工程热力学(绪论).ppt

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1、工程热力学课件工程热力学课件华北电力大学（北京）华北电力大学（北京）动力工程系动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月工程热力学n n Engineering Thermodynamics 绪论绪论 一.热能及其利用 n n人类在生产和日常生活中需要各种形式的 能量。能量的开发和利用程度是一个社会发展的重要标志。n n能源：提供各种能量的物质资源。n n一次能源：以原始状态存在于自然界，不需要加工或转换，可以直接利用的能源。亦称为天然能源。如原煤、原油、天然气、可燃冰、水能、风能、太阳能等。n n二次能源：由一次能源加工转换后的能源。主要是是热能、机械能和电能。各种能量之间的转化图 我国的

2、能源结构、生产、消费情况n n我国的能源结构是以煤炭为主，这在世界上也是比较独特的。带来的问题：煤矿的安全问题、环境污染问题等。n n石油进口的依赖性增加。n n20002000年年 人均能耗（人均能耗（toe/toe/人）人）美国美国 8.17 8.17 中国中国 0.735 0.735 世界世界 1.50 1.50 单位产值能耗（单位产值能耗（toe/toe/百万美元）百万美元）美国美国 263 263 德国德国 127 127 日本日本 92.3 92.3 中国中国 892 892 世界世界 264 264 人均发电量人均发电量 （kWhkWh）挪威挪威 31890 31890 美国美国

3、 13474 13474 德国德国 6814 6814 中国中国 1063 1063 发电量（发电量（TWhTWh）美国美国 4609 4609 德国德国 567 567 日本日本 1082 1082 中国中国 1354 1354 世界世界 15360 15360 人口人口 （百万）（百万）美国美国 312 312 德国德国82.2 82.2 日本日本 127 127 中国中国 1262 1262 发电煤耗发电煤耗 中国中国 363 363（2001 357 2002 3562001 357 2002 356）装机容量装机容量 （万千瓦）（万千瓦）中国中国 2002 35657.092002

4、35657.09（水（水8607046 8607046 火火 25664.67 25664.67 核核 446.80 446.80 其他其他 48.1848.18）中国已建、在建核电站 （万千瓦）n n秦山一期秦山一期 30 30 国产压水堆国产压水堆 19911991年年n n秦山二期秦山二期 2*60 2*60 国产压水堆国产压水堆 20022002、20032003年年n n秦山三期秦山三期 2*70 2*70 加拿大重水堆加拿大重水堆 20032003年年n n广东大亚湾广东大亚湾 2*90 2*90 法马通法马通 压水堆压水堆 19941994年年n n广东岭澳广东岭澳 2*2*98

5、.498.4 同上同上 20022002、20032003年年n n江苏田湾江苏田湾 2*100 2*100 俄罗斯俄罗斯 压水堆压水堆 20042004、20052005年年我国已建、在建大型水电站 （万千瓦）n n三峡 1820n n二滩 330 (1998)n n广州抽水蓄能 240 (2000)n n葛洲坝 271.5 (1981)n n李家峡 200 (1987)n n我国能源探明剩余可采储量我国能源探明剩余可采储量我国能源探明剩余可采储量我国能源探明剩余可采储量1392139213921392亿吨标准煤，亿吨标准煤，亿吨标准煤，亿吨标准煤，58.8%58.8%58.8%58.8%煤

6、炭、煤炭、煤炭、煤炭、3.4%3.4%3.4%3.4%石油、石油、石油、石油、1.3%1.3%1.3%1.3%天然气、天然气、天然气、天然气、36.5%36.5%36.5%36.5%水能水能水能水能n n石油的储采比石油的储采比石油的储采比石油的储采比 15(15(15(15(世界平均为世界平均为世界平均为世界平均为40)40)40)40)，2003200320032003年年年年进口约进口约进口约进口约1 1 1 1亿吨，石油的缺口很大。亿吨，石油的缺口很大。亿吨，石油的缺口很大。亿吨，石油的缺口很大。n n天然气虽有好的前景，但资源量有限。天然气虽有好的前景，但资源量有限。天然气虽有好的前

7、景，但资源量有限。天然气虽有好的前景，但资源量有限。n n电力与新能源发电组电力与新能源发电组 装机容量规划建议装机容量规划建议 l l2010年新增机组年新增机组 5CFB，15亚亚临界，临界，25超临界，超临界，5超超临界，超超临界，所以所以CFB超临界有前景。超临界有前景。l l2010年煤炭洗选年煤炭洗选50，2020年年95以上经加工处理煤泥发电。以上经加工处理煤泥发电。对应我国小康社会水平的主要对应我国小康社会水平的主要国家人均发电量国家人均发电量 国家国家国家国家项目项目项目项目美国美国美国美国日本日本日本日本中中中中 国国国国年年年年 份份份份19421942194219421

8、96719671967196719901990199019902000200020002000201020102022020 02052050 0人均发人均发人均发人均发电量电量电量电量kWh/kWh/kWh/kWh/人人人人.年年年年350035003500350050005000500050005475475475471106110611061106212921292422428 84504502 2摘自摘自中国能源战略研究总报告中国能源战略研究总报告 中国工程院咨询报告中国工程院咨询报告 97-00-01-0197-00-01-01 污染控制市场预测到2020年，新装600MW火电机组约

9、700台；新装机组均装置脱硫、脱硝设备。投资成本：SO2=250 元/千瓦装机量；NOx：200 元/千瓦装机量至2020年SO2、NOx市场前景预测3.海底天然气水合物n n为一种白色固体物质为一种白色固体物质,外形象冰外形象冰,有极强的燃烧力有极强的燃烧力.有水分子和燃有水分子和燃气分子气分子,主要是甲烷分子组成主要是甲烷分子组成,最近二十年才被人们广泛发现最近二十年才被人们广泛发现.具具有能量高有能量高,分布广分布广,埋藏浅埋藏浅,规模大等特点。规模大等特点。n n全球天然气水合物中的总含碳量约为地球上所有化石燃料全球天然气水合物中的总含碳量约为地球上所有化石燃料含碳总含碳总量的两倍量的

10、两倍。绝大部分分布绝大部分分布在海洋中在海洋中,水深水深300300500500米米海底之下海底之下50050010001000米的米的范围范围内内,海洋里海洋里天然气水合物天然气水合物的的资源资源量约为量约为1.81.8亿立方米亿立方米,约合约合1111万亿吨万亿吨,是是陆地资源陆地资源量的量的100100倍倍.n n天然气水合物形成需要天然气水合物形成需要三个三个条件条件:1.1.足够足够低的低的温度温度 2.2.较高较高的的压力压力 3.3.原始物质原始物质-气和水的气和水的足够足够富集富集n n天然气水合物的结构天然气水合物的结构n n中部是中部是甲烷分子，碳甲烷分子，碳1 1（黄（黄

11、色），氢色），氢4 4（灰色）外部是（灰色）外部是n n水分子组成的网笼水分子组成的网笼多个天然气水合物分子的组合n n天然气水合物可能造成的全球变化和海底灾害n n天然气水合物的资源量相当于化石燃料（包括煤、天然气和石油）资源量的两倍全球有机碳的分布全球有机碳的分布n n左图为天然气水合物的外貌n n右图为天然气水合物呈脉状存在于海底沉积物之中 n n天然气水合物的燃烧过程：n n1、天然气水合物置于铁罐中；n n2、点火；n n3、天然气水合物被点燃；n n4、熊熊烈火 天然气水合物在手中燃烧中国发电的平均耗煤量中国发电的平均耗煤量g/kW.hg/kW.h二、热力学发展简史n n1.热力学

12、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。n n2.原始人在争取自己生存条件的自然斗争中学会了取火和用火，这是人类取得的第一个巨大成就，是人类启蒙性地发掘利用热能的第一步。恩格斯曾对此给予了高度评价。但这并不是热力学的开始。n n3.在人类历史上，水力的利用曾长期占据统治地位。n n4.1784年，瓦特（J.Watt,1736-1819)对原始蒸汽机进行改造，增加了曲轴、进汽阀、排汽阀。瓦特的发明引发了产业革命。n n蒸汽机运用到航海也以后，由于船上储煤空间宝贵，促使人们对如何提高蒸汽机的工作效率、节约用煤问题进行了系统的研究，并在十九世纪中叶开始形成“热力学”这门学科，和“电磁学

13、”一道从牛顿力学上分枝出来。5.5.热力学第一、二定律的出现标志着热力学的建立热力学第一、二定律的出现标志着热力学的建立n n1）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。焦耳：能量守恒定律的发现者之一 n n焦耳，焦耳，J.P.J.P.（James James Prescott Joule 1818Prescott Joule 181818891889）n n英国物理学家。英国物理学家。18181818年年121

14、2月月2424日生于索尔福。日生于索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主。他父亲是酿酒厂的厂主。焦耳从小体弱不能上学，焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学，理。他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣。后来对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦酿酒师和业余科学家。焦耳可以说是一位靠自学成耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家。才的杰出的科学家。n n此外，迈尔（Julius Robert Von Mayer 1814-1878）和赫姆霍兹（Hermann Von

15、Helmholtz 1821-1894）等人也都对热力学第一定律作出了贡献。n n2)1824年，卡诺（Sadi Carnot 1796-1832）提出了卡诺循环和卡诺定理，发现了热能转变为机械能的根本条件，即必须有温度不同的热源和冷源，这从本质上说明了热力学第二定律。n n在卡诺研究的基础上，18501851年间，克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律。n n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（Sadi Carnot）：英年早逝的奠基者n n卡诺的父亲拉扎尔卡诺卡诺的父亲拉扎尔卡诺是拿破仑第一执政手下的是拿破仑第一执政手下

16、的战争部长及滑铁卢战争前战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长百日政权的内政部长 n n18121812年，萨迪卡诺考入年，萨迪卡诺考入巴黎理工学院，在那里受巴黎理工学院，在那里受教于泊松盖吕萨克、教于泊松盖吕萨克、安培和阿喇戈这样一批卓安培和阿喇戈这样一批卓有成就的老师。他主要攻有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。画法几何和化学。n n2828岁时发表岁时发表 关于火的关于火的动力动力 36 36岁去世。岁去世。n n6.1906年，能斯特（walter Nernst 1869-1941)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

17、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。热力学第三定律的建立，使经典热力学理论更加完善。n n7.热力学的建立与理论研究上的成就反过来又促进了热动力机的不断改进与发展。n n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%n n十九世纪末，发明了汽轮机：高参数、高效率、大功率。n n十九世纪末，还发明了内燃机：重量轻、热效率高、能移动。n n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n n1.是第一门、也是最重要的一门专业基础课

18、。是众多院校研究生入学的考试科目。n n2.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。n n3.能解决很多专业方面的问题和日常生活方面的问题。例1：革凝汽器的命？n n我国的能源短缺，我国的能源短缺，而一般蒸汽火电厂而一般蒸汽火电厂的热效率只有的热效率只有40%40%左右，煤燃烧产生左右，煤燃烧产生的热量中大约的热量中大约50%50%由冷却塔（由冷却塔（cooling cooling tower)tower)排放到周围排放到周围环境。为什么不能环境。为什么不能不要凝汽器（即所不要凝汽器（即所谓谓“革凝汽器的命革凝汽器的命”）？）？例二：火力发电原

19、理图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n n20032003年年2 2月月1 1日日2222点（北京点（北京时间），美国哥伦比亚航天时间），美国哥伦比亚航天飞机在返回地面前飞机在返回地面前1616分钟解分钟解体，体，7 7宇航员罹难宇航员罹难 。n n失事时，飞行高度为失事时，飞行高度为203,000203,000英尺，时速为英尺，时速为12,50012,500英里。英里。n n老化：服务老化：服务2121年年 。n n滞止温度滞止温度滞止温度滞止温度：在点火升空时，：在点火升空时，其巨大的外部燃料箱物体脱其巨大的外部燃料箱物体脱落，并且击中了飞机的左翼，

20、落，并且击中了飞机的左翼，隔热瓦脱落。隔热瓦脱落。附：隔热瓦n n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n n为什么用蒸锅热剩饭剩菜时，没有必要放很多水？例5：酒精灯n n为什么牙科医生和耳鼻喉医生的诊台上要放一个酒精灯？四：如何学好工程热力学？n n虽然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。n n课前预习，上课认真听讲，做笔记。n n课后复习，独立、认真完成作业。n n热力学的直观语言很重要：P-V图、T-s图、h-s图、h-d图。n n适当地看一些

21、参考书。五、参考书目n n工程热力学 朱明善等 清华大学出版社n n工程热力学 庞麓鸣等 高等教育出版社n n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、作业n n第1章：5，8，10，14，16n n第2章：1，4，9，10，12n n第3章：1，3，4，8，9，12，16n n第4章：6，10，15，17，24，n n第5章：1，4，6，16，21，28，29n n第6章：1，3，8，9，12n n第7章：2，5，8，9，13，14，15n n第8章：1，5，7，12，13，14n n第9章：2，3，6，8，10，14n n第10章：1，4，12，15，18n n第11章：2，3，4，5，9，10n n第12章：1，3，9，10n n第13章：1，3，9，10n n第14章：2，3，4七、课时安排n n总课时为72课时，其中讲课68课时；实验4课时，由老师根据实际情况灵活安排。今今天天就就到到这这里里了了！