工程热力学课件：绪论

工程热力学课件 工程热力学EngineeringThermodynamics 绪论一.热能及其利用二、热力学发展简史三学习工程热力学的重要意义四工程热力学研究内容和研究方法五参考书目及课时安排 一.热能及其利用1能源定义能源：提供各种能量的物质资源。2能源分类按开发步骤分为（1）一次能源：不需要加工或转换，可以直接利用的能源。如原煤、原油、天然气的化学能，水能，风能，太阳能、地热能、核能等。（2）二次能源：由一次能源加工转换后的能源。如电力、煤气、汽油、沼气、氢气等。 按被利用程度分为（1）常规能源：如原煤、原油、天然气的化学能，水能、核能等。（2）新能源：如风能、太阳能、地热能等。按能否再生分为（1）可再生能源：不会随它自身的转化或人类的利用而日益减少的能源。如水能、风能、太阳能等。（2）非再生能源：随着人类的利用越来越少的能源。如原煤、原油、天然气的化学能，核能等。 按对环境的污染情况分为（1）清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如水能、风能、太阳能等。（2）非清洁能源：对环境污染较大的能源。如原煤、原油等。 各种能量之间的转化图 传统能源以煤炭为主，油气资源匮乏。“富煤、贫油、少气”。利用煤带来的问题：能源利用率低，浪费能源煤矿的安全问题、环境污染问题等。目前已成为石油进口大国天然气资源虽有好的前景，但资源量有限，需从邻国购买新能源/可再生能源风能、生物质能和太阳能资源都比较丰富，“十三五”期间，从补充能源向替代能源转变。多元能源供应体系集中式+分布式3我国的能源状况 2000年-2017年全国电力装机增长情况(来自北极星电力网“2017全国电力版图”)电力与新能源发电组单位：万千瓦 电力与新能源发电组○2017年装机容量结构(来自北极星电力网“2017全国电力版图大揭秘”)截至2017年底，全国火电装机110604(105388)万千瓦、水电34119(33211)万千瓦、风电16367(14864)万千瓦、太阳能发电13025(7742)万千瓦、核电3582(3364)万千瓦。(注:括号内为2016年数据)2017年2016年 我国大型火电站（来自北极星电力网2016“中国火电装机百强企业榜单”） 我国十大水电站2017年来自北极星电力网1.三峡水电站：总装机容量1820万KW(加地下共2240万KW）,世界第一2.溪洛渡水电站：总装机容量1260万KW3.白鹤滩水电站：装机容量1250万KW4.乌东德水电站：初选电站装机容量870万千瓦5.向家坝水电站：装机容量640万KW 我国十大水电站2017年来自北极星电力网6.糯扎渡水电站：总装机容量585万千瓦7.龙滩水电站：装机容量420万千瓦(后期540万千瓦)8.锦屏二级水电站,总装机480万千瓦9.小湾水电站：总装机容量420万KW10.两家人水电站：总装机容量400万KW 我国大型风电基地（来自北极星风力发电网）截止2014年6月底，全国已累计核准大型风电基地8个：酒泉基地一期和酒泉基地二期共680万千瓦张家口基地一期和张家口基地二期共300万千瓦承德基地100万千瓦通辽开鲁基地150万千瓦巴彦淖尔乌拉特右中旗基地210万千瓦包头达茂旗基地160万千瓦哈密东南部基地200万千瓦甘肃民勤红沙岗基地100万千瓦2014-2020年，我国重点规划建设酒泉、内蒙古西部、内蒙古东部、冀北、吉林、黑龙江、山东、哈密、江苏等9个大型现代风电基地以及配套送出工程。 太阳热发电项目中电投100MW（2X50MW）格尔木太阳能聚热电站国电青松吐鲁番新能源有限公司180千瓦槽式太阳能热发电中试装置并网运行华能三亚1.5MW菲涅耳式太阳能热发电项目内蒙古鄂尔多斯100千瓦碟式斯特林光热电站（以上来自“2017-2022年中国太阳能光热发电市场深度调查及未来发展趋势报告”）2016年9月14日，《国家能源局关于建设太阳能热发电示范项目的通知》正式印发，共20个项目入选，总计装机容量134.9万千瓦，包括9个塔式电站，7个槽式电站和4个菲涅尔电站，无碟式项目入围，项目分布在甘肃（9个）、青海（4个）、河北（4个）、内蒙古（2个）、新疆（1个）五地。(来自北极星太阳能光伏网“浅析关于建设太阳能热发电示范项目的通知”) 太阳热发电项目 太阳热发电项目 中国核电站（来自北极星电力网“中国大陆核电机组运行已达279.13堆年”）截止2018年02月28日，我国共有商业运行核电机组38台（不含台湾地区），运行堆年为279.13年. 中国核电站（来自北极星电力网“中国大陆核电机组运行已达279.13堆年”） 开发能源＋环保利用能源＋节能开发新能源、可再生能源节约现存资源能源是全球关注的焦点做到：“开源节流” 热力学分支按照研究目的和内容可分为：理论热力学、化学热力学、工程热力学、生物热力学热力学是研究能量、能量转换及其与物质性质之间关系的普遍学说。二、热力学发展简史工程热力学（热力学的工程分支）研究热能和其它形式能量（主要是机械能）之间相互转化的规律及其工程应用 1、热力学建立时期原始人取火和用火，并不是热力学的开始。1784年，瓦特（J.Watt)对原始蒸汽机进行改造蒸汽机运用到航海船上储煤空间宝贵研究提高蒸汽机的工作效率、节约用煤问题蒸汽机的发展促进了热力学的建立与发展。在十九世纪中叶开始形成“热力学”这门学科，和“电磁学”一道从牛顿力学上分支出来。 2、两大定律提出奠定了热力学的理论基础。1）热力学第一定律建立到十九世纪中叶，焦耳（J.P.Joule.1818-1889)前后用了20多年时间，做过多种多样的实验，测定了热功当量。1850年当焦耳写出第一篇总结论文时，他的各种精确的实验结果的一致性，已经给出了能量守恒定律的实验基础。此外，迈尔（JuliusRobertVonMayer1814-1878）和赫姆霍兹（HermannVonHelmholtz1821-1894）等人也都对热力学第一定律作出了贡献。 焦耳：能量守恒定律的发现者之一焦耳，J.P.（JamesPrescottJoule1818～1889）英国物理学家。 2)热力学第二定律建立1824年，卡诺（SadiCarnot1796-1832）提出了卡诺循环和卡诺定理，发现这从本质上说明了热力学第二定律。在卡诺研究的基础上，1850~1851年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律（热量传递、热变成功）。开尔文在1848年根据卡诺定理制定了“热力学温标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了“熵”。 卡诺（SadiCarnot）：英年早逝的奠基者28岁时发表《关于火的动力》36岁去世。 3.热力学第三定律提出使其更完善1906年，能斯特（walterNernst1869-1941)根据低温下化学反应的大量实验事实归纳出了新的规律，并于1912年将之表述为绝对零度不能达到，即热力学第三定律。热力学第三定律的建立，使经典热力学理论更加完善。 4.热力学理论上的成就促进了热动力机的不断改进与发展。早期蒸汽机的热效率只有1%~2%，目前蒸汽电站的热效率达40%，燃气蒸汽联合循环的热效率已接近60%十九世纪末，发明汽轮机：高参数、高效率、大功率。十九世纪末，发明内燃机：重量轻、热效率高近几十年来，燃气轮机已发展并改进成为适合实际应用的一种重要的热动力设备：军舰、喷气式飞机、燃机电站。 三学习工程热力学的重要意义1）是第一门、也是最重要的一门专业基础课。是众多院校研究生入学的考试科目。2）应用广泛：电厂热能动力工程、建筑环境与设备工程（暖通、空调）、化工、汽车、火箭、核电站等。3）能解决很多专业方面的问题和日常生活方面问题。 火力发电原理图 革凝汽器的命？我国的能源短缺，而一般蒸汽火电厂的热效率只有40%左右，煤燃烧产生的热量中大约50%由冷却塔（coolingtower)排放到周围环境。为什么不能不要凝汽器（即所谓“革凝汽器的命”）？ 为什么要将汽轮机切开？为什么要在汽轮机上打孔？ 例3：哥伦比亚航天飞机失事2003年2月1日22点（北京时间），美国哥伦比亚航天飞机在返回地面前16分钟解体，7宇航员罹难。失事时，飞行高度为203,000英尺，时速为12,500英里。老化：服务21年。滞止温度：在点火升空时，其巨大的外部燃料箱隔热瓦脱落，并且击中了飞机的左翼的热保护系统，形成裂缝。 附：隔热瓦绝热瓦是用来保护燃料箱免于高温或低温的损害，图中的样品与怀疑从固体火箭助推器外部燃料箱左侧脱落的绝热瓦属于同一类型。 例四：汽化潜热为什么用蒸锅热剩饭剩菜时，没有必要放很多水？ 四工程热力学研究内容和研究方法1研究内容（1）基本概念与基本定律（2）常用工质热物性研究（3）理想气体、水蒸气热力过程，气体与蒸汽的流动，气体压缩（4）动力循环与制冷循环的分析与计算（5）化学热力学 工程热力学基本内容的框架结构 2研究方法（1）宏观研究方法宏观热力学（经典热力学）以两大定律为基础，建立宏观分析模型来推导分析热力过程，不考虑物质分子和原子的微观结构。研究对象：大量粒子构成的集合体。优点：结论具有普遍性，不受对物质微观结构认识的影响。缺点：不能阐明体系性质的内在原因 （2）微观研究方法统计热力学应用统计法则和概率法则的研究方法研究对象：大量粒子构成的集合体。优点：揭示了体系宏观现象的微观本质，缺点：对分子微观结构的假设是近似的，得出的理论结果未必精确两种方法相互结合来学习工程热力学 3建议《工程热力学》是一门很重要、很有意思的课，但同时也是公认的很难学的一门课：概念抽象、内容繁多。课前预习，上课认真听讲。课后复习，独立、认真完成作业。热力学的直观语言很重要：P-V图、T-s图、h-s图、h-d图。适当地看一些参考书。 五、参考书目《工程热力学》(第三版)沈维道等高等教育出版社《工程热力学》朱明善等清华大学出版社《工程热力学》庞麓鸣等高等教育出版社《工程热力学》严家騄编著，高教出版社《工程热力学题型分析》朱明善等编，清华出版社 六、课时安排总课时为72课时，其中讲课66课时；实验6课时，由老师根据实际情况灵活安排。