1_高等工程热力学

高等工程热力学引言高等工程热力学是一门研究能量转化与传递的学科，通过分析和理解热力学原理与过程，可以为工程领域的能量效率提供指导和优化措施。

本文将介绍高等工程热力学的基本概念、热力学循环、热力学性质等内容。

基本概念热力学是研究能量转化和传递的学科，它主要研究系统的状态、变化和与外界的相互作用。

热力学系统可以是一个物体、一个系统或者一个过程。

在高等工程热力学中，我们通常关注能量转换设备和过程。

热力学基本概念包括系统、界面、状态、过程、热平衡等。

系统是我们研究的对象，它可以是一个封闭系统或开放系统。

界面是系统和外界之间的边界，通过界面可以实现能量和物质的交换。

状态是系统的一组特征参数，可以用来描述系统的特性。

过程是系统从一个状态到另一个状态的变化。

热平衡是指系统内部各部分之间没有温度差异，达到热平衡状态。

热力学循环热力学循环是指在一定条件下，系统经历一系列状态变化，并回到起始状态的过程。

常见的热力学循环包括卡诺循环、布雷顿循环、朗肯循环等。

卡诺循环是一个理想的热力学循环，它由两个绝热过程和两个等温过程组成。

布雷顿循环是蒸汽动力机进行的热力学循环，它由四个过程组成：膨胀过程、冷凝过程、液相过程和加热过程。

朗肯循环是内燃机进行的热力学循环，它由四个过程组成：压缩过程、燃烧过程、膨胀过程和排气过程。

热力学循环中的能量转化和效率是很重要的指标。

根据热力学第一定律，能量在循环中是守恒的，因此循环中的能量输入和输出需要平衡。

热力学循环的效率可以通过功率输出与热源消耗的比值来度量，有效提高热力学循环的效率是工程热力学的关键研究方向之一。

热力学性质热力学性质是描述物质状态和性能的物理量，常见的热力学性质包括温度、压力、体积、摩尔数、内能、焓、熵等。

温度是描述物体热平衡状态的物理量，它决定了热能的传递方向和速率。

压力是物质对于边界的作用力，它与物质的分子间相互作用力有关。

体积是物质所占据的空间大小。

摩尔数是单位物质中的分子或原子数目。

高等工程热力学教案一、教学目标1.掌握高等工程热力学的基本概念和基本原理。

2.理解热力学系统和热力学过程的基本特征。

3.掌握热力学第一定律和第二定律的表述和应用方法。

4.能够应用热力学知识解决实际工程问题。

二、教学内容1.高等工程热力学简介(1)高等工程热力学的定义和研究对象。

(2)热力学系统的基本概念和分类。

(3)热力学平衡和非平衡态。

2.热力学基本概念和基本原理(1)热力学过程和过程的分类。

(2)内能和焓的概念及其性质。

(3)热力学第一定律的表述和应用。

(4)克拉珀龙方程和基尔霍夫循环定理。

3.熵和热力学第二定律(1)熵的引入和熵增定理。

(2)热力学第二定律的表述和应用。

(3)熵的计算方法和热力学性能的描述。

4.理想气体和理想气体混合物的热力学性质(1)理想气体状态方程和气体定律。

(2)理想气体的内能、焓和熵的计算方法。

(3)理想气体混合物的理论计算方法。

5.热力学循环和工质使用(1)热力学循环的分类和性能参数。

(2)理想循环和实际循环。

(3)工质选择和工质性能参数。

三、教学方法1.理论讲授：通过课堂讲解，将高等工程热力学的基本概念、基本原理和应用方法传授给学生。

2.实例分析：提供一些实际工程问题，并引导学生应用热力学知识解决问题，加强实际应用能力的培养。

3.讨论引导：组织学生开展小组讨论，让学生在讨论中相互启发，共同思考和解决问题。

四、教学工具1.讲义和教材：准备高等工程热力学的讲义和教学参考教材，便于学生学习和复习。

2.多媒体设备：利用多媒体设备播放示意图、实验视频等，直观地展示热力学原理和实验过程。

3.计算工具：提供计算软件或计算器，方便学生进行数值计算。

五、教学过程1.导入：通过提问和讲解，引入高等工程热力学的概念和研究对象。

2.知识讲解：逐步讲解热力学的基本概念、基本原理和应用方法。

3.实例分析：提供一些实际工程问题，引导学生应用热力学知识解决问题。

4.小组讨论：组织学生进行小组讨论，让学生相互启发、共同思考和解决问题。

高等工程热力学介绍热力学是研究能量转化和热效应的科学。

而高等工程热力学则是在原有的基础上针对工程领域的应用进行深入研究的学科。

本文将介绍高等工程热力学的基本概念、原理和应用，以及相关的一些实例。

热力学基本概念热力学的基本概念有热力学系统、热力学过程、热力学性质等。

一个热力学系统是指进行能量交换的物理系统，可以是封闭系统、开放系统或者孤立系统。

热力学过程是指系统从一种状态变换到另一种状态的过程，可以是等温过程、绝热过程、等压过程等。

热力学性质是指描述热力学系统的特性，比如温度、压力、体积等。

热力学原理高等工程热力学基于热力学原理进行研究。

其中，热力学第一定律是能量守恒原理，它表明能量不能被创造或者毁灭，只能从一种形式转换为另一种形式。

热力学第二定律是能量传递的方向性原理，它表明热量自然地从高温物体流向低温物体，而不会反向流动。

熵增原理是热力学第二定律的数学表述，它描述了系统熵的增加趋势。

熵是一个衡量系统有序程度的指标，它的增加代表了能量的不可逆损失。

高等工程热力学应用高等工程热力学的应用十分广泛，涉及到多个工程领域。

以下是一些常见的应用实例：热力学循环分析高等工程热力学经常用于分析热力学循环，如蒸汽动力循环、制冷循环等。

通过对循环中各个组成部分的能量转换和损失进行研究，可以优化循环的效率和性能。

热传导计算在工程中，热传导是一个重要的问题。

高等工程热力学可以通过研究热传导的原理和机制，优化工程中的热传导问题，提高热传导的效率。

热力学系统优化通过对热力学系统进行优化设计，可以提高能量转换效率，降低能量消耗。

高等工程热力学可以通过分析系统的热力学性质，找到最优化的设计方案。

新能源开发高等工程热力学也可以应用于新能源的开发。

通过对新能源的高温特性、热力学性质进行研究，可以优化新能源的利用方式，提高能源利用效率。

结论高等工程热力学是热力学在工程领域中的应用和发展。

它通过研究热力学原理和原理的应用，优化工程中的能量转换和热效应问题。

《高等工程热力学》课程教学大纲课程编号：学分： 3 总学时：54大纲执笔人：杜爱民大纲审核人：一、课程性质与目的二、课程基本要求三、课程基本内容大纲内容及学时分配：第一章绪论（4学时）高等工程热力学课程的背景知识、热力学的发展史；介绍课程性质、课程主要内容、课程的基本要求等，复习基本概念。

第二章温度与热力学第零定律（4学时）温度测量与温标概念，热力学第零定律与国际温标（ITS-90）。

第三章热力学第一定律（4学时）热力学基本概念、热力学第一定律、系统的能量的概念、热力学第一定律的应用。

第四章热力学第二定律与熵（4学时）卡诺原理、热力学第二定律、热力学温标与熵、孤立系统熵增原理、能量贬值原理、极值原理、亥姆霍兹函数与吉布斯函数。

第五章火用与能量分析（6学时）火用与能、能分析与火用分析、热量火用与冷量火用、稳流工质的物理火用与焓火用第六章纯净流体的热力学性质（4学时）热力学曲面与相图、流体的比体积、维里方程、三次型状态方程、其他状态方程、压缩因子的通用化关联、固定组元物质的热力学微分关系式、热力学微分关系式的推导方法、纯净流体热力性质的计算。

第七章均匀混合物系的热力性质（4学时）变组元均匀混合物系的热力学基本关系式、气体混合物的热力性质、混合物中组元的逸度和逸度系数、液体混合物的热力性质、理想溶液、非理想溶液、活度与活度系数、二元混合物的相依性、浓溶液与稀溶液、混合过程热力参数的变化第八章多元系的相平衡（自学）相平衡概述、二元互溶系气液平衡相图。

第九章化学热力学基础（8学时）热力学第一定律应用于化学反应、化学平衡、反应平衡时理想气体的热容、多个反应的平衡、燃料的化学火用，、燃料电池、热力学第三定律等考试（2学时）四、实验或上机内容五、前修课程要求六、学时分配七、教材与主要参考书。

《高等工程热力学》课程教学大纲编号：C3/研部03/002一、课程名称1．中文名称：高等工程热力学2．英文名称：Advanced Engineering Thermodynamics二、课程概况课程类别：学位基础课学时数：48学分数：3适用专业：动力机械及工程开课学期：一开课单位：商船学院三、大纲编写人：章学来四、教学目的及要求本课程是为动力工程、热能工程、燃烧、供热、制冷空调及能源工程等专业研究生所设的一门专业理论基础。

它是在本科工程热力学的基础，在对热力学现象有所熟悉的情况下，以宏观和微观的角度对热力学的基本理论进行了深化和拓宽，充实了热力学基本定律的本质及其数学表达式。

工程热力学研究热能与机械能之间的转换规律，从本质上讲就是研究无序能与有序能之间的转化。

热力学第一、第二定律阐述能量转换在量和质方面遵循的客观规律，通过工质和过程的选择实现人们期望的能量转换。

通过本课程的学习要求学生掌握热力学研究对象的特殊性和工程热力学的研究方法、分析思路，能运用工程热力学理论指导能流合理和有效地利用，提高学生灵活掌握热力学原理解决工程实际问题的能力。

五、课程主要内容及先修课程本课程阐述了热力学研究对象的特殊性，能量转换的量和质的变化规律及能量转换的内外条件；热力学的两基本定律和熵增加原理；从热力学观点论述了气体在变截面和平直管道内的流动特性，介绍近代实际气体与流体计算中常用的通用状态方程，以及利用状态方程通过热力微分方程计算其它热力性质的方法。

针对轮机工程专业及制冷与低温工程专业的教学研究需要，讲解化学热力学及溶液热力学，为提高学生对热力学的兴趣及应用热力学分析的能力，课程增加了一些热力学前沿的内容及创新内容与实践。

教学重点是热力学基本律以及能量转换的量和质的变化规律，研究方法是以宏观平衡的经典热力学为主，并辅统计热力学方面的微观理论来深入解释宏观现象的实质。

预修课程：工程热力学、大学物理、高等数学六、课程教学方法1、教室要求：多媒体教室2、课件来源：自制（章学来）3、其他教学手段：除理论授课之外，通过案例分析与工程实际问题实现学生对高等工程热力学方面的理论知识的理解与掌握。

3.4 热力学第二定律作业一、单项选择题1．关于热力学定律和分子动理论，下列说法正确的是()A．一定量气体吸收热量，其内能一定增大B．不可能使热量由低温物体传递到高温物体C．若两分子间距离增大，分子势能一定增大D．若两分子间距离减小，分子间引力和斥力都增大解析：选D.根据热力学第一定律，A错；假如有外界的影响，可以使热量由低温物体传递给高温物体，比如空调工作时有电的参与，B错；当r<r0时，两分子间作用力表现为斥力，距离增大．分子力做正功，分子势能减小，C错；由分子力的特点知，D对．2．下列说法，正确的是()A．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行B．一切自然过程总是沿着分子热运动的有序性增大的方向进行C．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵一定不会增大D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵可能减小解析：选 A.根据熵增加原理，不可逆过程总是朝着熵增大的方向进行，故选A.3．我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来，其原因是()A．违反了能量守恒定律B．在任何条件下内能不可能转化为机械能，只有机械能才能转化为内能C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的D．以上说法均不正确解析：选 C.机械能和内能的相互转化，必须通过做功来实现．机械能可以自发地转化为内能，但内能不能自发地转化为机械能．4．下列过程中，可能发生的是()A．某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高D．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开解析：选 C.根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些物理手段是可以实现的，故C项正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定要引起其他影响，故A项错；气体膨胀具有方向性，故B项错；扩散现象也有方向性，D项也错．5．下面关于熵的有关说法错误的是()A．熵是系统内分子运动无序性的量度B．在自然过程中熵总是增加的C．热力学第二定律也叫做熵减小原理D．熵值越大代表着越无序解析：选 C.如果过程是可逆的，则熵不变，如果不可逆，则熵是增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．6．下列说法中正确的是()A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性B．热量不可能由低温物体传给高温物体C．气体的扩散过程具有方向性D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性解析：选 C.热力学第二定律反映的是所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、D错；热量不是不能从低温物体传给高温物体，关键是看能否还产生其他影响，B错；气体的扩散过程具有方向性，C对．7．有经验的柴油机维修师傅，不用任何仪器，只要将手伸到柴油机排气管附近，去感知一下尾气的温度，就能够判断出这台柴油机是否节能，真是“行家伸伸手，就知有没有”．关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系，你认为正确的是()A．尾气的温度越高，柴油机越节能B．尾气的温度越低，柴油机越节能C．尾气的温度高低与柴油机是否节能无关D．以上说法均不正确解析：选 B.气体的内能不可能完全转化为柴油机的机械能，柴油机使柴油燃料在它的汽缸中燃烧，产生高温高压的气体，是一个高温热源；而柴油机排气管排出的尾气是一个低温热源．根据能量守恒，这两个热源之间的能量差就是转换的机械能，燃烧相同的燃料，要想输出的机械能越多，尾气的温度就越低．二、双项选择题8．根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A．不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变为电能解析：选AD.热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，不可能从单一热源吸收能量，意味着不仅要从一个热源吸热，而且一定会向另一个热源放热，故A对；机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须有外界的帮助，故B错；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错；火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D对．9．对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是()A．系统的总熵只能增大，不可能减小B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C．系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展解析：选AC.在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故A正确，B错误．根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更加无序的状态发展，故C正确，D错误．故选AC.10．下列关于能量转化的说法中，正确的是()A．机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能B．机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能C．机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能D．机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化解析：选BD.由能的转化和守恒定律及能量守恒定律知，各种形式的能量之间可以相互转化，但是内能在转化为机械能的过程中，由于内能的各种耗散，不会完全转化为机械能．故B、D正确．三、非选择题11．质量相同、温度相同的水，如图所示分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？解析：分子的无规则运动就是一种无序运动，气体分子的无规则运动最剧烈，无序程度最大．所以质量相同、温度相同的水分别处于固、液、气三种状态时，固态的无序程度最小，气态的无序程度最大，而熵的大小表示无序程度大小，所以气态的熵最大，液态的熵较大，固态的熵最小．答案：见解析☆12.某热机使用热值q＝3.0×107 J/kg的燃料，燃烧效率为η1＝80%，汽缸中高温、高压的燃气将内能转化为机械能的效率为η2＝40%，热机传动部分的机械效率为η3＝90%，若热机每小时燃烧m＝40 kg的燃料，那么热机输出的有用功率为多少？解析：根据题意，热机每小时做的功为W＝qmη1η2η3＝3.0×107×40×80%×40%×90% J＝3.456×108 J由功率的定义式P ＝W t ＝3.456×10860×60W ＝96 000 W ＝96 kW. 答案：96 kW。

1、简述温度的定义、物理意义及温度测量的工程应用意义。

温度是表征物体冷热程度的物理量，是物质微粒热运动的宏观体现。

根据热力学第零定律说明，物质具备某种宏观性质，当各物体的这一性质不同时，它们若相互接触，其间将有净能流传递；当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。

人们把这一宏观物理性质称为温度。

物理意义：从微观上看，温度标志物质分子热运动的剧烈程度。

温度和热平衡概念直接联系，两个物系只要温度相同，它们间就处于热平衡，而与其它状态参数如压力、体积等的数值是否相同无关，只有温度才是热平衡的判据。

温度测量的工程应用意义：温度是用以判别它与其它物系是否处于热平衡状态的参数。

被测物体与温度计处于热平衡，可以从温度计的读书确定被测物体的温度。

2简述热与功的联系与区别区别：功是系统与外界交换的一种有序能，有序能即有序运动的能量，如宏观物体（固体和流体）整体运动的动能，潜在宏观运动的位能，电子有序流动的电能，磁力能等。

在热力学中，我们这样定义功：“功是物系间相互作用而传递的能量。

当系统完成功时，其对外界的作用可用在外间举起重物的单一效果来代替。

”一般来说，各种形式的功通常都可以看成是由两个参数，即强度参数和广延参数组成，功带有方向性。

功的方向由系统与外界的强度量之差来决定，当系统对外界的作用力大于外界的抵抗力时，系统克服外界力而对外界做功。

功的大小则由系统与外界两方的较小强度量的标值与广延量的变化量的乘积决定，而功的正号或负号就随广延量的变化量增大或减小而自然决定。

热量是一种过程量，在温差作用下，系统以分子无规则运动的热力学能的形式与外界交换的能量，是一种无序热能，因此和功一样热量也可以看成是由两个参数，即强度参数和广延参数组成的量。

传递热量的强度参数是温度，因此有温差的存在热量传递才可以进行。

热量的大小也可以由系统的与外界两方的较小强度量的标量与广延量变化量的乘积决定。

热量也有方向性。

热量的方向由系统与外界的温度之差来决定，当外界的温度高于系统的温度时，外界对系统传热。

《高等工程热力学》课程大纲《高等工程热力学》课程大纲课程编号：M051001 课程名称：高等工程热力学学时数：48英文名称：Advanced Engineering Thermodynamics 学分：3 开课时间：第2 学期授课单位：石油化工学院拟稿：陈叔平审核：李超教学基本要求：本课程是对工程热力学内容的进一步加深和拓宽，主要讲授能量的可用性、热力学函数及普遍关系式、状态方程、多组分系统的性质及相平衡、特殊系统热力学、低温热力学基础、化学热力学基础、不可逆热力学简介等内容。

通过本课程的学习，学生应从更高层次上去理解掌握热力学的概念、理论和研究方法，分析解决热力工程的实际问题。

教学内容：第一章热力学基础1.热力学第零定律2.热力学弟一定律3.热力学第二定律第二章能量可用性1.能量可用性分析2.可用能利用程度评价指标3.不可逆过程与功损4.燃料电池5.气体理想分离第三章热力学函数与普遍关系式1.热力学特征函数2.函数行列式3.麦克斯韦关系式与热系数4.比热容的普遍关系式5.熵、内能、焓的普遍关系式6.焦耳-汤姆逊系数第四章状态方程及应用1.纯流体方程式2.偏离函数3..蒸气压方程式第五章多组分系统的性质1.基本方程式与化学势2.偏摩尔参数及其热力学关系式3.逸度与逸度系数4.溶体5.拉乌尔定律与亨利定律6.活度与活度系数第六章多组分系统的相平衡1.多相系统的热力学方程2.二元汽液系统3.共沸混合物4.相律5.沸点升高与凝固点降低6.渗透与反渗透第七章特殊系统热力学1.简单弹性系统2.液面表面性质3.简单磁系统与热力学第三定律第八章低温热力学基础1.获得低温方法2.气体液化系统3.氦的相特性4.超流体5.氦稀释制冷机6.顺磁性固体第九章化学热力学基础1.热力学第一定律解析式2.赫斯定律和基尔霍夫定律3.绝热理论燃烧温度4.化学平衡与平衡常数5.平衡移动原理第十章不可逆过程热力学简介1.局部平衡假说2.熵产率3.线性唯象方程式4.倒易定律5.不可逆过程热力学应用举例需前修课程：工程热力学，传热学，工程流体力学教材及参考书：1.杨思文，金六一，等编著．高等工程热力学．北京：高等教育出版社，19882.苏长荪，谭连城，刘桂玉编著．高等工程热力学．北京：高等教育出版社，19873.陈宏芳，杜建华编著．高等工热力学．北京：清华大学出版社，2003。