绪论 能源及热能利用 用来产生各种所需能量的自然资源称为能源。能源是人类赖以生存和发展所必需的燃 料和动力来源,是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础。由于人类不断地开发和 利用各种能源:风力、水力、燃料的化学能、太阳能、地热能和原子核能等,人类社会才 得到发展。从20世纪50年代以来世界各国的国民经济发展来看,各工业发达匡家能源消 费量的增加与国民生产总值的增加成止比关系。听以能源消费水平在一定程度上能够反映 社会生产力的发展水平 我国经济的发展,在很大程度上取决于能源的供应和有效利用,因此能源是国民经济 中的首要问题之一。我国能源资源较为丰富,煤炭的总地质储量约为1.4万亿吨,原煤产 量居世界第一位。已探明的石油地质储量为371亿吨,原油产量已保持在1.3亿吨的水平 居世界第四位。近年来已发现陆上新疆塔里木盆地、青海柴达木盆地、东北松辽盆地、内 蒙二连盆地、河南汉阳以及海上水深200米之内的大陆架的渤海盆地、南黄海盆地、东海 盆地、台湾浅滩、南海珠江口盆地、北部湾盆地和莺歌海盆地等含油气盆地,开发前景良 好。水力资源极为丰富,理论蕴藏量达6.8亿千瓦,居世界首位。其中已探明可供开发利 用的水力能源达3.78亿千瓦,年发电能力达1.9万亿度,但目前只开发利用5%左右,因 而水力资源开发潜力很大。原子核能是一种重要能源,有着广阔的发展前途,我国已探明 的核燃料资源比较丰富,核工业体系已基本建成,为发展核电事业提供了有利条件。已建 成投入运行的有上海秦山核电站、广东大亚湾核电站,台湾省有原子反应堆7座。争200 年我国要建成10套核电机组,装机容量计1000多万千瓦。太阳能、海洋能、风能和地热 能等能源的蕴藏量也很丰富,目前还处于试验开发阶段。必须指出,我国是一个人口众多 的发展中的国家,目前已拥有12亿人口,虽然国土辽阔,资源储量丰富,近年能源产量迅 速提髙,已进入世界前列,但人均能耗水平很低,我国人均商品能耗仅为世界人均能耗平 均值的1/4,而我国还面临仅靠占世界7%的耕地要解决占世界1/4人口的吃饭问题,为实 现跨世纪所规划的经济目标,能源消耗必须与此相适应。因此,能源已成为国民经济发展 的突出的制约因素,必须从我国的国情出发,依靠科学技术,开发与节约并重,这是解决 我国能源问题的根本途径 就目前国际国内技术水平而言,在今后相当长的时期内,主要能源仍将以煤炭、石油 及天然气等矿物燃料为主,也就是利用燃料燃烧所释放的化学能为主,这种燃料的化学能 将转变为燃烧产物的热能,为人类所利用 利用燃料热能的方式有两种。一种是将燃料热能通过各种类型的发动机(热机)及发 电机,使热能转变为机械能或电能。例如桀汽动力装置、燃气动力装置、火箭发动机、内 燃机等都能实现热能的转换并获得机械能或电能。这是热能利用的重要方式,这种热能的 间接利用方式是极其重要的,是人类文明及生产发展的物质基础。人类自从发明」蒸汽机
之后,就引起了第一次工业革命,使手工作坊式生产走向大规模的工业生产,对人类改造 自然,发挥生产起了重大作用 然而热能的间接利用,还存在着热能转为机械能或电能过程中的有效程度的问题。如 在热力发电厂中,最简单的装置,热能有效利用率只有25%左右,最先进的大型装置也只 能达到40%左右。将有60%~75%的热能无法利用,而排放到大气或江河湖海中去,这部 分无法利用的热能称为废热。再如交通运输中的汽钅、火车、飞机及轮船,热能的有效利 用率更低。这些装置排放到大气中的废气,还带有大量有害物质,它污染了人类赖以生存 的环境。因此,如何在动力装置中提高热能的有效利用率并消除污染,是热能科技工作者 的首要任务。目前正在研究中的大型热能动力装置,如能按理想工况进行运转,有可能将 热能的有效利用率提高到55%。提高热能动力装置的热效率是节约能源的主要目标之 热能利用的另一种方式是热能的直接利用,如工业生产中的冶炼、加热、蒸煮、干燥 及分馏等,又如日常生活中的热水供应及采暖等。工业中的热能直接利用的设备很多,如 各种工业炉窑、工业锅炉、各种加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。在这些热能直接利 用的设备中也存在着换热效率问题。如何提高换热设备的换热效率也是当今的重要研究课 题,因为热能的直接利用所消耗的燃料也占有较大的比重,在这方面节约燃料的消耗也是 十分重要的。 国民经济的发展,离不开燃料热能的间接利用和直接利用,然而地球上的矿物燃料资 源毕竞有限,如何提高热能的有效利用率,减少燃料的消耗量,不仅是我国科技界的重大 课題,也是一个世界性的学术问题。因此,对物质热力性质、热能转换及热量传递规律的 研究,具有十分重要的意义 工程热力学的研究对象及主要内容 自从18世纪工业革命大量使用蒸汽机后,人们就不断地探索研究热能的本质以及如何 提高蒸汽机的热效率等一系列有关热现象的问题,并在19世纪中叶先后建立了热力学第 定律及热力学第二定律。当时热力学的研究范围仅局限于热能与机械能之间的转换关系,随 着工业的发展与科学技术的进步,热力学研究的范围已涉及到化工、冶金、冷冻、空调以 及近代的低温、超导、电磁及生物等各个领域。由于热力学的应用范围随着科学技术的发 展日益扩大,因而如何来定义热力学的研究对象是一个比较复杂的问题。但我们可以概括 地认为;热力学是研究物质的热力性质,能量和能量之间相互转换的一门基础理论学 科 工程热力学属于应用科学(工程科学)的范畴,是工程科学的重要领域之一。工程热 力学是从工程的观点出发,研究物质的热力性质、能量转换以及热能的直接利用等问题。它 是设计计算和分析各种动力装置、制冷机、热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理论基 础 工程热力学中有关能量守恒及转换的基本规律是热力学第一定律,它研究热能与其他 各种能量之间的转换关系及热平衡关系。熵是工程热力学中又一重要概念,它提供了分析 研究热力过程方向性与不可逆性的基础,提供了种过程能否进行以及能进行到何种程度 的判据。熵的概念还是分析热能产生最大有用功的理论依据。孤立系统中熵增加的过程可 以进行,而熵减少的过程不能进行,这一结论概括了热力学第二定律的实质
根据以上分析,丁程热力学主要内容大致可分为两个方面:基本理论部分及基本理论 的应用部分 基本理论部分包括工质的性质、热力学第一定律及热力学第二定律等内容。 能量转换具有方向性与不可逆性的基本原因是微观物质运动的形态由有序运动向无序 运动的不可逆转性。热能是分子无序运动的能量是一种低级能.其品质较低。其他形式 的能量,如宏观动能、位能、机械能及电能都属于有序运动形式的能量,是一种高级能,其 品质较高。无序运动的能量与有序运动的能量在本质上是有区别的。无序运动的热能不能 无条件地转变为有序运动的能量,但有序运动能量的转换不存在条件的问题。热力学基本 理论将研究无序运动的热能与有序运动能量之间的转换条件及转换限度等问题。 能量除数量外还有转换能力的大小或质的差别,即能量具有量与质的双重属性。能量 在转换时在量与质两个方面遵循不同的客观规律。热力学第一定律从能量的数量出发,指 出在能量转换过程中能量的总量守恒。热力学第二定律从能量的质的属性出发.指出在能 量转换过程中,能量的质要贬降,即能量的品质要降低要贬值。在孤立系统中,随着过程 的进展,能量的总和虽然守恒,但能量的品质却不断下降,可用能贬值为无用能。这两个 定律从量与质两个方面揭示了能量在转换及传递过程中的客观规律,是热力学研究的理论 基础。参数畑的概念将可用能损失与熵联系起来,奠定了热力学第一定律与第二定律结合 研究的基础。为热能有效利用与节能技术指出了正确的方向。 基本理论的应用部分主要是将热力学基本理论应用于各种热力装置的工作过程,并对 气体和蒸汽循环、致冷循环、热泵循环、喷管及扩压管等进行热力分析及计算,探讨影响 能量转换效果的因素以及提高转换效率的途径与方法等。 热力学的研究方法 热力学有两种研究方法:一种是宏观方法,即经典热力学方法;另一种是微观方法,即 统计热力学方法。宏观方法的特点,是把物质看作是连续的整体,从宏观现象出发,对热 现象进行直接观察和实验,从而总结出自然界的一些普遍的基本规律,这些规律就是热力 学第一定律和热力学第二定律。然后再以这些定律为基础演绎推论而得到具有高度普遍性 的结论。因此,宏观方法所得的结论是人类通过长期观察自然界的经验总结,它的正确性 为无数经验所证明。宏观方法所得的规律是可靠的和具有普遍意义的,工程热力学主要采 用宏观方法。但宏观方法也有不足之处,宏观方法无法解释热现象的本质,不能解释微观 物质结构中个别分子的个别行为,也不能预测物质的具体特性 微观方法的特点,是从物质内部微观结构出发,借助物质的原子模型及描述物质微观 行为的量子力学,利用统计方法去研究大量随机运动的粒子,从而得到物质的统计平均性 质,并得出热现象的基本规律。微观方法从物质内部分子运动的微观机理方面更深刻地解 释热现象的本质,从而进一步解释物质的宏观特性。统计热力学还能解释经典热力学不能 解释的比热理论,嫡的物理意义及熵增原理等物理本质。但微观方法也有其局限性,由于 微观理论所采用的物质结构的物理模型只是物质实际结构的近似,所得结果往往与实际并 不完全一致。微观方法要以繁杂的数学为工具,它的结论又不及宏观方法的可靠,因而在 应用上受到一定的限制。 四、本书采用的单位 国务院已于1984年2月27日发布《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》。我国
法定计量单位基本上采用同际单位制,其国际代号为SI。要求在1990年前过渡完毕,从 1991年开始在全国实行。有关《中华人民共和国法定计量单位》可参阅国务院公布的文件 本书一律采用国务院公布的法定计量单位,但考虑到目前国内某些使用的仪表、手册及书 籍等实际情况,在本书附录中将列出各种单位制之间的换算附表5及附表6以备查用
第一章基本概念 本章固绕能量转换过程、工质状态及状态变化、热力学研究方法等内容,讨论热力系 统、状态特性、热力过程、循环以及功和热等基本概念,为后续内容奠定基础 第一节热力系统 选取热力系统是热力学分析方法中的首要步骤,选定了热力系统就明确了研究对象所 包含的范围和内容,同时也清楚地显示出它与周围事物的相互关系,便于针对热力系统建 立定性和定量的关系 系统、边界与外界 系统:为了便于研究与分析问题,将所要研究的对象与周图环境分隔开来,这种人 为分隔出来的研究对象,称为热力系统,简称系统。如图1-1所示,气缸中虚线包围的气体 就是我们的研究对象,则气体便是热力系统。 2.边界:分隔系统与外界的分界面,称为边界,其作用是确定研究对象,将系统与外 界分隔开来 真空气紅 系统 假想边界 图1-1热力系统 图1-2边界可变形系统 系统的边界可以是实际存在的,也可以是假想的;可以是固定不变的,也可以是运动 的或可变形的。如图1-1中的边界就是气缸壁及活塞端部表面等实物界面相一致的实际边 界。又如图1-2,一个真空的容器,当与外界连接的门打开时,外界空气在大气压力作用 下将流入容器,直至它们的压力与外界大气压力平衡为止。我们可以把大气中流入容器的 那部分空气用一个假想的边界从大气中划分出来,那么,容器内壁以及假想的边界所包围 的空气便是我们研究的热力系统。当阀门打开后,随着空气流入容器,假想的边界受外界 空气压缩,这时边界及整个系统都发生收缩 3.外界:边界以外与系统相互作用的物体,称为外界或环境。系统与外界相互作用通 常有3种形式,即功、热和物质的交换,于是可以设想外界存在能够分别接受或给予系统 热量、功量和质量的热力源或物体。如系统的外界是大气环境,则可看作是热容量为无限