1_高等工程热力学
高等工程热力学
高等工程热力学引言高等工程热力学是一门研究能量转化与传递的学科，通过分析和理解热力学原理与过程，可以为工程领域的能量效率提供指导和优化措施。
本文将介绍高等工程热力学的基本概念、热力学循环、热力学性质等内容。
基本概念热力学是研究能量转化和传递的学科，它主要研究系统的状态、变化和与外界的相互作用。
热力学系统可以是一个物体、一个系统或者一个过程。
在高等工程热力学中，我们通常关注能量转换设备和过程。
热力学基本概念包括系统、界面、状态、过程、热平衡等。
系统是我们研究的对象，它可以是一个封闭系统或开放系统。
界面是系统和外界之间的边界，通过界面可以实现能量和物质的交换。
状态是系统的一组特征参数，可以用来描述系统的特性。
过程是系统从一个状态到另一个状态的变化。
热平衡是指系统内部各部分之间没有温度差异，达到热平衡状态。
热力学循环热力学循环是指在一定条件下，系统经历一系列状态变化，并回到起始状态的过程。
常见的热力学循环包括卡诺循环、布雷顿循环、朗肯循环等。
卡诺循环是一个理想的热力学循环，它由两个绝热过程和两个等温过程组成。
布雷顿循环是蒸汽动力机进行的热力学循环，它由四个过程组成：膨胀过程、冷凝过程、液相过程和加热过程。
朗肯循环是内燃机进行的热力学循环，它由四个过程组成：压缩过程、燃烧过程、膨胀过程和排气过程。
热力学循环中的能量转化和效率是很重要的指标。
根据热力学第一定律，能量在循环中是守恒的，因此循环中的能量输入和输出需要平衡。
热力学循环的效率可以通过功率输出与热源消耗的比值来度量，有效提高热力学循环的效率是工程热力学的关键研究方向之一。
热力学性质热力学性质是描述物质状态和性能的物理量，常见的热力学性质包括温度、压力、体积、摩尔数、内能、焓、熵等。
温度是描述物体热平衡状态的物理量，它决定了热能的传递方向和速率。
压力是物质对于边界的作用力，它与物质的分子间相互作用力有关。
体积是物质所占据的空间大小。
摩尔数是单位物质中的分子或原子数目。
高等工程热力学教案
高等工程热力学教案一、教学目标1.掌握高等工程热力学的基本概念和基本原理。
2.理解热力学系统和热力学过程的基本特征。
3.掌握热力学第一定律和第二定律的表述和应用方法。
4.能够应用热力学知识解决实际工程问题。
二、教学内容1.高等工程热力学简介(1)高等工程热力学的定义和研究对象。
(2)热力学系统的基本概念和分类。
(3)热力学平衡和非平衡态。
2.热力学基本概念和基本原理(1)热力学过程和过程的分类。
(2)内能和焓的概念及其性质。
(3)热力学第一定律的表述和应用。
(4)克拉珀龙方程和基尔霍夫循环定理。
3.熵和热力学第二定律(1)熵的引入和熵增定理。
(2)热力学第二定律的表述和应用。
(3)熵的计算方法和热力学性能的描述。
4.理想气体和理想气体混合物的热力学性质(1)理想气体状态方程和气体定律。
(2)理想气体的内能、焓和熵的计算方法。
(3)理想气体混合物的理论计算方法。
5.热力学循环和工质使用(1)热力学循环的分类和性能参数。
(2)理想循环和实际循环。
(3)工质选择和工质性能参数。
三、教学方法1.理论讲授：通过课堂讲解，将高等工程热力学的基本概念、基本原理和应用方法传授给学生。
2.实例分析：提供一些实际工程问题，并引导学生应用热力学知识解决问题，加强实际应用能力的培养。
3.讨论引导：组织学生开展小组讨论，让学生在讨论中相互启发，共同思考和解决问题。
四、教学工具1.讲义和教材：准备高等工程热力学的讲义和教学参考教材，便于学生学习和复习。
2.多媒体设备：利用多媒体设备播放示意图、实验视频等，直观地展示热力学原理和实验过程。
3.计算工具：提供计算软件或计算器，方便学生进行数值计算。
五、教学过程1.导入：通过提问和讲解，引入高等工程热力学的概念和研究对象。
2.知识讲解：逐步讲解热力学的基本概念、基本原理和应用方法。
3.实例分析：提供一些实际工程问题，引导学生应用热力学知识解决问题。
4.小组讨论：组织学生进行小组讨论，让学生相互启发、共同思考和解决问题。
高等工程热力学_1_绪论
8
Applications for many domains
Environmental Entropy Information Entropy Numerical Entropy Economic Entropy Biological Entropy Social Entropy
为什么是第零定律？
第零定律是在第一和第二定律出现后才发现的，并且， 他解释了比第一和第二定律更要的事情，所以称之为 第零定律
如果能灵活运用上述三个定律，就可以完全掌握 热力学
H.-C. Zhang (张昊春） zhc5@ Advanced Engineering Thermodynamics
…
H.-C. Zhang (张昊春）
zhc5@
Advanced Engineering Thermodynamics
15
15条创新标准：
1.
2. 3. 4.
5. 6. 7. 8.
第一次用书面文字的形式把新信息的主要部分记录 下来； 继续前人做出的独创性工作； 进行导师设计的独创性工作； 在即使并非独创性的研究工作中，提出一个独创性 的方法，视角或结果； 含有其他研究生提出的独创性观点、方法和解释； 在证明他人的观点中表现出独创性； 进行前人尚未做过的实证性研究工作； 首次对某一问题进行综合性表述；
H.-C. Zhang (张昊春） zhc5@ Advanced Engineering Thermodynamics
14
我们目前应该遵循的几条基本物理定律
1. 2. 3. 4. 5.
质量守恒定律； 牛顿第二定律; 热力学第一定律； 热力学第二定律； 传热、传质定律；
高等工程热力学
高等工程热力学介绍热力学是研究能量转化和热效应的科学。
而高等工程热力学则是在原有的基础上针对工程领域的应用进行深入研究的学科。
本文将介绍高等工程热力学的基本概念、原理和应用，以及相关的一些实例。
热力学基本概念热力学的基本概念有热力学系统、热力学过程、热力学性质等。
一个热力学系统是指进行能量交换的物理系统，可以是封闭系统、开放系统或者孤立系统。
热力学过程是指系统从一种状态变换到另一种状态的过程，可以是等温过程、绝热过程、等压过程等。
热力学性质是指描述热力学系统的特性，比如温度、压力、体积等。
热力学原理高等工程热力学基于热力学原理进行研究。
其中，热力学第一定律是能量守恒原理，它表明能量不能被创造或者毁灭，只能从一种形式转换为另一种形式。
热力学第二定律是能量传递的方向性原理，它表明热量自然地从高温物体流向低温物体，而不会反向流动。
熵增原理是热力学第二定律的数学表述，它描述了系统熵的增加趋势。
熵是一个衡量系统有序程度的指标，它的增加代表了能量的不可逆损失。
高等工程热力学应用高等工程热力学的应用十分广泛，涉及到多个工程领域。
以下是一些常见的应用实例：热力学循环分析高等工程热力学经常用于分析热力学循环，如蒸汽动力循环、制冷循环等。
通过对循环中各个组成部分的能量转换和损失进行研究，可以优化循环的效率和性能。
热传导计算在工程中，热传导是一个重要的问题。
高等工程热力学可以通过研究热传导的原理和机制，优化工程中的热传导问题，提高热传导的效率。
热力学系统优化通过对热力学系统进行优化设计，可以提高能量转换效率，降低能量消耗。
高等工程热力学可以通过分析系统的热力学性质，找到最优化的设计方案。
新能源开发高等工程热力学也可以应用于新能源的开发。
通过对新能源的高温特性、热力学性质进行研究，可以优化新能源的利用方式，提高能源利用效率。
结论高等工程热力学是热力学在工程领域中的应用和发展。
它通过研究热力学原理和原理的应用，优化工程中的能量转换和热效应问题。
《高等工程热力学》课程教学大纲
《高等工程热力学》课程教学大纲课程编号：学分： 3 总学时：54大纲执笔人：杜爱民大纲审核人：一、课程性质与目的二、课程基本要求三、课程基本内容大纲内容及学时分配：第一章绪论（4学时）高等工程热力学课程的背景知识、热力学的发展史；介绍课程性质、课程主要内容、课程的基本要求等，复习基本概念。
第二章温度与热力学第零定律（4学时）温度测量与温标概念，热力学第零定律与国际温标（ITS-90）。
第三章热力学第一定律（4学时）热力学基本概念、热力学第一定律、系统的能量的概念、热力学第一定律的应用。
第四章热力学第二定律与熵（4学时）卡诺原理、热力学第二定律、热力学温标与熵、孤立系统熵增原理、能量贬值原理、极值原理、亥姆霍兹函数与吉布斯函数。
第五章火用与能量分析（6学时）火用与能、能分析与火用分析、热量火用与冷量火用、稳流工质的物理火用与焓火用第六章纯净流体的热力学性质（4学时）热力学曲面与相图、流体的比体积、维里方程、三次型状态方程、其他状态方程、压缩因子的通用化关联、固定组元物质的热力学微分关系式、热力学微分关系式的推导方法、纯净流体热力性质的计算。
第七章均匀混合物系的热力性质（4学时）变组元均匀混合物系的热力学基本关系式、气体混合物的热力性质、混合物中组元的逸度和逸度系数、液体混合物的热力性质、理想溶液、非理想溶液、活度与活度系数、二元混合物的相依性、浓溶液与稀溶液、混合过程热力参数的变化第八章多元系的相平衡（自学）相平衡概述、二元互溶系气液平衡相图。
第九章化学热力学基础（8学时）热力学第一定律应用于化学反应、化学平衡、反应平衡时理想气体的热容、多个反应的平衡、燃料的化学火用，、燃料电池、热力学第三定律等考试（2学时）四、实验或上机内容五、前修课程要求六、学时分配七、教材与主要参考书。
高等工程热力学 第一讲-温标 功、热、熵的微观释疑PPT课件
QL TL QH TH
第2节 温标
如果卡诺热机中的工质用理想气体，分析计算可得与上
式相同的表达式。证明，上式 TL， ，TH就是理想气体温
标决定的温度。所以，热力学温标与理想气体温标是完 全一样的，只是在测温时，前者不局限于理想气体。
为什么选择水的三相点为273.16K？
理由 1. 大量实验表明，沸点和冰点的稳定性和复现性 都没有三相点好。
理想气体温标
由查理定律，在V不变时，定量气体的压力p与温度pt)
（下标0表示在0 ℃ 的值， 称p为压力系数） 实的V验中表装明有：的不m同不性一质样的，气体，也p有不p差一别样。，同一气体不变
第2节 温标
大量实验发现一个规律，不论什么气体，当m不断减少， 直线在横轴上的交点收敛于－273.15℃。
指针偏转 弧光灯 灵敏电流计
光电效应 光子
锌板
铜网
高压电源 紫光照射时电流计指针发生偏转
第1 节 能量的量子化特征
第1 节 能量的量子化特征
光电效应的规律
1、任何一种金属，都存在极限频率 0，只有当入射 光 ， 才0能发生光电效应；
2、光电子的最大初动能E与入射光强度无关，只随
入射光频率的增大而增大 ； 3、光电效应的发生几乎是瞬时的； 4、光电流随入射光强度的增大而增大。
普朗克 爱因斯坦
E h
第2节 能量的量子理论
光子说
爱因斯坦在1905年提出， 在空间中传播的光也不是连续 的，而是一份一份的，每一份 叫做一个光量子，简称光子。
光子的能量和频率成正比：
E h
第2节 能量的量子理论
爱因斯坦光电效应方程
1、逸出功： W
2、爱因斯坦光电效应方程：
高等工程热力学第1章
一、准平衡（静态）过程
随时都不显著偏离平衡状态的过程。
条件：过程进行得相对缓慢； 促使变化的势差相对较小； 工质能恢复平衡。 准平衡过程中，物系随时处于完全平衡中，因而状 态变化的轨迹可用热力性质图上的过程曲线表示。
17
二 、可逆过程
当物系完成了某一过程之后能沿相同的路径逆行而回复 到原来状态，并使过程中所涉及到的外界亦回复到原来状 态，而不留下任何改变的过程。 可逆过程与准静态过程的关系
红线内 ——闭口绝热系
黄线内（不包含电热丝） ——闭口系
绿线内（包含电热丝） ——闭口绝热系 兰线内 ——孤立系
30
☻ 刚性绝热喷管
☻ A、B两部落“鸡、犬 之声相闻，民至老死不 相往来”
A
B
取红线为系统—
闭口系 取喷管为系统— 开口系绝热系? A部落为系统 —闭口系 A+B部落为系统
—孤立系
31
稳定平衡
不稳定平衡
随遇平衡
亚稳定平衡
如何判别系统是否处于稳定平衡状态？ 已处于平衡态的物系的状态不会改变，熵达最大。
假想系统偏离原有状态发生“虚变化”，设S = f (x)，
按泰勒级数展开
14
高价无穷小
dS 1 d 2S 2 + ΔS = δx + (δ x ) dx 2! dx2 1 ΔS - δS = δ2 S + 2
dS ≥
对于简单可压缩系
δQ
Tr
外界热源温度
dS ≥
d U + δW
Tr
T为常数，热平衡
dS ≥
dU + δW
T
T=Tr
移项整理
10
dU - d(TS ) = d(U - TS ) ≤ -δW
高等工程热力学(研究生学习)
温度与热力学第零定律
热力学温标与其它温标
热力学温标只 需要定义一个 温度的量值， 其它温度值就 全部确定了。 1854年，开尔 文提议将水的 三相点温度定 义为273.16 K， 1954年第十届 国际计量大会 正式采纳。
K 水沸点 373.1243
°C 99.9743
°F 211.95
水三相点
冰点
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
温度与热力学第零定律
温
标
为了给温度的测量赋予一定数值，必须科 学地建立起一套规则，把不同的温度指定 不同的数值,这就是所谓的温标。 华氏温标：(氯化铵)盐水混合物的冰点温度 为0℉，人体温度为100℉； 摄氏温标：将1个标准大气压下水的冰点和 蒸气点之间的温度等分为100℃，并以冰点 作为0℃。
温度的意义
温度的热力学定义：决定一个系统是否 与其它系统处于热平衡的宏观性质。处 于热平衡的各系统温度相同。 温度的热力学定义提供了温度测量的依 据，即被测物体与温度计处于热平衡时， 就可以从温度计的读数确定被测物体的 温度值。
温度与热力学第零定律
温度测量和温度计
温度计测温原 理：当一个物 体的温度改变 时，物体的其 它性质也将随 之发生变化， 可根据这些变 化性质中的某 些参数测量物 体的温度，指 明温度的数值。
A p dx
dwre F dx p A dx p dV
pb
wre pdV
1
2
⑤ 在准静态可逆过程时，对外做功由系统内部参数决定的， 不用考虑外界因素。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1920年Noble化学奖得主
高等工程热力学
热力学基本定律的建立
18 世 纪 , Glasgow 的 医 学 和 化 学 教 授 布 莱 克 (Joseph Black, 1728-1799)发现热平衡时物体各部分的温度相等；
高等工程热力学
高等工程热力学
Advanced Engineering Thermodynamics
绪论
机械与储运工程学院 刘强
高等工程热力学
教师简介
2014年1月毕业于清华大学工程热物理专业, 讲师 研究方向: 流体的热物理性质, 可再生能源利用, 电厂节能理论 办公地址: 中油大厦南楼421 电话: 13811443523 Email: qliu@; qliuenergy@ 课件或作业上传至: gdgcrlx107@;密码:gdgcrlx@107
热机效率为最高。奠定了 热力学第二定律的基础
高等工程热力学
热力学基本定律的建立
1842年, 迈尔(Julius Robert Mayer, 1814-1878)首先 提出能量守恒, 认为热运动是能量的一种形式, 可与 机械能相互转化。从空气的定压比热与定容比热之 差, 算出热的功当量。
1840～1850年, 焦耳(James Prescott Joule, 18181889)用多种实验方法测定了“热功当量”, 确定了热
2
高等工程热力学 能源是支撑人类文明进步的物质基础。 能源是国家的重大战略问题。
3
高等工程热力学
风 能 燃
水 能
化 学 能
核 能
地 热 能
料 电 池
风 车
水水 轮车 机
燃 烧
聚裂 变变
热能
太
阳
能
光转 热换
光 电 转
换
机械能
发
电
电
动
机
机
热机
90%
电能
4
酸
雨
SO2
NOx
高等工程热力学
全球变暖 CO2
高等工程热力学
对物质热物理性质的认识
z 1873年, 荷兰人范德瓦耳斯(Johannes Diderik van der Waals, 1837-1923)提出了著名的范德瓦耳斯方程; z 其后的100多年里, 至少有数以千计的状态方程被提出 ; z 1875年, 美国耶鲁大学教授吉布斯(J.W. Gibbs, 18391903)在《论多相物质平衡》论文中提出了“相律”, 拓宽了 热力学的领域, 在十九世纪末导致一门新兴学科⎯物理化 学的诞生
是能量的一种形式。(确立热力学第一定律)
高等工程热力学
热力学基本定律的建立
1849年, 开尔文(Lord Kelvin, 1824-1907)指出卡诺论 证卡诺原理时用的热质说与焦耳的实验结果矛盾 1850年, 克劳修斯(Rudolf Clausius, 1822-1888)协调了 卡诺原理与焦耳实验的矛盾 克劳修斯在1850年、开尔文在1851年各自表述了热力
学第二定律。开尔文根据卡诺定理制定了“热力学温 标”, 提出了“能量贬值原理”。 克劳修斯提出了“转换当量”、1865年被改称为“熵”的 热力学函数。(建立热力学第二定律)
高等工程热力学
热力学基本定律的建立
1906年, 能斯特(Walther Nernst,
1864-1941)提出了一个“热定理”，
化石能源
有机物
粉尘
光化学 重金属
烟雾
PM2.5
5
高等工程热力学
能源的高效利用: 先进能量系统, 余热利用, 能量系 统优化, 节能理论及技术, 储能等。
能源的清洁利用: 碳捕集与储存, 富氧燃烧, 清洁燃 烧, 脱硫脱硝等。
新能源利用: 太阳能, 地热能, 生物质能等
6
高等工程热力学
工程热力学(Engineering Thermodynamics)是一门 研究热能与机械能相互转换规律的科学 。
z 1799年, 戴维(Humphry Davy, 1778-1829)的实验支持了热 是一种运动的说法 。
z-1889)热功当量实 验公布, 奠定热力学第一定律基础, 也使热质说寿终正寝 。
2014-9-16
15
高等工程热力学
2014-9-16
14
高等工程热力学
对温度和热的认识
z 热运动说：热是一种运动的表现形式。
z 培根(Francis Bacon, 1561-1626) 根据摩擦发热、双方温度 都升高, 认为热是物质微小粒子的运动。
z 1798年, 伦福德(Count Rumford, 1753-1814)论文认为制造 枪炮切下的碎硝温度很高, 不断工作高温碎硝也不断产生。 由此推断, 热是运动, 而非热质。
11
高等工程热力学
教学参考书
z 陈宏芳, 杜建华. 高等工程热力学. 清华大学出版社, 2003 z 谢锐生著; 关德相, 李荫亭, 杨岑, 译. 热力学原理. 人民教育出 版社, 1981 z 苏长荪. 高等工程热力学. 高等教育出版社, 1987 z 童景山. 流体的热物理性质. 中国石化出版社, 1996 z Adrian Bejan. Advanced Engineering Thermodynamics, 3rd, Wiley, 2006 z Dilip Kondepudi, Ilya Prigogine. Modern Thermodynamics. Wiley, 1998
1868年, 麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)定 义了一个物体的温度是根据它与其它物体达到热平衡 而表现出的热性能。表述为: 两个物体的温度分别与第 三个物体的温度相等, 则这两个物体的温度彼此也必然 相等。 1931年被尊称为热力学第零定律，以确认科学地建立 温标的重要性。(建立热力学第零定律)
12
高等工程热力学
对温度和热的认识
z 火：区别于动物的开始, 利用热能的第一步；
z 400年前, 仍缺乏对温度和热量的科学认识 ；
z 量热学的诞生
¾ 16世纪末, 伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)制造了第一 支温度计(开放式液体温度计), 空气受热膨胀
¾ 斐迪南II(Grossherzog Ferdinand II)于1654年用酒精装在 玻璃管里制造了第一支封闭式温度计
¾ 1714年华氏(D. Fahrenheit, 1686-1736)和1742年摄氏(A. Celsius, 1704-1744)各自选定了温标以后, 温度测量才有了 公认的标准，发展了量热技术。
2014-9-16
13
高等工程热力学
对温度和热的认识
z 热量的本质
¾ 热质说(caloric theory of heat)：热是没有质量的流质(“热 质”)，从温度高的物体流向温度低的物体，在传递过程中 热质总量不变，物体的温度是物体储存“热质”多少的表示
z 热力学基本定律的综合理解与应用; z 复杂能量系统的分析; z 热力系统的描述方法; z 系统的稳定与平衡; z 工质实际热物理性质的表征及计算方法。
虽名为《高等工程热力学》,其实只是深邃的热力学入门
8
高等工程热力学
高等工程热力学的教学内容
z 在《工程热力学》基础上, 深化基本概念和热力学基础定律, 强化热力学研究方法和思维方法, 明确研究范畴和应用对象 ; z 能量系统的热力学分析方法, 能量的梯级利用, 节能理论; z 纯净流体的状态方程及热力性质的计算; z 基于热力学一般关系式认识均相系物质的热力学平衡性质, 利 用平衡稳定性原理分析均相系相变, 系统讨论单元系、二元系相 平衡, 了解临界现象; z 统一性角度讨论相平衡与化学平衡, 用统计力学揭示物质宏观 与微观性质的联系。
¾ 18~19世纪十分盛行, 很多著名学者如Jean-Baptiste-Joseph Fourier (1768-1830), Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), Simeon-Denis Poisson(1781-1840)都支持热质说
¾ 1824年卡诺(Sadi Carnot, 1796-1832)发表了题为“论火的动 力及产生这种动力的机器”的论文，奠定了热力学第二定律 的基础，其证明方法也基于热质说
z 能源转换中的基本概念和原理(热力学第一定律、第二定律); z 基本的热力过程; z 工质的性质(理想气体、水); z 热力循环, 热能与机械能相互转换的基本规律。
7
高等工程热力学
高等工程热力学(Advanced Engineering Thermodynamics) 深化理解和应用热能与机械能相互转换中的规律, 认 识物质世界本身 。
高等工程热力学
对物质热物理性质的认识
z 1660年, 玻义耳(Robert Boyle，1627-1691) 发现等温条 件下, 气体的压力和体积成反比 z 马略特(Edme Mariotte, 1620-1684)同样发现了这一规律 z 查理(Jacques Charles, 1746-1823)发现在定压条件下, 气 体的体积和温度成正比 z 1811年, 阿弗加德罗(Amedeo Avogadro, 1776-1856)提出 了其著名假说 z 1840年, 克拉珀龙(E. Clapeyron)提出理想气体状态方程
热力学基本定律的建立
z 1763年, 瓦特(James Watt, 1736-1819)对蒸汽机作了 重要改进，推动了工业革命; 提高蒸汽机效率问题－ 热力学的诞生
高等工程热力学