工程热力学课程教案.docx

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工程热力学课程教案

《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，

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，

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，

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].波特尔、.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，

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（学时）

0-2热力学及其发展简史（学时）

0-3能量转换装置的工作过程（学时）

0-4工程热力学研究的对象及主要内容（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。

另，用例应尽量采用较新的事实和数据。

7.思考题和习题

思考题：

工程热力学的宏观研究方法与微观方法的比较

作业:

（短文，一、二页即可）网络文献综述——能源利用与工程热力学

8.师生互动设计

讲授中提问并启发讨论：

✍✍✍从本课程教材的四大部分的标题看，对于工程热力学的研究内容有没有一个初步的认识（可以“猜想”）？

✍✍✍知道热力学第一、第二定律吗？

第三、第零定律呢？

✍✍✍请举例并比较：

宏观研究方法和微观研究方法。

✍✍✍你认为你（本专业的学生）将来会“干什么”？

9.讲课提纲、板书设计

绪论

0-1热能及其利用

★视频片段：

人类用能历史

能源——为人类生产与日常生活提供各种能量和动力的物质资源

自然能源——风能，水能，太阳能，地热能，潮汐能，核能，燃料化学能等

可见：

从自然能源中获取能量的主要形式是热能（仅风能、水能、潮汐能是机械能形式—指流体的动能和位能）

热能利用的两种基本方式：

——直接利用[举例和请学生举例]

——间接利用[举例和请学生举例]

0-2热力学及其发展简史

18世纪中叶，蒸气机出现，开始热→功（机械能）研究；

第一类永动机不成功，总结出LawI；

焦耳实验，有了热—功当量概念，开始形成热力学；

第二类永动机不成功，总结出LawII；

1912年，研究低温现象，LawIII（“0K达不到”）；

加上Law0（关于热平衡概念，温度概念及温标建立）

四个基本定律，构成热力学的理论基础。

随着生产发展，热力学形成已一百多年，作为经典热力学，已很成熟。

分支：

理论热力学，工程热力学，统计热力学，化学热力学，非平衡热力学，生物热力学…甚至用热力学理论于社会学/经济学方面。

0-3能量转换装置的工作过程图1

★视频片段：

蒸汽发电厂

★热机工作示意图如图1所示

0-4工程热力学研究的对象及主要内容

一、研究对象

热力学研究热现象—与物质热运动有关的现象。

热运动的广泛性和特殊性：

—热运动无时无处不在，人类利用热能历史悠久（直接，或转换为其它形式）。

—热能为一方，其它所有非热能形式能量为另一方（机、声、光、电、磁等），可相互转换。

转换前后数量相等（LawI：

能量转换与守恒）。

但机械能等可100%地、无代价地转换为热能，反之则不然（LawII：

热过程之方向性）。

[例：

汽车排尾气；现代火电厂热效率仅40+%]

二、研究内容

1．热能与其它能量间相互转换的基本规律——主要LawI、II，此乃本课程主要内容。

2．工质的热力性质——能量的利用/转换，需通过工作物质即工质及热力设备来完成。

3．提高热力设备效率的途径——从工程实际应用来说，此为最终目的。

**请学生对照教材的四大部分的标题，体会工程热力学的研究内容（尤其是前三大部分）：

①热力学基本定律；②工质热力性质；③（热力设备中的）热力过程及循环；④化学热力学基础。

三、研究方法

可有二种研究方法——微观的和宏观的。

工程热力学用宏观的研究方法。

优点——可靠：

以大量观察/实验所得经验定律为依据，故只要推论无误，则结论亦可靠。

而经验定律是大量经验（观察/实验）之归纳总结，其可靠性体现在至今未有反例。

缺点——①不能说明其所以然（何以“守恒”？

何以有“方向性”？

）；②应用有局限：

上不能推广至茫茫宇宙，下不能深入至物质内部个别分子/原子的表现——看不到，去不了，无经验。

统计热力学则恰可弥补其缺点——可说明“所以然”。

但也有缺点：

与物质结构模型有关，而模型是近似的。

[例：

判断人的健康：

可宏观—体温等；也可微观—化验等]

四、课程与本专业的关系

热能与动力工程专业培养目标——德智体全面发展，掌握现代能源科学、信息科学和管理科学技术，在热能与动力工程领域从事设计、运行、自动控制、信息处理、环境保护、清洁能源利用和新能源开发等工作的基础扎实、知识面广、创新能力强的复合型人才

工程热力学是本专业（以及其他相关专业）主要的专业基础理论课之一（另二门同类课程：

流体力学、传热学）

五、单位制

国际单位制SI。

法定计量单位——以SI为基础。

SI与公制/英制间的换算，也需有所了解/应用。

六、本课程的学习方法建议

根据本课程是一门专业基础理论课程的特点，建议在学习中

掌握几个“基本”：

基本概念，基本定律，基本方法，基本应用。

抓好几个环节：

预习/听课；笔记/复习；习题/小结。

第一部分热力学基本定律

第一章基本概念及定义（4学时）

1.教学目标及基本要求

了解热力系的定义；平衡状态的概念、平衡条件；

掌握基本状态参数的定义、计量及不同单位间的换算；

掌握准平衡过程的定义，理解提出准平衡过程概念的意义和作用。

2.各节教学内容及学时分配

1-1热力系（学时）

1-2热力系的描述（学时）

1-3基本状态参数（学时）

1-4状态方程，状态参数坐标图（1学时）

1-5热力过程及循环（学时）

3.重点难点

热力系统；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；状态参数坐标图；热力过程和循环；准平衡过程；状态量和过程量；尺度量和强度量。

4.教学内容的深化和拓宽

概念和认识：

各种实际的正/逆热力循环（动力循环、制冷循环）及其作用。

从教材的“计算机应用、工程设计及问题讨论”中选择一题进行讨论和引导。

5.教学方式

讲授，讨论，.ppt幻灯

6.教学过程中应注意的问题

注意：

复习《绪论》中关于热力学研究方法的内容，说明热力学状态参数是宏观参数；重点说明准平衡过程概念的理论意义和实用意义。

7.思考题和习题

思考题：

教材的课后自检题（选一、二题在课堂上讨论）

习题：

教材习题第一章2~6,12,15（可变）

8.师生互动设计

提问并启发讨论：

✍✍✍观察过某个热力系统的状态变化吗？

✍✍✍留意过系统状态变化伴随有系统与外界的能量交换吗？

✍✍✍思考过状态变化与能量交换间的联系吗？

✍✍✍用过压力计、温度计吗？

了解温度的概念吗？

✍✍✍对照热力学Law0，讨论：

是否所有事物都有“若A=B且A=C则必有B=C的规律”？

[例：

ABC三个班足球或歌咏比赛。

引导得出结论：

状态量才有此规律]

✍✍✍请学生举例：

尺度量，强度量

✍✍✍请学生举例：

热力过程、热力循环

✍✍✍如爆炸这样的过程，能不能作准平衡过程处理？

为什么？

9.讲课提纲、板书设计

第一部分热力学基本定律

第一章基本概念及定义

1-1热力系—热力学分析的对象

★.ppt图示：

热力系统概念

外界（环境）——除热力系以外的外部世界，但一般仅指与热力系有关（有相互作用：

W功/Q热/m质交换）的部份。

界面（边界）——可以是实际存在的，亦可是假想的。

分析：

1.热力系的状态及状态变化（状态——热力状态）

怎样描述？

如何变？

变的规律？

2.热力系与外界的相互作用（能/质交换）——交换了什么？

谁给谁？

数量？

3.以上二方面的联系——状态变化乃因与外界有作用，反之与外界作用必导致系统改变状态。

则其间关系如何？

能否通过了解热力系的状态变化，而得知其与外界的能量交换？

分类：

与外界作用情况：

开口系，封闭系

热力系内部情况：

平衡/非平衡系，均匀（单相）/非均匀，单元/多元，…

特殊：

绝热系，独立系；热源（冷源），功源；…

针对不同问题，采用不同系统，可方便分析。

1-2热力系的描述（描述——说明该热力系的性质）

一、热力系的状态，平衡状态，状态参数

工程热力学EngineeringThermodynamics教案

状态（热力（学）状态）——热力系在某瞬间所呈现的宏观物理状况。

状态参数——描述热力系状态的参数。

虽然微观上是与物质微粒热运动——（气体）分子疏密、运动剧烈程度——有关的量，但（记得！

）热力学中只用宏观量：

p，V，T，U，…。

有时也引入一些外部参数作为状参如系统整体的速度、高度等。

平衡状态（概念、定义）

★.ppt图示：

气缸的热、力平衡

**提示学生不要只背定义，而应着重注意3点：

（1）热/力平衡，条件是温/力差消失；

（2）热力系的平衡，意味着所有的不平衡势差已消失；平衡/非平衡热力系，其各状态参数有/无确定值。

（3）提出“平衡状态”概念的意义，在于易研究（可用确定的参数值描述之，进而可分析/计算之）。

虽然实际工程问题中的热力系很少是平衡状态的——毋宁说正是利用了不平衡（即平衡被破坏，系统发生状态变化）来实现能量交换的——但一定条件下，可视实际状态变化过程中的各点为接近平衡态。

有误差可修正。

二、状态参数的特性

★.ppt图示：

系统的尺度量和强度量；“微团”

状态参数可分为二大类。

尺度量——与系统所含物质数量（m,n）有关的量，具可加性（m,n,U,S,…）

强度量——与系统所含物质数量无关，在“点”上定义的量，无可加性（p,T,…）

（“点”——含足够分子的微团，非几何上的点）

比参数——尺度量对m（或n）的微商，具强度量性质

比体积

均匀系

比热力学能

状态一定，则状态值一定，即状态参数是状态的单值函数。

确定状态参数的函数是状态函数（或谓点函数）。

状态参数ξ的数学特征：

与积分路径（状态变化途径）无关。

状态函数的微分是全微分。

1-3基本状态参数

基本参数（5个）：

p（从力学引入），V（几何），T（热力学Law0导出），U（LawI），S（LawII）。

其中p、V、T是可测的。

一、密度ρ，比体积v

二、压力

★.ppt图示：

弹簧管/U形管压力计；压力测量

1．压力的测量

2．压力的单位及换算

三、温度

1．热力学第零定律，温度的概念

温度：

物体的“冷热程度”。

但，何为冷/热？

不确切。

微观：

“分子运动剧热程度的度量”。

热力学：

（宏观！

）温度概念由“热平衡”概念引出。

热平衡——若二物体热接触时，各自状态均不发生变化，则称此二物体处于热平衡。

★.ppt图示：

Law0

大量实验、观察表明，关于热平衡，可有如下的经验定律：

热力学第零定律——若A-B，A-C分别处于热平衡，则B-C必处于热平衡

Law0指出：

热力系（B，C）间是否处于热平衡，仅确定于B，C各自的状态，而与其它（A是否真存在；B、C是否真热接触等）无关。

推理：

既然热平衡与否只确定于热力系的状态，则可用一状态参数来描述这一性质（即“若与其他热力系热接触，是否可处于热平衡”的性质）。

换言之，物系间处于热平衡，则彼此的某一宏观性质必是相同的，描述此宏观性质的参数即温度。

**初步认识热力学的研究和学习方法：

从基本定律出发，经一系列推理演绎，得到结论，并加以应用。

温度的热力学定义——温度是表征物体间热平衡性质的状态参数。

处于热平衡的物体，具有相同的温度值；未处于热平衡的物体，具有不同的温度值。

2．温度标尺

Law0不仅引出了温度的概念，还提供了温度测量和建立温标（温度计）的理论基础。

★.ppt图示：

各种温度计：

液体/热电偶/热电阻温度计等，理想气体温度计

（定容）理想气体温标：

T=ap

规定以水的三相点（TriplePoint）为基准点：

Ttp=K（开尔文）

∵Ttp=aptp∴a=ptp

于是测p即可得任意点的温度T=p/ptpK

可见上述方法建立的温标是人为的，称“经验温标”。

于是产生问题：

“标准温度计”何在？

热力学温标：

由热力学理论（LawII）可推论出存在一种与具体测温物质性质无关的温标。

其分度方法及基准点与理想气体温标一致：

T=p/ptpK（第三章讨论）。

工程上常用的经验温标——摄氏温标：

定义ttp=℃，而分度方法与热力学温标一致，即t=T-℃。

可知水的冰点t0=0℃，水的汽点tb=100℃。

1-4状态方程，状态参数坐标图

状态一定（达平衡状态），则系统所有状参均确定（有可知值）。

但（同一问题的三种问法）：

是否必须确定所有状参才能确定系统状态？

各状参间有无依赖关系？

系统所有状参中独立参数有几个？

一、状态公理（针对纯物质—无化学反应的系统）

推想：

一种形式的能量交换，对应存在着一种不平衡势；而限制一种形式的能量交换，则对应着一种不平衡势的消失，此时就有一个描述该种平衡的状态参数不再变化而有确定值。

状态公理：

决定热力系平衡状态的独立参数个数，应等于系统与外界可以交换的能量形式的总数。

简单可压缩系n=1（容积变化功），∴N=1+1=2（“简单”系：

仅1种准静功）

故对于简单可压系，诸参数中仅2个独立，其余依其而变。

即若此2个参数确定，系统状态即确定，于是其余所有参数必确定。

状态公理指出状态参数间应存在依变关系（函数关系）。

描写这种关系的关系式即状态方程。

二、纯物质的状态方程

对于简单系，原则上可任选2个独立参数ξ1,ξ2，而其余任一参数ξ可表示为

广义地，u=u（T,v），s=s（T,p），…也是状态方程，但一般（窄义地）称由可测量p,v,T组成的函数关系式f（p,v,T）=0为状态方程。

[例]理想气体状态方程pv=RgT或pVm=RT

状态方程反映了系统状态变化时各状态参数间的制约关系（不是随意乱变）。

三、状态参数坐标图

★.ppt图示：

状态参数坐标图

简单可压系（工程上常见、常用）独立变量2个，故可用以构成一直角坐标系，其中一点表一状态（平衡态）。

注意：

（1）非平衡态，由于状态不确定，故无法在图上表示；

（2）利用坐标图，可直观表示状态（1、2点及1-2线）；

（3）状态参数坐标图可方便分析计算（一张好图，胜过千言万语）。

1-6热力过程及热力循环

★.ppt图示：

热力过程（坐标图），准平衡过程（活塞气缸：

移重物）

一、热力过程——与外界相互作用下，热力系发生状态变化的过程

注意：

（1）过程是外界作用而破坏系统平衡的结果。

（2）过程的效果：

系统内部——状态发生了变化；

边界上——与外界交换了Q/W。

[例]：

对于已有设备、工况，如何计算Q/W？

给定Q/W，如何设计设备和工艺（过程）？

给定工质状态变化，如何设计过程来实现？

实际过程总是以平衡的破坏为前提，为非平衡过程（虚线表示），分析/计算不方便。

故引入一概念：

准平衡过程——…

系统状态始终距平衡点不远的过程（实线表示）。

理想过程。

实际过程当过程不平衡势→0时的极限。

准平衡过程概念带来方便——可用内部参数（的变化）来表示Q/W，例如由于Δp=p–psurr=0，故可用p而不必用外力psurr来计算（按物理学“功”定义）。

好在大多工程中的热力过程，可作准平衡处理，或当误差大时再修正之。

[例]p波，在气体中以声速传播，而活塞移动速度一般≯100m/s，这样，新的外力变化传播而到达之前，系统已均为p，达到新的平衡态。

二、热力循环——封闭的热力过程。

热力过程之特例。

★.ppt图示：

正、逆热力循环的坐标图、示意图（热源,冷源,W,Q1,Q2）

常见的工质循环：

（1）热机循环热→功（正循环）

[例]蒸汽发电站，汽车发动机（顺便提示：

必须有Q2放热——LawII）

循环作功：

循环的经济性指标：

热效率

（收益/代价）

（2）制冷循环耗功将热从高温→低温（逆循环）

[例]空调机：

制冷机，热泵

循环耗功：

（此时W值为负）

循环的经济性指标：

制冷系数ε=W/Q2供暖系数ε'=W/Q1

过程

循环

系统内

状态发生变化Δξ=+dξ=ξ2?

ξ1

状态未变∮dξ=0

边界上

交换了能量W=+δW，Q=+δQ

交换了能量（注意∮δW？

0，∮δQ？

0）

目的（一般而言）

使工质改变状态

实现能量转换

实例

制氧，烧水蒸汽

蒸汽动力循环，制冷循环

概念复习：

比较状态量和过程量

**热工科技人员主要任务之一即改善循环，提高经济性，使ηt，ε，ε'↑。