1、熱工基礎與應用Fundaments & Applications of Thermodynamics & Heat Transfer主講人：屈治國 熱工基礎與應用教 材：熱工基礎與應用 (傅秦生等編)教學計劃：總學時48，其中主講44學時，實驗4學時。 學分2.5擴展參考教材：工程熱力學 沈維道等編（第三版） 傳熱學 楊世銘等編 (第三版)教學環節：主講、習題、作業、實驗、答疑、考試。參考教材: 熱工學（蔣漢文主編）高等教育出版社 1994 熱工基礎與應用課程性質、目的及任務 課程性質：是講授熱能與機械能相互轉換基本理論和熱量傳遞規律，以提高熱能利用完善程度的一門技術基礎課。課程目的：為學習有

2、關專業課程和將來解決熱工領域的工程技術問題奠定堅實的基礎。課程任務：通過課程學習，使學生掌握包括熱力學和傳熱學兩方面的熱工理論知識，獲得有關熱科學的基本計算訓練和解決有關熱工工程問題的基本能力。熱工基礎與應用第一章 能源概述熱工基礎與應用第一節 自然界的能源及其利用大英百科全書對能源的解釋為“能源是一個包括所有燃料、流水、陽光和風的術語，人類采用適當的轉換手段，給人類自己提供所需的能量”。 在現代漢語辭典中，對能源的注解是“能產生能量的物質，如燃料、水力、風力等”。 凡是能直接或者經過轉換而獲取某種能量的自然資源統稱為能源。熱工基礎與應用一、能源及其分類 能源可以根據來源、形態、使用程度和技術

3、、污染程度以及性質等進行分類。 熱工基礎與應用 按地球上的能量來源分：來自地球外天體的能源直接獲得：宇宙射線、太陽能間接獲得：水力能、風能、波浪能、生物質能、海洋溫差能、化石燃料（煤炭、石油、天然氣）地球本身蘊藏的能源核能（核燃料）、地熱能（溫泉、巖漿等）地球與其它天體（月球等）相互作用的能源海洋的潮汐能熱工基礎與應用按能源存在形態分：一次能源 可直接利用、未改變形態的自然界現存的能源 可再生能源：風能、水能、地熱能、太陽能等 非再生能源：煤、石油、天然氣、核燃料等二次能源 一次能源直接或間接轉換而來的能源 電、高溫蒸汽、焦炭、煤氣、氫、汽油等熱工基礎與應用按使用程度和技術分:常規能源： 開發

4、利用時間長、技術成熟、大量生產并廣泛使用，如煤炭、石油、天然氣、薪柴燃料、水能等新能源：開發利用較少或正在研究開發之中，太陽能、地熱能、潮汐能、生物質能，核能熱工基礎與應用按對環境的污染情況分：清潔能源 對環境無污染或污染很小的能源，如太陽能、水能、海洋能、風能、氫能等；非清潔能源 對環境污染較大的能源，如煤、石油等。熱工基礎與應用按能源本身性質分：含能體能源 集中儲存于物質本身的能量 如石油、煤、天然氣、地熱、氫等過程性能源 通過物質運動過程而產生的能量，其無法直 接儲存并隨過程結束而消失 如水能、風能、潮汐能、電能等。熱工基礎與應用表1-1 能源分類熱工基礎與應用二、能源利用與社會歷史發展

5、 人類利用能源的歷史，也就是人類認識和征服自然的歷史。(1)火的發現和利用(2)畜力、風力、水力等自然動力的利用(3)化石燃料的開發和熱的利用(4)電的發現及開發利用(5)原子核能的發現及開發利用熱工基礎與應用050100150200250300350原始時期狩獵-采集早期農業文明興起工業時代科技時代平均每人每年消耗(GJ)交通耗用農工業生活服務食物消耗公元前十萬年公元前一萬年公元前七千年140018751950熱工基礎與應用每年碳的排放量十億噸意味著什么？. . . 相當于約 1400 座 1兆瓦聯合循環燃氣電廠碳的總排放量. . . 相當于約 6 億輛越野車碳的總排放量. . . 或超過

6、15 億輛小汽車碳的總排放量. . .相當于約 700 座 1兆瓦燃煤電廠碳的總排放量三、能源與國民經濟和人民生活熱工基礎與應用熱工基礎與應用能源消費彈性系數人均能耗：一個國家每年每人的平均能耗。北美：南亞地區55熱工基礎與應用 1997年出版的世界發展報1994年 噸標準油高收入國家 5.006中等收入國家 1.475低收入國家 0.369世界平均 1.433我國 0.664高收入國家的13.3，中等收入國家的46不足世界平均數的一半。熱工基礎與應用四、能源與環境 環境污染溫室效應與熱污染酸雨臭氧層的破壞放射性污染煙塵等 大氣和江海污染土地退化森林面積急劇減少淡水資源日益短缺生物多樣化受到威

7、脅環境惡化熱工基礎與應用地球為什么會變暖？人類大量使用能源放出的熱量使地球暖的嗎？溫室效應熱工基礎與應用中新網北京11月16日消息: 設在華盛頓的地球政策研究所15日說，由于溫室效應造成海平面上升，大洋洲島國圖瓦盧的居民將被迫舉國搬遷。氣溫上升、冰川熔化、海平面上升。今年歐洲出現千年不遇的暖冬熱工基礎與應用熱工基礎與應用人類一年使用的全部能源 80億噸 石油 331016 kJ一年 海水溫度上升 610-5一萬年 海水溫度上升 1人類使用能源一天所放出的熱量 0.1 1016kJ地球一天從太陽獲得的熱量 15001016kJ熱工基礎與應用熱工基礎與應用二氧化碳 氮氧化物 水蒸氣 氟利昂溫室效應

8、氣體熱工基礎與應用熱工基礎與應用熱工基礎與應用何謂酸雨天然降水的本底的PH值為6.55,一般將PH值小于5.6的降雨稱為酸雨。酸雨的分類酸雨正確的名稱應為酸性沉降，它可分為濕沉降與干沉降兩大類。酸 雨熱工基礎與應用 酸雨的成因自然物質： 火山爆發噴出大量的硫化物及懸浮固體物 自然水域表面釋放之硫化氫等 人為物質： 一氧化碳 氯化氫 二氧化硫 氮氧化物等熱工基礎與應用熱工基礎與應用 酸雨的危害熱工基礎與應用臭氧層：離地面大約2530臭氧公里臭氧層的破壞 近幾十年來，由于人類大量使用含氯、氟等化學合成物質作為制冷劑，導致臭氧空洞的出現和不斷擴大。熱工基礎與應用熱工基礎與應用熱污染熱污染：現代工業生

9、產和生活中排放的廢熱所造成 的環境污染。熱污染對水生物的影響熱污染對人類健康的影響熱工基礎與應用根據BP世界能源統計，全球化石燃料可用情況如下：40.6年164年65.1年1636億噸 179.8萬億立方米 9091億噸 儲量儲采比5. 全球能源短缺與環境問題5.1 化石燃料面臨枯竭危險BP世界能源統計2006熱工基礎與應用 而世界人均的能量消耗則不斷上升，在過去一世紀中總能耗增長到25.8倍！ 1kg標準煤的發熱值=29308kJ 年份 總人口 人均能耗 (億） t 標準煤/(人.年) 1900 15.71 0.493 1950 25.01 1.026 2000 60.50 3.300 探明

10、的化石燃料藏量有限，而工業與生活所需數值不斷增長， 這是世界能源所面臨的主要問題之一。 熱工基礎與應用化石燃料儲量比儲采比石 油2.320.1/40.6年天然氣0.9%49.3/65.1年煤 碳11.6%114.5/164年 我國的能源形勢更為嚴峻:我國人均能源擁有量僅為世界平均值的一半，化石燃料的儲采比低于世界平均值; 但工業能耗又高于工業發達國家, 2003年我國國民經濟的GDP僅占世界總值 的 3.9，而主要資源的消耗已經列世界前茅。2006中國能源發展報告熱工基礎與應用*百萬噸當量石油; * 百萬噸No 資源名稱 中國 世界 比例 排序 1 石油/ * 266.43641.8 7.3%

11、 第二 2 煤炭/ * 834.72613.5 31.9 第一 3 鋼材/億噸 2.7110.037 27% 第一 4水泥/百萬噸 810 177645.6% 第一 5淡水/10億 525.3 332515.8% 第一 6 排放/* 3719.4 2498314.9% 第二2003年我國主要資源消耗及環境狀況熱工基礎與應用世界終端用能消費結構比較 OECD-Organization for Economic Cooperation and Development: 經濟合作與發展組織熱工基礎與應用面臨問題 1、人均能源占有量低 ： 中國、美國與世界能源儲備的比較（1994） 2、能源利用率低下

12、 ：各國能源利用效率 3、污染嚴重 熱工基礎與應用0.8Global Warming and CO2 Atmospheric ConcentrationK. Suzuki5.2 化石燃料的燃燒等造成嚴重的環境污染熱工基礎與應用5.3 未來能源需求預測與解決途徑 目前全球每年消耗能量為4.1x1020 J (13TW) ， 到本世紀中頁至少需要增到兩倍以上，到本世紀末要不排放CO2的能源(CO2-free energy)有三種可能：1) 化石燃料和CO2深埋技術；CO2深埋技術尚有很多問題，化石燃料本身有限；2) 核能途徑之一；但核燃料有限，還有后處理問題；3) 可再生能源重要途徑。增加到三倍以

13、上。環保要求新供給的能源無溫室效應。熱工基礎與應用其中太陽能前景最廣闊。據聯合國估計：全球水能可用量小于0.1TW全球潮汛總能量小于2TW地熱總儲量為12TW，只有小部分可利用盡管到達地球大氣層的太陽能僅為其總輻射的已經高達1.78X105TW！22億分子之一，全球鳳能可用量為：24TW熱工基礎與應用第二節 熱能的合理利用 熱工基礎與應用一、熱能的利用 人類利用的主要能源有：水力能、風能、地熱能、太陽能、燃料的化學能和原子核能。20.029.027.024.0202014.324.037.124.6201015.519.536.029.019903.521.544.230.819802.219

14、.942.735.219702.014.032.052.019601.79.827.461.11950水電及其他天然氣石油煤炭年份世界一次能源消費結構熱工基礎與應用 二、熱能利用的形式和熱科學發展簡史 熱能利用形式 直接利用：是指直接用熱能加熱物體，熱能的形式不發生變化。 間接利用：是指把熱能轉換為機械能(或進一步轉化為電能)，以滿足人類生產生活對動力的需要。 熱工基礎與應用1714年，德國華倫海特根據物體的熱脹冷縮原理建立華氏溫標，熱力學走向實驗科學道路熱質學說：熱是一種無質量流體，可以進入一切物質，不生不滅（19世紀中期廢棄）熱運動學說：熱是運動的表現。如摩擦生熱，熱是大量分子不規則運動的

15、能量1784年，英國瓦特改進了原始的蒸汽機(第一次工業大革命，導致涉及熱能間接利用的“工程熱力學”的出現)1824年，法國卡諾提出卡諾定理與卡諾循環，發現熱轉變為機械能的根本條件，即必須有不同的熱源與冷源(熱力學第二定律)(1)熱力學發展簡史 熱科學發展簡史 熱工基礎與應用1842年，德國邁耶提出能量守恒定律：熱是一種能量，并計算得到熱功當量1Cal4.18J論無機性質的力1843年，英國焦耳實驗測定熱功當量值1847年，德國亥姆霍茲是從物理理論方面論證了能量轉換的規律性 力之守恒18401851年，邁耶及焦耳等建立熱力學第一定律：第一類永動機不可能實現18501851年，德國克勞修斯和湯姆遜

16、先后提出熱力學第二定律：第二類永動機不可能實現1906年，德國能斯特得出了熱力學第三定律，人們稱之為“能斯特熱定理”，獲1920年諾貝爾化學獎1910年，荷蘭范德瓦爾斯的實際氣體狀態方程獲諾貝爾物理獎熱工基礎與應用1911年,德國普朗克也提出了對熱力學第三定律的表述(絕對零度不可達到但可以無限趨近) 1878年，普朗克提交博士論文論熱力學的第二定律，亥姆霍茲以及克勞修斯等對普朗克關于熱力學第二定律的新思想加以反對、嘲笑與抵制 普朗克原理：新的科學理論不是靠通過說服反對者而獲勝的，它最后的勝利是由于反對者們終于死去而贊同它的年輕一代成長了起來。 1942年，美國凱南提出有效能概念，能量的有效能分

17、析方法廣泛應用熱工基礎與應用傅立葉導熱定律(Fourier)牛頓冷卻公式(Newton)畢渥(Biot number)雷諾(Reynolds number) 努塞爾(Nusselt number)普朗特(Prandtl number)施密特(Schmidt number)Stefan-Boltzmann定律(2)傳熱學發展簡史 在研究提高熱機功率和效率的過程中，發現傳熱引起的熱損失以及或傳熱效果不良是阻礙提高熱機效率和功率的原因之一。工程技術領域中存在廣泛的傳熱問題。 熱工基礎與應用第三節 熱工基礎的研究對象、內容和方法 熱工基礎與應用一、研究對象 熱工基礎是研究熱能利用的基本原理和規律，以提

18、高熱能利用經濟性（節能）為主要目的的一門學科。(如何實現熱功轉換，及提高轉換的經濟性，如何實現熱量傳遞，及如何提高熱能直接利用的經濟性) 熱工基礎與應用三、研究方法 宏觀+唯象二、主要內容 （一）熱能間接利用：熱力學基本定律、工質的熱力性質和熱力過程等理論基礎。 (熱能與機械能的轉換，工程熱力學) （二）熱能直接利用：三種基本傳熱方式（熱傳導、對流換熱和輻射換熱）基本規律的研究。 (熱量傳遞規律，傳熱學) （三）對實際工程中的工程熱力過程、熱力循環、裝置和換熱設備進行分析研究。 熱工基礎與應用1. 經典熱力學方法：宏觀、唯象的方法通過對宏觀現象的觀察和實驗得到的規律為基礎，經過一些抽象的假定，然后應用邏輯推理的方法得到一些有用的結論。 宏觀、唯象方法為主，個別場合微觀理論方法為輔鮮明的工程應用觀點，概念的理解，問題的解決密切聯系工程實際問題(工程熱力學，工程傳熱學) 宏觀的：根據大量分子的平均行為 唯象的：長期觀察，某些實驗 2. 統計熱力學方法：對分子的行為進行描述，仍建立在牛頓力學的基礎上，再用統計方法把大量分子的行為表現出來。因此它是微觀的、理論的。 熱工基