工程热力学第三版电子教案第5章
工程热力学第三版电子教案教学计划2
2006学年秋季学期教学计划2
2006学年秋季学期教学计划4
课程名称工程热力学授课班级供热05级1-3班
授课总学时54学时（实验4）任课教师谭羽非、曹琳
本学期授课时数50学时教研室主任
序号
日期
课堂讲授内容
其它教学环节内容
主要参考书
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
.
11
.
12.
13
液体的蒸发与沸腾，水蒸气的定压发生过程。
水蒸汽表和图，水的相图及三相点。
水蒸汽的基本过程（自学）。
第八章湿空气（5）
湿空气的性质，湿空气的焓湿图。
湿空气的基本原理
湿空气的热力过程
第九章气体和蒸汽的流动(6)
绝热稳定流动关系式、气体在喷管中的绝热流动、喷管中流速及流量计算、实际喷管中有磨擦的流动
扩压管气体和蒸汽的绝热节流
第十一章致冷循环(2)
空气压缩致冷循环
蒸气压缩致冷循环
蒸气喷射致冷循环
吸收式致冷循环
热泵;气体的液化
教材：
工程热力学
（第四版）
廉乐明，李力
能，吴家正，
谭羽非编。
主要参考书：
1《工程热力
学》清华大学。
2《工程热力
学》(西安交
通大学)、
3《Engineer
ing Therodynamic
s》(Merle
C.Potter Craig W .Somerton)
4《“热
力学分析》
朱明善，陈
宏芳等编著
课程名称工程热力学授课班级供热05级1-3班
授课总学时54学时（实验4）任课教师谭羽非、曹琳
工程热力学课程教案完整版
工程热力学课程教案Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】《工程热力学》课程教案*** 本课程教材及主要参考书目教材：沈维道、蒋智敏、童钧耕编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2001.6手册：严家騄、余晓福着，水和水蒸气热力性质图表，高等教育出版社，1995.5 实验指导书：华北电力大学动力系编，热力实验指导书，2001参考书：曾丹苓、敖越、张新铭、刘朝编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2002.12王加璇等编着，工程热力学，华北电力大学，1992年。
朱明善、刘颖、林兆庄、彭晓峰合编，工程热力学，清华大学出版，1995年。
曾丹苓等编着，工程热力学（第一版），高教出版社，2002年全美经典学习指导系列，[美]M.C. 波特尔、C.W. 萨默顿着郭航、孙嗣莹等译，工程热力学，科学出版社，2002年。
何雅玲编，工程热力学精要分析及典型题精解，西安交通大学出版社，2000.4概论（2学时）1. 教学目标及基本要求从人类用能的历史和能量转换装置的实例中认识理解：热能利用的广泛性和特殊性；工程热力学的研究内容和研究方法；本课程在专业学习中的地位；本课程与后续专业课程乃至专业培养目标的关系。
2. 各节教学内容及学时分配0-1 热能及其利用（0.5学时）0-2 热力学及其发展简史（0.5学时）0-3 能量转换装置的工作过程（0.2学时）0-4 工程热力学研究的对象及主要内容（0.8学时）3. 重点难点工程热力学的主要研究内容；研究内容与本课程四大部分（特别是前三大部分）之联系；工程热力学的研究方法4. 教学内容的深化和拓宽热力学基本定律的建立；热力学各分支；本课程与传热学、流体力学等课程各自的任务及联系；有关工程热力学及其应用的网上资源。
5. 教学方式讲授，讨论，视频片段6. 教学过程中应注意的问题特别注意：本课程作为热能与动力工程专业学生进入专业学习的第一门课程（专业基础课），要引导学生的学习兴趣和热情。
工程热力学第三版电子教案教学计划6
工程热力学 能动 26、2 7、28 赵小明 傅秦生
李国君
总学 已完
本学期学时
课外学时
合计 讲课 实验 机时 讨论 实验
64
64 54
10
学分 4
数
周日
教 学
次期
环 节
1 2．10 讲 2．12 讲
2 2．17 讲 2．19 讲
3 2．24 讲 2．26 讲
4 3．2 讲 3．4 讲
5 3．9 讲 3．11 讲
课课
内外
备
学学
注
时时
2 2 电教片 2 2 参观
22
23
24
22
22
22
22
23
24
22
22
22
22
22
22
14 5. 11 讲
气体与蒸气的流动
2 4 喷管实
5. 14 讲
第九章 压气机的热力过程
22 验
15 5. 18 讲
压气机的热力过程
22
5. 21 讲
第十章 气体动力循环
22
16 5. 25 讲
6 3．16 讲 3．18 讲
7 3．23 讲 3．25 讲
8 3．30 讲 4．1 讲
9
4. 6 4. 8
讲 讲
10
4. 13 4. 15
讲 讲
11 4. 20 讲 4. 22 讲
12 4. 27 讲 4. 29 讲
13 5. 6 讲
14 5. 11 讲 5. 13 讲
内
容
绪论 第一章 基本概念 第二章 热力学第一定律
15 5.18 5.20
讲 讲
第十三章 湿空气 复习 机动 考试
工程热力学 第五章(3) 图文
T0
cp
ln
T1 T0
R ln
p1 p0
p0
RT1 p1
RT0 p0
RT0 ln
p1 p0
p0 p1
1
244kJ
/ kg
闭口系统内能的Ex举例
1kg空气，由p1=50bar, t1=17oC, 膨胀到 p2=40bar, t2=17oC, 已知p0=1bar, t0=17oC
exu=?
w
假定 q 通过可逆热机作功 w’
exu = w ’’= w + w ’
q w ’’
w’
q'
T0
闭口系统内能的Ex与An
热一律：
q ' u0 u1 w ''
热二律：
q'
siso s0 s1 T0 0
q ' T0 s0 s1
w '' u1 u0 T0 s1 s0
E Ex An
Yong的理解
热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆地 变化到与环境平衡时，才能作出最大的有用功。
当系统由一任意状态可逆地变化到与给定 环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换 为任何其它能量形式的那部分能量，称为Ex
功
100%相互转换
能量中除了 Ex 的部分，就是 An
E Ex An
求：该膨胀过程对外界的最大有用功
exu1
RT0 ln
p1 p0
p0 p1
1
244kJ
/ kg
exu2
RT0
ln
p2 p0
p0 p2
机械能、电能：An=0 Ex=E 环境介质中的热能： Ex=0
工程热力学第三版电子教案教学计划5
课堂讨论：（理想气体过程）
第四周国庆放假一次课
15~16
(第5周第1节)
第四章热力学第二定律与熵
4.1自然过程的方向性
4.2热力学第二定律的实质与表述
4.3卡诺循环与卡诺定理
17~18
(第5周第2节)
4.4克劳修斯不等式
4.5熵的导出
4.6不可逆过程熵的变化
4.7孤立系熵增原理
5.5提高勃雷登循环热效率的其他途径
课堂讨论：（气体动力循环）
27~28
(第8周第1节)
期中考试（闭卷）
29~30
(第8周第2节)
第六章水蒸气
6.1纯物质的热力学面及相图
6.2汽化与饱和
6.3水蒸气的定压发生过程
31~32
(第9周第1节)
实验（水的饱和蒸汽压力和温度关系实验）
33~34
(第9周第2节)
39~40
(第11周第1节)
第八章制冷循环
8.1空气压缩制冷循环
8.2蒸气压缩制冷循环
41~42
(第11周第2节)
实验（制冷热泵循环演示实验）
43~44
(第12周第1节)
8.3吸收式制冷循环
8.4热泵循环
讲座：（制冷剂与环保）
45~46
(第12周第2节)
第九章理想混合气体和湿空气
9.1混合气体的成分
10.1研究热力学微分关系式的目的
10.2特征函数
10.3数学基础
10.4热系数
10.5熵、内能和焓的微分关系式
51~52
(第14周第1节)
10.6比热容的微分方程
10.7克拉贝龙方程和焦-汤系数
10.8实际气体对理想气体的偏离
工程热力学课程教案完整版
工程热力学课程教案Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】《工程热力学》课程教案*** 本课程教材及主要参考书目教材：沈维道、蒋智敏、童钧耕编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2001.6手册：严家騄、余晓福着，水和水蒸气热力性质图表，高等教育出版社，1995.5 实验指导书：华北电力大学动力系编，热力实验指导书，2001参考书：曾丹苓、敖越、张新铭、刘朝编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2002.12王加璇等编着，工程热力学，华北电力大学，1992年。
朱明善、刘颖、林兆庄、彭晓峰合编，工程热力学，清华大学出版，1995年。
曾丹苓等编着，工程热力学（第一版），高教出版社，2002年全美经典学习指导系列，[美]M.C. 波特尔、C.W. 萨默顿着郭航、孙嗣莹等译，工程热力学，科学出版社，2002年。
何雅玲编，工程热力学精要分析及典型题精解，西安交通大学出版社，2000.4概论（2学时）1. 教学目标及基本要求从人类用能的历史和能量转换装置的实例中认识理解：热能利用的广泛性和特殊性；工程热力学的研究内容和研究方法；本课程在专业学习中的地位；本课程与后续专业课程乃至专业培养目标的关系。
2. 各节教学内容及学时分配0-1 热能及其利用（0.5学时）0-2 热力学及其发展简史（0.5学时）0-3 能量转换装置的工作过程（0.2学时）0-4 工程热力学研究的对象及主要内容（0.8学时）3. 重点难点工程热力学的主要研究内容；研究内容与本课程四大部分（特别是前三大部分）之联系；工程热力学的研究方法4. 教学内容的深化和拓宽热力学基本定律的建立；热力学各分支；本课程与传热学、流体力学等课程各自的任务及联系；有关工程热力学及其应用的网上资源。
5. 教学方式讲授，讨论，视频片段6. 教学过程中应注意的问题特别注意：本课程作为热能与动力工程专业学生进入专业学习的第一门课程（专业基础课），要引导学生的学习兴趣和热情。
工程热力学第三版电子教案教学大纲 (3)
教学大纲课程名称：工程热力学英文译名：Engineering Therodynamics (Architecture type)总学时数：54讲课学时：50（含习题课4）实验学时：8授课对象：建筑环境与设备专业、建材专业本科生课程要求：必修分类：技术基础课开课时间：第三学期主要先修课：高等数学、大学物理、理论力学、材料力学选用教材及参考书教材：采用由我校廉乐明主编，李力能、谭羽非参编的全国建筑暖通专业统编教材、全国高等学校教材《工程热力学》。
本书自1979年出版至今，历经第一版、第二版、第三版和第四版共四次修订，计十二次印刷，在全国发行量达12万余册。
本书曾获国家级教学成果奖教材二等奖、建设部部优教材奖。
主要参考教材：1、清华大学主编、高教出版社出版的《工程热力学》2、西安交通大学主编、高教出版社出版的《工程热力学》3、 Krle C.Potter Craig W .Somerton《Engineering Therodynamics》(1998年版)一、本课程的性质、教学目的及其在教学计划中的地位与作用本课程是研究物质的热力性质、热能与其他能量之间相互转换的一门工程基础理论学科，是建筑环境与设备专业的主要技术基础课之一。
本课程为专业基础课，主要用于提高学生热工基础理论水平，培养学生具备分析和处理热工问题的抽象能力和逻辑思维能力。
为学生今后的专业学习储备必要的基础知识，同时训练学生在实际工程中的理论联系实际的能力。
通过对本课程的学习，使学生掌握有关物质热力性质、热能有效利用以及热能与其它能量转换的基本规律，并能正确运用这些规律进行各种热工过程和热力循环的分析计算。
此外本课程在有关计算技能和实践技能方面也使学生得到一定的训练。
因此本课程不仅是学习后续课程，包括《供热工程》、《空调工程》、《锅炉及锅炉房设备》等主要专业的理论基础外，而且能广泛服务于机械工程、动力工程、冶金、石油、电力工程等各个研究领域。
工程热力学第三版电子教案教学大纲
教学大纲一、课程名称：工程热力学 Engineering Thermodynamics课程负责人：张新铭二、学时与学分：68学时，4学分三、适用专业：热能与动力工程等四、课程教材曾丹苓敖越张新铭刘朝编.工程热力学(第三版).高等教育出版社，20XX年12月五、参考教材沈维道蒋智敏童钧耕编.工程热力学(第三版).高等教育出版社，20XX年6月何雅玲编.工程热力学精要分析及典型题精解.西安交通大学出版社，2000年4月六、开课单位：动力工程学院七、课程的性质、目的和任务工程热力学是能源、机械、航空航天、材料等领域热能与动力工程类专业重要的专业基础课，也是培养工科学生科学素质的公共基础课。
本课程为学生学习热能与动力工程类专业后续课程提供重要的理论基础，也为从事热管理和热设计等方面的专业技术工作和科学研究工作提供必要的基础知识。
本课程的主要任务是，使学生掌握热力学的基本规律，并能正确运用这些规律进行各种热现象、热力过程和热力循环的分析，为培养学生的创新能力打好坚实的热力学基础。
八、课程的基本要求掌握热-功转换的基本规律；掌握利用工质性质公式和图表进行热力过程及循环的分析和计算方法；掌握提高热力设备和系统能量利用经济性的基本原则和途径。
注意培养学生的逻辑思维能力，发现、分析和解决问题的能力，创新思维和创造能力，特别是运用热力学基本定律和理论进行演绎、推论，解决实际工程问题的能力。
九、课程的主要内容（一）绪论热能利用史。
热能与机械能的转换。
工程热力学的研究对象、主要内容及其发展史。
热能动力装置举例。
（二）基本概念热力系统。
工质。
状态及平衡状态。
状态参数及其特性。
可测的基本参数。
热平衡及热力学第零定律。
温度和温标。
状态参数坐标图。
热力过程和循环。
准平衡过程。
（三）热力学第一定律热力学第一定律的实质。
通过热力系统边界的能量交换。
功和热。
热力学第一定律表达式。
热力学能。
热力学第一定律的应用。
稳定流动能量方程。
焓。
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第5章热力学第二定律5．1 本章基本要求 (45)5．2 本章重点: (45)5．3 本章难点 (45)5．4 例题 (46)5．5思考及练习题 (55)5．6 自测题 (60)5．1 本章基本要求理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。
熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无的概念。
5．2 本章重点:学习本章应该掌握以下重点内容:,l．深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。
它揭示的是什么样的规律；它的作用。
2．深入理解熵参数。
为什么要引入熵。
是在什么基础上引出的。
怎样引出的。
它有什么特点。
3．系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。
4．深入理解熵增原理,并掌握其应用。
5．深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法5．3 本章难点l．过程不可逆性的理解，过程不可逆性的含义。
不可逆性和过程的方向性与能量可用性的关系。
2．状态参数熵与过程不可逆的关系。
3．熵增原理的应用。
4．不可逆性的分析和火用分析.5．4 例题例1：空气从P1=0.1MPa ，t1=20℃，经绝热压缩至P2=0.42MPa ，t2=200℃。
求：压缩过程工质熵变。
（设比热为定值）。
解：定压比热：k kg kJ R C P ⋅=⨯==/005.1287.02727由理想气体熵的计算式：k kg kJ P P R T T C S P ⋅=-=-=∆/069.01.042.0ln 287.0293473ln 005.1ln ln121212例2：刚性容器中贮有空气2kg ，初态参数P1=0.1MPa ，T1=293K ，内装搅拌器，输入轴功率WS=0.2kW ，而通过容器壁向环境放热速率为kW Q 1.0.=。
求：工作1小时后孤立系统熵增。
解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程：U Q W s ∆+=..经1小时，()12..36003600T T mC Q W v s -+=()K mC Q W T T v 5447175.021.02.036002933600..12=⨯-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=由定容过程：1212T T P P =，MPa T T P P 186.02935441.01212=⨯==取以上系统及相关外界构成孤立系统：sursys iso S S S ∆+∆=∆K kJ T Q S sur /2287.12931.036000=⨯==∆K kJ S iso /12.22287.18906.0=+=∆例3：压气机空气由P1=100kPa ，T1=400K ，定温压缩到终态P2=1000kPa ，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25%。
设环境温度为T0=300K 。
求：压缩每kg 气体的总熵变。
解：取压气机为控制体。
按可逆定温压缩消耗轴功：kg kJ P P RT v v RT W SO /3.2641000100ln 400287.0ln ln2112-=⨯===实际消耗轴功：()kg kJ W S /4.3303.26425.1-=-=由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：21h q h W S +=+ 因为理想气体定温过程：h1=h2 故：kg kJ W q S /4.330-== 孤立系统熵增：sursys iso S S S ∆+∆=∆稳态稳流：=∆sys Sk kg kJ T qP P R T q S S S sur ⋅=+=+=+-=∆/44.03004.3301000100ln287.0ln 021012例4：已知状态P1=0.2MPa ，t1=27℃的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为P2=0.1MPa 。
求：作功能力损失。
（设环境温度为T0=300K ） 解：取整个容器（包括真空容器）为系统， 由能量方程得知：21U U =，T T T ==21 对绝热过程，其环境熵变k kg kJ P P R P PR P P R T T C S P sys ⋅===-=-=∆/199.01.02.0ln 287.0lnln 0ln ln 21121212kg kJ S T W iso /13244.03000=⨯=∆=∆例5：如果室外温度为-10℃，为保持车间内最低温度为20℃，需要每小时向车间供热36000kJ,求：1) 如采用电热器供暖,需要消耗电功率多少。
2) 如采用热泵供暖，供给600K热泵的功率至少是多少。
3) 如果采用热机带动热泵进行供暖，向热机的供热率至少为多少。
图5.1为热机带动热泵联合工作的示意图。
假设：向热机的供热温度为600K ，热机在大气温度下放热。
图5.2 解：1)用电热器供暖，所需的功率即等于供热率, 故电功率为360036000..==Q W = 10kW2)如果热泵按逆向卡诺循环运行，而所需的功最少。
则逆向卡诺循环的供暖系数为211..T T T WQ W +==ε=9.77热泵所需的最小功率为W QW ε..==1.02kW3)按题意，只有当热泵按逆卡诺循环运行时，所需功率为最小。
只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为.W 时所需的供热率为最小。
由56.06002631112=-=-=T T c η热机按所需的最小供热率为kW W Q tc 82.156.002.1/..min ===η例6：一齿轮箱在温度T=370K 的稳定状态下工作，输入端接受功率为100kW ，而输出功率为95kW,周围环境为270K 。
现取齿轮箱及其环境为一孤立系统(见图5.2) 1)试分析系统内发生哪些不可逆过程。
并计算每分钟内各不可逆过程的熵产及作功能力的损失。
计算系统的熵增及作功能力总的损失。
解：1)此孤立系统内进行着两个不可逆过程：由于齿轮箱内部的摩擦将功变为热的过程,齿轮箱(T=370K)与环境(To=270K)间的温差传热过程。
分别计算如下, 每分钟内齿轮箱中损失的功'l W 及传向环境的热Q'l W =60×(100-95)=300kJ因齿轮箱在稳定状态下工作，0=∆U 其能量平衡关系为(-Q)= U ∆+W =0+60×95-60×100=-300kJ 故Q=300kJ(2)齿轮箱内不可逆过程的熵产与作功能力损失 熵产T W S l g '1=∆=0.8108kJ /K作功能力损失101g l S T W ∆== 270×0.8108=218.92kJ(3)齿轮箱与环境间温差传热所引起的熵产与作功能力损失 熵产K kJ T T Q S g /3003.0)37012701(300)11(02=-=-=∆作功能力损失202g l S T W ∆== 270×0.3003=81.08kJ2)孤立系统的熵增及作功能力的损失解一： 孤立系统的熵增为各不可逆过程中熵产之和21g g iso S S S ∆+∆=∆ =0.8108+0.3003=1.111kJ/K作功能力总损失W=218.92+81.08=300kJ解二：孤立系统的熵增为齿轮箱的熵变化1S ∆与环境的熵变化gS ∆之和。
因齿轮箱在稳定状态下工作，故其熵变化1S ∆=0而环境在温度T 0=270K 的情况下接受热量Q ，故其熵变化为02T QS =∆ = 1.11kJ/K因此,孤立系统的熵增为21S S S iso ∆+∆=∆= =0+1.111=1.111kJ/K孤立系统内作功能力的损失isol S T W ∆=0 =270×1.111=300kJ两种解法所得结论相同。
讨论： 1．齿轮箱内因摩擦损失的功'l W =300kJ ，但作功能力损失1l W =218.92时，两者数值不同。
其原因是：300kJ 的功所变成的摩擦热是在T=370K 温度下传向环境的，因T>T 0，这部分热量仍有一定的作功能力，其可用能为Q(1-T 0/T)。
若采取某种措施，例如采用一工作于T 与To 间的卡诺机，则可以把这部分可用能转化为功。
所以齿轮箱内不可逆过程所导致的作功能力损失,不是'l W 的全部，而只是101g l S T W ∆=这一部分。
2．由齿轮箱传出的热(Q=300kJ)，其作功能力在温差传热过程中再次损失，最后为零。
即孤立系统内，全部不可逆过程总的结果是，在每分钟输入齿轮箱的功中,有300KJ 的功最终变成了在To=270K 的温度下为环境所接受的热。
在此传热温度下,这部分热已无作功能力(可用能为零)。
也就是说，原来的300kJ 功的作功能力已全部损失了。
例7：三个质量相等、比热相同且为定值的物体(图5.3 )。
A 物体的初温为1A T =100K ，B 物体的初温1B T =300K ，C 物体的初温1C T =300K 。
如果环境不供给功和热量，只借助于热机和致冷机在它们之间工作，问其中任意一个物体所能达到的最高温度为多少。
图5.3解：因环境不供给功和热量，而热机工作必须要有两个热源才能使热量转变为功。
所以三个物体中的两个作为热机的有限热源和有限冷源。
致冷机工作必须要供给其机械功，才能将热量从低温热源转移到高温热源，同样有三个物体中的两个作为致冷机的有限冷源和有限热源。
由此,其工作原理如图5.3所示。
取A 、B 、C 物体及热机和致冷机为孤立系。
如果系统中进行的是可逆过程,则CB A E E iso S S S S S S ∆+∆+∆+∆+∆=∆'=0对于热机和致冷机⎰=∆dSS E =0，则0212121=++=∆⎰⎰⎰C C B B A A TT TT T T iso T dT mc T dT mc T dT mc S0ln ln ln121212=++C C B B A A T T T TT T1121212=C C B B A A T T T T T T111222C B A C B A T T T T T T ==100×300×300=9×3810K （1）由图5.3可知，热机工作于A 物体和B 物体两有限热源之间，致冷机工作于B 物体和C 物体两有限热源及冷源之间，热机输出的功供给致冷机工作。
当22B A T T =时，热机停止工作，致冷机因无功供给也停止工作，整个过程结束。
过程进行的结果，物体B 的热量转移到物体C 使其温度升高，而A 物体和B 物体温度平衡。
对该孤立系，由能量方程式得=++C B A Q Q Q)()()(121212=-+-+-C C B B A A T T mc T T mc T T mc111222C B A C B A T T T T T T ++=++ =100十300+300=700K （2）根据该装置的工作原理可知，22121212,,,B A C C B B A A T T T T T T T T =><>对式(1)与(2)求解,得22B A T T = =150K 2C T =400K即可达到的最高温度为400K.讨论：若致冷机工作于A 物体和C 物体两有限冷源和热源之间，其过程结果又如何呢。