工程热力学 童钧耕.doc

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1、绪论0-1热能及其利用能源是人类社会不可缺少的物质基础之一，人类社会的发展史与人类开发利用能源的广度和深度紧密相连。所谓能源，是指提供各种有效能量的物质资源。自然界中可被人们利用的能量主要有煤、石油等矿物燃料的化学能以及风能、水力能、太阳能、地热能、原子能、生物质能等。其中风能和水力能是自然界以机械能形式提供的能量，其他则主要以热能的形式或者转换为热能的形式供人们利用。可见，能量的利用过程实质上是能量的传递和转换过程(图0-1)。据统计，世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过85％，我国则占90％以上。因此，热能的开发利用对人类社会

2、发展有着重要意义。热能的利用通常有两种基本形式：一种是热利用，如在冶金、化工、食品等工业和生活上应用；另一种是热能的动力利用，即把热能转化成机械能或电能，为人类社会的各方面提供动力等。18世纪中叶以后，蒸汽机的发明实现了热能大规模、经济地转换成机械能，使工业生产、科学技术和人们的生活有了突飞猛进的变化。在当今科技条件下，利用得最多的能源是燃料的化学能。通过燃烧，燃料的化学能转换成热能，再将热能转换成机械能或电能供人们使用。20世纪60年代以来，人们已开始把原子能内部蕴藏的巨大能量通过裂变反应释放出来，加以和平利用。目前，世界上已有包括

3、中国在内的数十个国家的数百座核电厂正在源源不断地输出电力。此外，人们也在努力地把太阳能、地热能等转化为动力，供人们利用。热能通过热能动力装置转换为机械能的效率较低，即使是当代最先进的大型燃气一蒸汽联合发电装置的热效率也只有57％。因此，人们一直在寻求使热能或燃料化学能直接转换为电能的方法，如磁流体发电、太阳能电池、燃料电池等。自然界所发生的一切运动，都伴随着能量的变化，生命过程也不例外。例如，肌肉收缩时高能磷酸键的化学能转变为机械能而做功，光合作用中光能转变为化学能，视觉过程中光能转变为电能而产生视觉，等等，都是能量的转化和利用。生物

4、系统主要由四种元素构成：氢、氧、碳和氮。人体质量的72％是水；人体原子的63％为氢，25.5％是氧，9.5％为碳，1.4％是氮，其余的0.6％是生命必须的其他20种元素。生物系统可以小到一个细胞，也可以是平均直径为0.01mm的100万亿细胞构成的人体。在生命的运动中广泛地包含着复杂的热运动，生物系统的能量转换和传递错综复杂，但是热力学的基本原理在生命运动中也是适用的。能源的开发利用一方面为人类社会的发展提供了必需的能量，另一方面也造成了对自然环境的破坏和污染。与能源开发利用密切相关的温室效应、酸雨、核废料辐射等对地球的生态系统造成了

5、严重威胁，因此人们正以极大的热情关注节能、可再生能源的开发等，努力在满足人类社会对能量需求的同时不破坏或少破坏自然环境：实现可持续发展，为后代留下良好的生存空间。热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。工程热力学是热力学的工程分支，是在阐述热力学普遍原理的基础上，研究这些原理的技术应用的学科，它着重研究的是热能与其他形式能量(主要是机械能)之间的转换规律及其工程应用。掌握工程热力学的基本原理，必将为在能源、动力、机械、航空航天、化工、生物工程及环境工程等领域内的深入研究打下坚实的基础。0-2热力

6、学发展简史人类的生产实践和探索未知事物的欲望是科学技术发展的动力。热现象是人类最早广泛接触到的自然现象之一，但是直到18世纪初，在欧洲，由于煤矿开采、航海、纺织等产业部门的发展，产生了对热机的巨大需求，才促使热学的发展得到积极的推动。1763—1784年间，英国人瓦特(JamesWatt，1736—1819)对当时用来带动煤矿水泵的原始蒸汽机做了重大改进，且研制成功了应用高于大气压的蒸汽和配有独立凝汽器的单缸蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率。此后，蒸汽机为纺织、冶金、交通等部门广泛采用，使生产力有了很大的提高。蒸汽机的发明与应用，刺激、推

7、动了热学方面的理论研究，促成了热力学的建立与发展。1824年，法国人卡诺(SadiCarn、ot，1796-1832)提出了卡诺定理与卡诺循环，指出热机必须工作于不同温度的热源之间，并提出了热机最高效率的概念，这在本质上已阐明了热力学第二定律的基本内容。卡诺用当时流行的“热质说”作为其理论的依据，虽然他的结论是正确的，但证明过程却是错误的。在卡诺所做工作的基础上，1850-1851年间克劳修斯(RudolfClausius，1822-1888)和汤姆逊(WillianThomson，即开尔文I,ordKelvin，1824一l907)

8、先后独自从热量传递和热转变成功的角度提出了热力学第二定律，指明了热过程的方向性。．在热质说流行的年代，一些研究者用实验事实驳斥了其错误，但由于没有找到热功转换的数量关系，他们的工作没有受到重视。早在l778年，伦福德(C