《哈工大工程熱力學(xué)》課件

哈工大工程熱力學(xué)探索工程領(lǐng)域中熱量轉(zhuǎn)化與機(jī)械功的復(fù)雜過程。涵蓋熱力系統(tǒng)的原理、分析方法和設(shè)計(jì)應(yīng)用,為機(jī)械、能源等領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。課程簡介課程概覽本課程系統(tǒng)介紹工程熱力學(xué)的基本理論和應(yīng)用知識,涵蓋熱力學(xué)基礎(chǔ)、熱傳遞、燃料與燃燒、動(dòng)力裝置等內(nèi)容。工程視角課程以工程應(yīng)用為導(dǎo)向,結(jié)合實(shí)際案例,幫助學(xué)生掌握熱力學(xué)原理在工程中的具體應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程安排多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生可親自操作,加深對熱力學(xué)概念和定律的理解。課程大綱1基礎(chǔ)理論包括熱力學(xué)基本概念、熱力學(xué)定律、內(nèi)能和焓等基礎(chǔ)理論知識。2氣體分析涵蓋理想氣體狀態(tài)方程、混合氣體分析和氣體動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。3各類循環(huán)探討蒸汽功率循環(huán)、蒸汽壓縮制冷循環(huán)、氣體功率循環(huán)等工程應(yīng)用。4傳熱機(jī)理包括導(dǎo)熱、對流和輻射等傳熱基本概念和換熱器設(shè)計(jì)。熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)定義熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)化、熱量與溫度關(guān)系的科學(xué)。其基本概念包括物質(zhì)、能量、熱力學(xué)系統(tǒng)等。熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)研究對象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)可分為封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)。它們各有特點(diǎn)和適用情況。熱力學(xué)量熱力學(xué)主要研究熱量、溫度、壓力、體積等基本熱力學(xué)量及它們之間的關(guān)系規(guī)律。這些量可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)。熱力學(xué)定律熱力學(xué)有四大定律,描述了熱量、能量的轉(zhuǎn)換和熵的變化規(guī)律,為熱力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。熱力學(xué)第一定律熱量轉(zhuǎn)化為工作熱力學(xué)第一定律表明,當(dāng)熱量轉(zhuǎn)化為工作時(shí),并非所有的熱量都能轉(zhuǎn)化為工作,會(huì)有一部分熱量被消耗掉。這就是熱力學(xué)第一定律的核心內(nèi)容。能量保證定律熱力學(xué)第一定律也稱為能量保證定律,它規(guī)定了能量的形式可以相互轉(zhuǎn)換,但總量保持不變。對于任何系統(tǒng)來說,能量的增加等于輸入的熱量和輸入的功的總和。熱量容量公式熱力學(xué)第一定律還表明,系統(tǒng)的熱量容量等于系統(tǒng)內(nèi)能的微分變化與溫度的微分變化之比。這種關(guān)系式對于理解熱量在系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)化過程非常重要。內(nèi)能和焓內(nèi)能內(nèi)能是物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和,包括分子間相互作用的勢能和分子自身的動(dòng)能。通過改變系統(tǒng)的物理狀態(tài),可以改變內(nèi)能的大小。焓焓是系統(tǒng)的內(nèi)能與系統(tǒng)所做的功之和。焓反映了系統(tǒng)在恒壓過程中儲(chǔ)存的熱量。焓是一個(gè)非常重要的熱力學(xué)概念,在分析各種熱量變化過程中起關(guān)鍵作用。內(nèi)能與焓的關(guān)系內(nèi)能和焓都是系統(tǒng)能量狀態(tài)的描述量,但內(nèi)能是系統(tǒng)自身的一個(gè)屬性,而焓則包含了系統(tǒng)與周圍環(huán)境的相互作用。內(nèi)能變化與焓變化通過熱力學(xué)第一定律相關(guān)聯(lián)。熱力學(xué)第二定律1自發(fā)過程熱能自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體,不需要外力推動(dòng)。這就是熱力學(xué)第二定律的核心內(nèi)容。2熵增原理熱力學(xué)過程中,系統(tǒng)的熵值總是增加。這表明自發(fā)過程是不可逆的,即會(huì)產(chǎn)生不可逆損失。3工作能的限制熱機(jī)的熱效率低于卡諾循環(huán)的效率,這說明熱機(jī)無法完全轉(zhuǎn)換熱能為功。4可逆性與理想性可逆過程是理想的,但實(shí)際系統(tǒng)總存在不可逆損失。工程應(yīng)盡量接近可逆過程。熵和可逆性熵的定義熵是描述物質(zhì)系統(tǒng)無序程度的熱力學(xué)量。它反映了系統(tǒng)中微粒的無序狀態(tài)，是決定系統(tǒng)自發(fā)發(fā)生方向的關(guān)鍵因素?？赡嫘耘c不可逆性可逆過程是系統(tǒng)可以在任何時(shí)刻沿著反方向運(yùn)行的理想過程。不可逆過程則涉及熵的增加，無法完全逆轉(zhuǎn)。熵增原理任何自發(fā)過程都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的熵增加。熵增加表明系統(tǒng)無序程度的提高，是自然界的普遍規(guī)律。理想氣體狀態(tài)方程理想氣體模型理想氣體是一種簡化的氣體模型,它假設(shè)氣體分子沒有體積,僅存在彈性碰撞,忽略了分子間的引力和排斥力。這種假設(shè)可以很好地描述低壓和高溫下的氣體行為。狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程描述了氣體壓力(P)、體積(V)、溫度(T)和物質(zhì)的量(n)之間的關(guān)系。該方程反映了氣體分子的運(yùn)動(dòng)特性,是熱力學(xué)分析中的基礎(chǔ)。等溫過程等溫過程是指氣體的溫度保持不變的過程,此時(shí)壓力與體積成反比。這種過程常用于描述氣體在膨脹或壓縮過程中的行為?；旌蠚怏w分析組分分析確定混合氣體中各個(gè)組分的濃度和分壓是分析混合氣體性質(zhì)的基礎(chǔ)。需要利用化學(xué)分析手段對組分進(jìn)行定量測量。狀態(tài)方程應(yīng)用Dalton定律和Amagat定律等理論，建立混合氣體的狀態(tài)方程，計(jì)算溫度、壓力、體積等參數(shù)。性質(zhì)預(yù)測根據(jù)混合氣體各組分的物理化學(xué)性質(zhì)，預(yù)測混合氣體的密度、熱容、熱導(dǎo)率等工程特性，為設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。氣體動(dòng)力學(xué)氣體分子運(yùn)動(dòng)氣體分子以隨機(jī)方式不斷運(yùn)動(dòng),并時(shí)常發(fā)生碰撞。這種分子間的相互作用影響了氣體的壓力、溫度和體積等宏觀性質(zhì)。動(dòng)力學(xué)理論動(dòng)力學(xué)理論描述了氣體分子的運(yùn)動(dòng)及其與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。其中包括分子動(dòng)量、動(dòng)能和平均自由程等概念。粘性和擴(kuò)散氣體分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)還導(dǎo)致了流體的粘性和擴(kuò)散現(xiàn)象,這些性質(zhì)在工程應(yīng)用中都很重要。蒸汽功率循環(huán)1鍋爐產(chǎn)生高溫高壓蒸汽2汽輪機(jī)利用蒸汽的熱能做功3冷凝器冷凝和排放蒸汽4泵將冷凝水輸送回鍋爐蒸汽功率循環(huán)是最常見的熱力循環(huán)之一,主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器和泵四個(gè)主要部件。鍋爐產(chǎn)生高溫高壓蒸汽,汽輪機(jī)利用蒸汽做功發(fā)電,冷凝器冷凝和排放蒸汽,泵則將冷凝水輸送回鍋爐,形成一個(gè)閉環(huán)循環(huán)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),可以提高循環(huán)效率,實(shí)現(xiàn)更高的能源利用。蒸汽壓縮制冷循環(huán)1循環(huán)過程蒸汽壓縮制冷循環(huán)包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)四個(gè)關(guān)鍵過程,通過機(jī)械壓縮和相變實(shí)現(xiàn)制冷功能。2制冷原理制冷劑在循環(huán)中吸收熱量并釋放到外界環(huán)境,從而產(chǎn)生溫度差和制冷效果。3廣泛應(yīng)用這種循環(huán)廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)、冰箱等電器,以及工業(yè)制冷和冷藏系統(tǒng)。氣體功率循環(huán)燃料加熱燃料被點(diǎn)燃并加熱到高溫,通過壓縮缸將其壓縮。膨脹高溫高壓的燃料氣體在膨脹缸中膨脹,做功推動(dòng)活塞。排出廢氣膨脹后的低溫低壓廢氣通過排氣閥排出,為下一循環(huán)做準(zhǔn)備。進(jìn)氣新鮮空氣通過進(jìn)氣閥進(jìn)入壓縮缸,為下一循環(huán)提供燃料。燃料電池原理能量轉(zhuǎn)換燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,效率高于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)。清潔環(huán)保燃料電池運(yùn)行過程中只產(chǎn)生水和熱,不會(huì)排放有害廢氣,是一種清潔能源。高可靠性燃料電池系統(tǒng)無需移動(dòng)零件,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,適用于分布式發(fā)電和車載應(yīng)用。多種用途燃料電池可用于發(fā)電、輸送熱量、驅(qū)動(dòng)交通工具等多種應(yīng)用領(lǐng)域。傳熱基本概念傳熱基本類型傳熱包括三種基本形式:導(dǎo)熱、對流和輻射,它們在傳熱原理和應(yīng)用中各有不同的特點(diǎn)。傳熱量測傳熱量通常用熱量、功率或熱流密度等單位表示,需要使用專門的測量儀器和方法。傳熱速率傳熱速率取決于溫差大小、傳熱路徑長度、材料性質(zhì)等因素,需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。導(dǎo)熱傳熱熱導(dǎo)率導(dǎo)熱傳熱是通過原子和分子的熱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。熱導(dǎo)率是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱性能的重要參數(shù),反映了物質(zhì)內(nèi)部熱量擴(kuò)散的能力。導(dǎo)熱方程導(dǎo)熱過程可用傅里葉定律描述,熱通量與溫度梯度成正比。合理選擇材料和結(jié)構(gòu)尺寸可優(yōu)化導(dǎo)熱性能。影響因素導(dǎo)熱傳熱受材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)幾何形狀、溫差大小等多方面因素影響。工程應(yīng)用中需要綜合考慮各種因素。應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)熱原理廣泛應(yīng)用于工業(yè)爐窯、集中供熱管網(wǎng)、電子設(shè)備散熱等領(lǐng)域,對提高能源利用效率具有重要意義。對流傳熱1對流傳熱機(jī)理對流傳熱是通過流體流動(dòng)和溫度差來實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的過程。熱量從高溫物體傳遞到低溫流體或從低溫流體傳遞到高溫物體。2影響因素對流換熱過程受流體流動(dòng)速度、物體表面形狀、溫度差等多種因素的影響。合理選擇這些參數(shù)可以提高對流換熱效率。3對流換熱類型自然對流發(fā)生在溫度差引起的流體自發(fā)流動(dòng)中,強(qiáng)制對流需要外加推動(dòng)力,如風(fēng)扇或泵。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。4換熱系數(shù)計(jì)算可以通過經(jīng)驗(yàn)公式或無量綱參數(shù)來計(jì)算對流換熱系數(shù),為對流換熱過程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。輻射傳熱能量傳播輻射熱傳遞通過電磁波在無介質(zhì)中傳播,不需要熱量中介,能量通過輻射直接從熱源到熱匯。溫度依賴輻射熱傳遞速率與物體表面溫度的4次方成正比。溫度越高,輻射越強(qiáng)。吸收和輻射物體表面吸收和輻射熱量的能力與其表面特性有關(guān)。表面光滑反射能力強(qiáng)的物體輻射熱量較小。換熱器設(shè)計(jì)熱量傳遞通過熱交換裝置實(shí)現(xiàn)熱量在不同溫度流體之間的有效傳遞。換熱效率提高換熱效率關(guān)鍵在于優(yōu)化換熱面積、流體流速和溫差。材料選擇換熱器材料應(yīng)具備良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)工藝需求選擇合適的換熱器類型并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。相變過程熔融和凝固物質(zhì)從固態(tài)到液態(tài)的相變過程稱為熔融,反之從液態(tài)到固態(tài)的過程稱為凝固。這些過程涉及內(nèi)能和焓的變化。沸騰和凝結(jié)物質(zhì)從液態(tài)到氣態(tài)的相變過程稱為沸騰,反之從氣態(tài)到液態(tài)的過程稱為凝結(jié)。這些過程發(fā)生在飽和溫度和壓力下。升華和凝華物質(zhì)從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為升華,反之從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝華。這些過程不經(jīng)歷液態(tài)?；瘜W(xué)反應(yīng)熱力學(xué)反應(yīng)熱化學(xué)反應(yīng)過程中放出或吸收的熱量稱為反應(yīng)熱。測定反應(yīng)熱有助于理解反應(yīng)的機(jī)制和驅(qū)動(dòng)力。反應(yīng)熵變反應(yīng)過程中物質(zhì)有序程度的變化稱為反應(yīng)熵變。熵變是決定反應(yīng)自發(fā)性的重要因素。吉布斯自由能結(jié)合反應(yīng)熱和熵變的吉布斯自由能可以預(yù)測反應(yīng)的自發(fā)性和反應(yīng)方向。它是化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)的核心概念。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1反應(yīng)速率反應(yīng)速率是指反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速度,主要取決于溫度、壓力等因素。2反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)級數(shù)描述了反應(yīng)物濃度對反應(yīng)速率的影響程度,分為零級、一級、二級等。3活化能活化能是反應(yīng)物必須克服的能量障礙,決定了反應(yīng)的快慢。溫度越高,活化能越容易克服。4動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)反應(yīng)級數(shù)和活化能,可以建立反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,預(yù)測反應(yīng)的進(jìn)程和速率。相圖與相平衡相圖介紹相圖是物質(zhì)的狀態(tài)和組成隨壓力和溫度變化而變化的圖表。它可以幫助我們預(yù)測和理解物質(zhì)在不同條件下的行為。相平衡條件相平衡是指不同狀態(tài)的物質(zhì)共存時(shí),它們的化學(xué)勢相等。相平衡條件包括壓力、溫度和化學(xué)成分三個(gè)因素。相變過程物質(zhì)的相變是指由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài),如固、液、氣三相之間的轉(zhuǎn)變。相變吸收或釋放大量的潛熱。二元相圖二元相圖描述了兩種成分物質(zhì)在壓力和溫度條件下的相平衡關(guān)系。它可用于預(yù)測相變和相分離行為。燃料和燃燒燃料類型常見燃料包括固體(木材、煤炭)、液體(汽油、柴油)和氣體(天然氣、液化石油氣)等。每種燃料都有其獨(dú)特的性質(zhì)和化學(xué)成分。燃燒過程燃燒是一種快速的氧化反應(yīng),釋放出熱量和光。這需要三要素:燃料、氧化劑和點(diǎn)火源。反應(yīng)過程復(fù)雜,涉及多種化學(xué)反應(yīng)。燃燒效率燃料的熱值、燃燒溫度和反應(yīng)速度等都影響燃燒效率。提高效率可以節(jié)約資源,減少排放,提高能源利用率。內(nèi)燃機(jī)循環(huán)1進(jìn)氣通過活塞下降吸入空氣和燃料混合物2壓縮活塞上升壓縮混合氣體3爆燃燃料點(diǎn)火并迅速燃燒膨脹4排氣活塞下降時(shí)將廢氣排出內(nèi)燃機(jī)循環(huán)包括四個(gè)主要步驟:進(jìn)氣、壓縮、爆燃和排氣。通過這個(gè)循環(huán),活塞運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而產(chǎn)生動(dòng)力。這種高效的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。汽輪機(jī)循環(huán)1工質(zhì)蒸汽汽化在鍋爐中通過加熱將水蒸汽化2汽輪機(jī)膨脹蒸汽通過汽輪機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換3冷凝和泵送蒸汽在冷凝器中冷卻凝結(jié)，然后泵送回鍋爐汽輪機(jī)循環(huán)是一種常見的動(dòng)力循環(huán)。通過鍋爐加熱水蒸汽化后進(jìn)入汽輪機(jī)做功,再經(jīng)過冷凝器冷卻和水泵的加壓,最后返回鍋爐形成閉環(huán)循環(huán)。這種循環(huán)過程能夠有效轉(zhuǎn)換熱能為機(jī)械能,廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和工廠。制冷循環(huán)1制冷工質(zhì)的循環(huán)制冷劑在壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器之間循環(huán)流動(dòng)2制冷過程制冷劑通過吸收熱量實(shí)現(xiàn)制冷3能耗優(yōu)化合理設(shè)計(jì)和操作可提高制冷系統(tǒng)的能源效率制冷循環(huán)是利用制冷劑在壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器之間的循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)制冷的過程。通過制冷劑吸收熱量并在壓縮機(jī)和膨脹閥之間轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷。通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作可以提高制冷系統(tǒng)的能源效率。熱電制冷原理概述熱電制冷利用塞貝克效應(yīng),通過施加電壓產(chǎn)生溫度差,實(shí)現(xiàn)對物體的制冷。與傳統(tǒng)的壓縮式制冷系統(tǒng)相比,它無需使用化學(xué)冷媒,更加環(huán)保節(jié)能。應(yīng)用領(lǐng)域熱電制冷廣泛應(yīng)用于小型電子設(shè)備、汽車空調(diào)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域,為用戶提供安靜、可靠的制冷解決方案。性能優(yōu)勢熱電制冷系統(tǒng)體積小巧、無運(yùn)動(dòng)部件、噪音低,并且可以精確控制溫度,適用于對噪音和體積有嚴(yán)格要求的場合。熱泵系統(tǒng)能源效率高熱泵系統(tǒng)利用環(huán)境熱量為熱源或冷源,可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)4倍的能源轉(zhuǎn)換效率。相比于傳統(tǒng)供熱和制冷系統(tǒng),大幅降低了能耗。環(huán)境友好熱泵系統(tǒng)不需要燃燒化石燃料,只需利用環(huán)境中的熱量,可以有效減