《热工基础》课程笔记.docVIP

《热工基础》课程笔记

第一章：能源概述

1.1自然界的能源及其利用

自然界中的能源主要分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源包括太阳能、水力能、风能、生物质能等，这些能源在人类可观测的时间尺度内可以自然恢复。不可再生能源包括煤炭、石油、天然气等，这些能源的形成周期非常漫长，远远超出人类历史的时间尺度。

人类对能源的利用经历了从直接利用太阳能到发现和利用化石能源的过程。目前，化石能源在人类能源消费中占据主导地位，但同时也带来了环境污染和气候变化等问题。因此，开发和利用可再生能源，实现能源的可持续发展，已成为全球关注的焦点。

1.2热能的合理利用

热能是能量的一种表现形式，存在于物体内部，与物体的温度和状态有关。热能的利用主要包括热力发电、工业生产过程中的热处理、建筑供暖和空调等。合理利用热能，提高能源利用效率，是节能减排、保护环境的重要途径。

在热能利用过程中，热力学第一定律和第二定律是基本原理。热力学第一定律指出，能量守恒，即能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转换为另一种形式。热力学第二定律则涉及到能量的品质和转换效率，指出不可能从单一热源吸收热量并完全转化为功，总会有一部分热量以废热的形式散失。

1.3热工基础的研究对象、内容和方法

热工基础是研究热能及其转换、传递和利用规律的学科。研究对象包括热力设备、热力系统及状态参数、平衡状态及状态方程式、准平衡过程及可逆过程等。研究内容涉及热力学第一定律、热力学第二定律、气体的性质、热力过程、气体与蒸汽的流动、热力循环、传热的基本形式和机理等。

研究方法主要包括理论分析、实验研究和数值模拟。理论分析基于热力学的基本定律和原理，对热力过程和设备进行解析和计算。实验研究通过搭建实验装置，对热力现象进行观察和测量，验证理论分析的准确性。数值模拟利用计算机技术，对热力过程进行数学建模和计算，预测热力系统的性能和优化设计方案。

第二章：热工转换的基本概念

2.1热力设备

热力设备是指利用热能进行能量转换或传递的装置。常见的热力设备包括锅炉、汽轮机、内燃机、空调、制冷机等。这些设备在工业生产、交通运输、建筑供暖和空调等领域发挥着重要作用。

2.2热力系统及状态参数

热力系统是指由热力设备和连接管道组成的系统，用于实现热能的转换和传递。热力系统的状态参数是描述系统状态的特征量，包括温度、压力、比容、内能、焓等。这些参数在热力过程中会发生变化，通过它们可以了解系统的状态和性能。

2.3平衡状态及状态方程式

平衡状态是指热力系统内部各部分之间不存在宏观的净能量和物质交换，系统的宏观性质不随时间变化。在平衡状态下，热力系统的状态参数之间存在一定的关系，可以用状态方程式来描述。常见的状态方程式包括理想气体状态方程、范德华方程等。

2.4准平衡过程及可逆过程

准平衡过程是指热力系统中各部分之间存在微小的能量和物质交换，但整体上仍可视为近似平衡的过程。准平衡过程的假设使得热力系统的分析更加简化，但会引入一定的误差。可逆过程是指热力系统在无限缓慢地进行能量和物质交换的过程，是一种理想化的过程。在可逆过程中，系统的熵保持不变。

2.5热力循环

热力循环是指热力系统从一个初始状态出发，经过一系列过程后回到初始状态的过程。在热力循环中，热能被转化为功或其他形式的能量。常见的热力循环包括卡诺循环、布雷顿循环、朗肯循环等。通过分析热力循环的性能参数，可以评估热力设备的效率和优化方向。

2.6热力学第一定律表达式

热力学第一定律表达式是能量守恒定律在热力学中的具体表述。对于封闭系统，热力学第一定律表达式可以表示为：ΔU=Q-W，其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。这个表达式说明了热能和功之间的转换关系。

2.7稳定流动系统的能量方程及其应用

稳定流动系统的能量方程是描述热力系统中能量转换和传递的方程。对于稳定流动系统，能量方程可以表示为：Q-W=ΔH+ΔKE+ΔPE，其中ΔH表示系统焓的变化，ΔKE表示系统动能的变化，ΔPE表示系统势能的变化。这个方程可以用于分析热力设备中的能量转换过程，评估设备的性能和效率。

第三章：热力学第一定律

3.1热力学第一定律及其实质

热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的具体应用，它表明能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。在热力学中，这一定律通常用来描述热能、机械能和其他形式能量之间的转换关系。

3.2热力学能、焓和熵

热力学能（内能）是系统内部所有微观粒子运动和相互作用的能量之和，它是一个状态函数，表示为U。焓是系统在恒压过程中吸收或释放的热量，表示为H，它与内能的关系为H=U+PV，其中P是压力，V是体积。熵是系统无序程度的度量，表示为S，它与系统的可逆性有关。

3.3