机械工程学科介绍精.ppt
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1、机械工程学科介绍第1页,本讲稿共42页机械工程导论机械工程导论第六章第六章 热和能量系统热和能量系统F概述F机械的能量、功和功率F能量的热传导F能量的守恒和转换F发动机原理及功效本本章章内内容容第2页,本讲稿共42页6.1 6.1 概述概述能(能(energyenergy):):物质运动的一种度量。对应于物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式,能量也有各种形式,彼物质的各种运动形式,能量也有各种形式,彼此可以互相转换,但总量不变。也称为能量。此可以互相转换,但总量不变。也称为能量。能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等子能等。热力学中的
2、能量主要指热能和由热能转换而成热力学中的能量主要指热能和由热能转换而成的机械能。的机械能。第3页,本讲稿共42页与宏观物体的机械运动对应与宏观物体的机械运动对应的能量形式是的能量形式是动能动能;与分子运动对应的能量形式与分子运动对应的能量形式是是热能热能;与原子运动对应的能量形式与原子运动对应的能量形式是是化学能化学能;与带电粒子的定向运动对与带电粒子的定向运动对应的能量形式是应的能量形式是电能电能;与光子运动对应的能量形式与光子运动对应的能量形式是是光能光能;第4页,本讲稿共42页当运动形式相同时:当运动形式相同时:两个物体的运动特性可以采用某些物理量或两个物体的运动特性可以采用某些物理量或
3、化学量来描述和比较。例如,两个作机械运动的化学量来描述和比较。例如,两个作机械运动的物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述物体可以用速度、加速度、动量等物理量来描述和比较;两股作定向运动的电流可以用电流强度、和比较;两股作定向运动的电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述和比较。电压、功率等物理量来描述和比较。当运动形式不相同时:当运动形式不相同时:两个物质的运动特性唯一可以相互描述和两个物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量,即能量特性是一切运比较的物理量就是能量,即能量特性是一切运动着的物质的共同特性,能量尺度是衡量一切动着的物质的共同特性,能量尺度是衡量一切运动形式
4、的通用尺度。运动形式的通用尺度。第5页,本讲稿共42页能量的单位能量的单位能量以各种形式,出现在不同的运动中,并通能量以各种形式,出现在不同的运动中,并通过作功、传热等方式进行转换。过作功、传热等方式进行转换。能量的单位为能量的单位为焦、千瓦时、电子伏(特)等焦、千瓦时、电子伏(特)等。能量在物理中的符号一般是能量在物理中的符号一般是E E,其国际单位是,其国际单位是焦耳焦耳J J,量纲,量纲M*L2*T(-2)M*L2*T(-2)。除焦尔外常用的还。除焦尔外常用的还有有千瓦小时千瓦小时kWhkWh和卡和卡calcal:第6页,本讲稿共42页质能关系质能关系 在在狭义相对论狭义相对论中,能量和
5、另一个重要物理概中,能量和另一个重要物理概念即质量联系在一起了,建立了质能关系公念即质量联系在一起了,建立了质能关系公式:式:E Emcmc2 2,即质量和能量就是一个东西,是,即质量和能量就是一个东西,是一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量,一个东西的两种表述。质量就是内敛的能量,能量就是外显的质量。能量就是外显的质量。爱因斯坦:爱因斯坦:“质量就是能量,能量就是质量。质量就是能量,能量就是质量。时间就是空间,空间就是时间时间就是空间,空间就是时间。”第7页,本讲稿共42页工程热力学的概念工程热力学的概念热力学热力学是研究热现象中,物质系统在平衡时是研究热现象中,物质系统在平衡时的性质和建
6、立能量的平衡关系,以及状态发的性质和建立能量的平衡关系,以及状态发生变化时,系统与外界相互作用的学科。生变化时,系统与外界相互作用的学科。工程热力学工程热力学是热力学最先发展的一个分支,它主是热力学最先发展的一个分支,它主要研究要研究热能热能与与机械能机械能和和其他能量之间其他能量之间相互相互转换转换的规律及其应用,是机械工程的重要基础学科的规律及其应用,是机械工程的重要基础学科之一。之一。第8页,本讲稿共42页工程热力学的基本任务工程热力学的基本任务 基本任务:基本任务:通过对热力系统、热力平衡、热力通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究,状态、热力过程、热力
7、循环和工质的分析研究,改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环,提高热能利用率和热功转换效率。循环,提高热能利用率和热功转换效率。第9页,本讲稿共42页工程热力学具体研究内容工程热力学具体研究内容以热力学基本定律为依据,探讨各种热力过以热力学基本定律为依据,探讨各种热力过程的特性;程的特性;研究气体和液体的热物理性质,以及蒸发和研究气体和液体的热物理性质,以及蒸发和凝结等相变规律;凝结等相变规律;研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过现代工程热力学还包括诸如燃烧
8、等化学反应过程,溶解吸收或解吸等物理化学过程,这就又程,溶解吸收或解吸等物理化学过程,这就又涉及化学热力学方面的基本知识。涉及化学热力学方面的基本知识。第10页,本讲稿共42页工程热力学是关于热现象的宏观理论,研究的工程热力学是关于热现象的宏观理论,研究的方法是宏观的,它以归纳无数事实所得到的方法是宏观的,它以归纳无数事实所得到的热热力学第一定律力学第一定律、热力学第二定律热力学第二定律和和热力学第三定热力学第三定律律作为理论基础,通过物质的压力作为理论基础,通过物质的压力 、温度、比、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为,对宏观现象和
9、热力过程进行研究。体行为,对宏观现象和热力过程进行研究。第11页,本讲稿共42页工程热力学的历史发展工程热力学的历史发展 古代人类古代人类取火和用火;取火和用火;直到直到1717世纪末,人们还不能正确区分温度和热世纪末,人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。量这两个基本概念的本质。1709170917141714年华氏温标和年华氏温标和1742174217451745年摄氏温年摄氏温标的建立,才使测温有了公认的标准。标的建立,才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术,为科学地观测热现象随后又发展了量热技术,为科学地观测热现象提供了测试手段,使热学走上了近代实验科学提供了测试手段
10、,使热学走上了近代实验科学的道路。的道路。第12页,本讲稿共42页17981798年,朗福德(美国年,朗福德(美国-英国物理学家)观察英国物理学家)观察到用钻头钻炮筒时,消耗机械功的结果使钻头到用钻头钻炮筒时,消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。和筒身都升温。17991799年,英国人戴维用两块冰相互摩擦致使年,英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化,这显然无法由表面融化,这显然无法由“热质说热质说”得到解得到解释。释。18421842年,德国的迈尔提出了能量守恒理论,认年,德国的迈尔提出了能量守恒理论,认定热是能的一种形式,可与机械能互相转化,定热是能的一种形式,可与机械能互相转化,并且从空
11、气的定压比热容与定容比热容之差计并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。算出热功当量。第13页,本讲稿共42页英国物理学家焦耳于英国物理学家焦耳于18401840年建立电热当量的年建立电热当量的概念;概念;18421842年以后用不同方式实测了热功当量;年以后用不同方式实测了热功当量;18501850年,焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃年,焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了了“热质说热质说”。公认能量守恒、能的形式可以。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。量单位焦耳就是以他的名字
12、命名的。第14页,本讲稿共42页18241824年,法国人卡诺提出著名的卡诺定理,年,法国人卡诺提出著名的卡诺定理,指明工作在给定温度范围的热机所能达到的指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限,这实质上已经建立起热力学第二效率极限,这实质上已经建立起热力学第二定律。但受定律。但受“热质说热质说”的影响,他的证明方的影响,他的证明方法还有错误。法还有错误。18481848年,英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了年,英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。热力学温标。18501850年和年和18511851年,德国的克劳修斯和开尔文年,德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律,并
13、在此基础上先后提出了热力学第二定律,并在此基础上重新证明了卡诺定理。重新证明了卡诺定理。第15页,本讲稿共42页1850185018541854年,克劳修斯根据卡诺年,克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认,对学第一定律和第二定律的确认,对于两类于两类“永动机永动机”的不可能实现作的不可能实现作出了科学的最后结论,正式形成了出了科学的最后结论,正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也热现象的宏观理论热力学。同时也形成了形成了“工程热力学工程热力学”这门技术科这门技术科学,它成为研究热机工作原理的理学,它成为研究热机工作原理的理论基
14、础,使内燃机、汽轮机、燃气论基础,使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。进展。第16页,本讲稿共42页与此同时,在应用热力学理论研究物质性质的与此同时,在应用热力学理论研究物质性质的过程中,还发展了热力学的数学理论,找到了过程中,还发展了热力学的数学理论,找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数,研究反映物质各种性质的相应的热力学函数,研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律循的各种规律 。19061906年,德国的能斯脱在观察低温现象和化学反年,德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现
15、热定理;应中发现热定理;19121912年,这个定理被修改成热力学第三定律年,这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。的表述形式。第17页,本讲稿共42页F二十世纪初以来,对超高压、超高温水蒸汽等二十世纪初以来,对超高压、超高温水蒸汽等物性,和极低温度的研究不断获得新成果。随物性,和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视,人们对与节能有关的复着对能源问题的重视,人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。趣。第18页,本讲稿共42页工程热物理学学科方向及进展工程热物理学学科方向及进展 工程热力学和能源学科工程热力学和能源
16、学科热力学基础研究方面,在统计热力学及分子模拟热力学基础研究方面,在统计热力学及分子模拟领域有两方面进展:领域有两方面进展:一方面是分形理论等新的分析手段的引进,一方面是分形理论等新的分析手段的引进,取得了好的效果;取得了好的效果;另一方面,统计热力学及分子模拟研究开始另一方面,统计热力学及分子模拟研究开始向实用化迈进。向实用化迈进。第19页,本讲稿共42页F为满足国家节能减排的重大需求,各种余热驱为满足国家节能减排的重大需求,各种余热驱动、低温余热利用以及大温差的制冷循环研究动、低温余热利用以及大温差的制冷循环研究不断深入,吸收、吸附式制冷循环,复叠式制不断深入,吸收、吸附式制冷循环,复叠式
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