）按开发利用的情况：常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能、核聚变燃料等。2）按开发的步骤：一次能源:煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等。二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等。3）按能否再生：可再生能源：水能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等；非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。4）按开发利用过程中对环境的污染情况：清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；非清洁能源：煤、石油、天然气等。（2）能源对人类社会发展的重要意义能源是人类社会生存的基础，能源的开发和利用是人类社会发展的动力，能源开发和利用水平是人类社会文明的重要标志之一。能源问题是全世界关注的重大问题，从20世纪70年代起，就被列入世界5大问题之一。全世界关注的5大问题：1）能源2）人口3）粮食4）环境5）资源能源建设也是我国四化建设的战略重点之一。（3）我国能源利用的现状及主要问题正常情况下，每个国家能源消费总量及增长速度与其国民经济总产值及增长速度成正比，而能源的人均消费量的多少则反映国民生活水平的高低。1）人均储备量少，远低于世界平均水平原煤：95吨/人（世界人均209吨/人）；原油：3吨/人（世界人均28吨/人）；天然气：1416m3/人（世界人均28400m3/人）。我国能源利用现状及存在的主要问题：我国大陆地区年总发电量2.5亿千瓦，人均0.2千瓦/（人·年）；台湾地区人均1.0千瓦/（人·年）；欧、美、日本等发达国家6千瓦/人·年）。我国的人均能源消费水平低，并且远低于世界发达国家的水平：人均能源消费水平2）能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重我国能源的终端利用效率为32％～33％；发达国家能源的终端利用效率大于42％。我国每万元GDP的能耗是日本的6倍、美国的3倍、韩国的4.5倍。我国单位产品的能耗平均比发达国家高40％左右。中国与日本工业能耗比较00.511.522.533.5吨煤/吨钢吨煤/吨合成氨总利用率中国日本中国发电的平均耗煤量010020030040050060019601970198019911997中国世界先进g/(kW.h)3）环境污染严重工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标；48个大中城市空气中的SO2浓度超标；82%城市出现过酸雨；我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占世界总排放量的13.6%。据世界银行报导，我国城市空气污染对人体健康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使农作物减产每年损失达50亿美元。我国的能源建设要走可持续发展的道路，必须两条腿走路：（1）合理利用能源，提高能源利用率。主要途径就是改造或更新技术落后的能源利用终端设备；（2）大力开发对环境无污染或污染很小的新能源，如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等。3.能量的转换与利用能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。氢、酒精等二次能源燃料电池电能机械能辐射能热能风能、水能、海洋能机械机械能直接利用发电机煤、石油、天然气热能热机直接利用核能核反应太阳能光合作用生物质能燃烧食物利用集热器光电池90％燃烧据统计，目前通过热能形式利用的能源在我国占总能源利用的90％以上，世界其它各国平均也超过85％。由此可见，在能量转换与利用过程中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。热能利用的基本方式（1）热利用：烧饭、采暖、烘干、熔炼等；（2）动力利用：通过热机将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有1％2％，现代燃气轮机装置的热效率大约只有37％42％，蒸汽电站的热效率也只有40％左右。因此，如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的热效率，是十分重要的课题。0-2热工基础的研究内容热工基础（热工理论基础）工程热力学篇传热学篇主要研究内容：热工基础主要研究热能利用的基本规律以及热能利用过程及自然界所有热现象中热量传递的基本规律。1.工程热力学的研究内容与研究方法（1）研究内容工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技术措施。（举例）（2）研究方法工程热力学采用经典热力学的宏观研究方法，还普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法。（举例说明）热机工作过程示意图高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源锅炉汽轮机冷凝器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机如何提高热机的热能利用率（热效率）是工程热力学的主要研究内容之一。2.传热学的研究内容与研究方法（1）研究内容传热学主要研究热量传递的规律。所谓热量，是指在温差的作用下传递的热能的数量。由于在人们的日常生活和生产实践中温差几乎无处不在，所以热量传递是普遍存在的物理现象。一切热能利用过程都离不开传热，热能利用率和传热过程密切相关。传热学的应用非常广泛，传热学知识在能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、低温工程、环境与建筑等工业领域以及在许多高科技领域都发挥着极其重要的作用。如电子信息工程、航空航天、医学和生命科学等。（举例）（2）研究方法传热学主要采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的研究方法。热工基础课程的学习主要有两个目的（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间相互转换的规律及提高转换经济性的方法和技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。热工基础是现代工程技术人才必备的技术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组成部分。除了能源、动力类专业学生必须进一步深入学习工程热力学与传热学之外，热工基础课程应该是机械类、交通运输类、航空航天类、武器类、土建类、材料类、化工与制药类、轻工纺织食品类、环境与安全类等各类专业大学本科生必修的一门技术基础课。热工基础课程在人才培养中的地位与作用第一篇工程热力学第一章基本概念1-1热机、工质、热源与热力系统热机：能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发动机等。工质：实现热能和机械能之间转换的媒介物质。热源：本身热容量很大，且在放出或吸收有限量热量时自身温度及其它热力学参数没有明显变化的物体。例如空气、燃气、水蒸气等。例如锅炉、循环水池、大气等。提供热量的热源称为高温热源；吸收热量的热源称为低温热源。热力系统：在工程热力学中，通常选取一定的工质或空间作为研究的对象，称之为热力系统，简称系统。系统以外的物体称为外界或环境。系统与外界之间的分界面称为边界。边界闭口系统（1）闭口系统与外界无物质交换的系统。系统的质量始终保持恒定，也称为控制质量系统。外界（2）开口系统与外界有物质交换的系统。系统的容积始终保持不变，也称为控制容积系统。进口出口（3）绝热系统与外界没有热量交换的系统。（4）孤立系统与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。1-2平衡状态及基本状态参数1.平衡状态（1）状态（热力状态）系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为系统的热力状态，简称状态。（2）平衡状态系统内部各处的宏观性质均匀一致、不随时间而变化的状态称为平衡状态。系统内部不存在热量传递，即各处的温度均匀一致的状态称为热平衡状态。（4）非平衡状态系统内部存在不平衡势（温差或压差），因此存在能量或质量传递的宏观物理状况。非平衡状态不能用状态参数来描写。状态参数的特点：（3）状态参数用于描述系统平衡状态的物理量称为状态参数，如温度、压力、比体积等。状态确定，状态参数的数值也确定，反之亦然。2.基本状态参数工程热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测量的状态参数有压力、温度、比体积，称为基本状态参数。（1）压力单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）FpA单位:Pa（帕），1Pa=1N/m2，1MPa=103kPa=106Pa常用非SI压力单位：1bar（巴）=105Pa1atm（标准大气压）=1.013105Pa1at（工程大气压）=0.981105Pa1mmH2O（毫米水柱）=9.81Pa1mmHg（毫米汞柱）=133.3Pa压力测量：绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pvpppbe=+ppp=-bv只有绝对压力p才是状态参数。（2）温度温度是反映物体冷热程度的物理量。温度的高低反映物体内部微观粒子热运动的强弱。当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到热平衡（即温度相等）。所以温度是热平衡的判据。1）温度的物理意义温度相等热平衡2）热力学第零定律：如果两个物体中的每一个都分别与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必处于热平衡。热力学第零定律是温度测量的理论依据。ABC3）温标：温度的数值表示法。建立温标的三个要素：a.选择温度的固定点，规定其数值；b.确定温度标尺的分度方法和单位；c.选择某随温度变化的物性作为温度测量的依据。摄氏温标:在标准大气压下，纯水的冰点温度为0℃，纯水的沸点温度为100℃，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01℃。瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius）于1742年建立。用摄氏温标确定的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位为℃。选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随温度线性变化，并将0～100℃温度下的体积差均分成100份，每份对应1℃。用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符号T表示，单位为K（开）。热力学温标（绝对温标）:英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定律基础上建立，也称开尔文温标。热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。热力学温标与摄氏温标的关系：温差:1K=1℃t=T–273.15K国际单位制（SI）采用热力学温度T作为基本状态参数。4)温度的测量a.接触式水银温度计、酒精温度计热电偶、电阻温度计等。b.非接触式光学辐射高温计激光全息干涉仪CARS（相干反斯托克斯喇曼光谱）法（3）比体积定义：单位质量的工质所占有的体积，用符号v表示，单位为m3/kg。Vvm密度：1v单位体积工质的质量，用符号表示，单位为kg/m3。比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数。1-3状态方程与状态参数坐标图（1）状态公理对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数（如p、v，p、T或v、T）便可确定它的平衡状态。（2）状态方程式表示状态参数之间关系的方程式称为状态方程式。如：(,)pfvT,,0FpvT(,)TfpvpvRT（3）状态参数坐标图在以两个独立状态参数为坐标的平面坐标图上，每一点都代表一个平衡状态。以独立状态参数为坐标的坐标图。1-4准平衡过程和可逆过程（1）热力过程系统由一个状态到达另一个状态的变化过程。（2）准平衡过程（准静态过程）所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态的过程。在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近似地用连续的实线表示。在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行较慢、