工程熱力學 -熱力學學科分支

工程熱力學

工程熱力學是熱力學最先發展的一個分支,它主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其套用,是機械工程的重要基礎學科之一。 熱力學是研究熱現象中,物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關系,以及狀態發生變化時,系統與外界相互作用的學科

  • 中文名稱
    工程熱力學
  • 外文名稱
    Engineering Thermodynamics
  • 類型
    科學
  • 分類
    熱力學
  • 屬性
    工程科學

基本概念

研究對象:熱力系統

熱力系統的描述:狀態和狀態參數

狀態參數間的關系:狀態方程

狀態參數的變化:熱力過程

發生熱力過程的原因:功和熱

研究方法

(圖)工程熱力學(圖)工程熱力學

工程熱力學的基本任務是:通過對熱力系統、熱力平衡、熱力狀態、熱力過程、熱力迴圈和工質的分析研究,改進和完善熱力發動機、製冷機和熱泵的工作迴圈,提高熱能利用率和熱功轉換效率。

為此,必須以熱力學基本定律為依據,探討各種熱力過程的特徵;研究氣體和液體的熱物理性質,以及蒸發和凝結等相變規律;研究溶液特徵也是分析某些類型製冷機所必需的。現代工程熱力學還包括諸如燃燒化學反應過程,溶解吸收或解吸等物理化學過程,這就又涉及化學熱力學方面的基本知識。

工程熱力學是關于熱現象的巨觀理論,研究的方法是巨觀的,它以歸納無數事實所得到的熱力學第一定律熱力學第二定律和熱力學第三定律作為推理的基礎,通過物質的壓力溫度比容等巨觀參數和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為,對巨觀現象和熱力過程進行研究。

這種方法,把與物質內部結構有關的具體性質,當作巨觀真實存在的物性資料予以肯定,不需要對物質的微觀結構作任何假設,所以分析推理的結果具有高度的可靠性,而且條理清楚。這是它的獨特優點。

研究簡史

古代人類早就學會了取火和用火,不過後來才註意探究熱、冷現象的實質。但直到17世紀末,人們還不能正確區分溫度和熱量這兩個基本概念的本質。在當時流行的“熱質說”統治下,人們誤認為物體的溫度高是由于儲存的“熱質”數量多。1709~1714年華氏溫標和1742~1745年攝氏溫標的建立,才使測溫有了公認的標準。隨後又發展了量熱技術,為科學地觀測熱現象提供了測試手段,使熱學走上了近代實驗科學的道路。

(圖)相關書籍(圖)相關書籍

1798年,朗福德觀察到用鑽頭鑽炮筒時,消耗機械功的結果使鑽頭和筒身都升溫。1799年,英國人戴維用兩塊冰相互摩擦致使表面融化,這顯然無法由“熱質說”得到解釋。1842年,邁爾提出了能量守恆理論,認定熱是能的一種形式,可與機械能互相轉化,並且從空氣的定壓比熱容與定容比熱容之差計算出熱功當量。英國物理學家焦耳于1840年建立電熱當量的概念,1842年以後用不同方式實測了熱功當量。1850年,焦耳的實驗結果已使科學界徹底拋棄了“熱質說”。公認能量守恆、能的形式可以互換的熱力學第一定律為客觀的自然規律。能量單位焦耳就是以他的名字命名的。

熱力學的形成與當時的生產實踐迫切要求尋找合理的大型、高效熱機有關。1824年,法國人卡諾提出著名的卡諾定理,指明工作在給定溫度範圍的熱機所能達到的效率極限,這實質上已經建立起熱力學第二定律。但受“熱質說”的影響,他的證明方法還有錯誤。1848年,英國工程師開爾文根據卡諾定理製定了熱力學溫標。1850年和1851年,德國的克勞修斯和開爾文先後提出了熱力學第二定律,並在此基礎上重新證明了卡諾定理。

1850~1854年,克勞修斯根據卡諾定理提出並發展了熵的概念。熱力學第一定律和第二定律的確認,對于兩類“永動機”的不可能實現作出了科學的最後結論,正式形成了熱現象的巨觀理論熱力學。同時也形成了“工程熱力學”這門技術科學,它成為研究熱機工作原理的理論基礎,使內燃機、汽輪機、燃氣輪機和噴氣推進機等相繼取得迅速進展。與此同時,在套用熱力學理論研究物質性質的過程中,還發展了熱力學的數學理論,找到了反映物質各種性質的相應的熱力學函式,研究了物質在相變、化學反應和溶液特徵方面所遵循的各種規律 。1906年,德國的能斯脫在觀察低溫現象和化學反應中發現熱定理;1912年,這個定理被修改成熱力學第三定律的表述形式。

二十世紀初以來,對超高壓、超高溫水蒸汽等物性,和極低溫度的研究不斷獲得新成果。隨著對能源問題的重視,人們對與節能有關的復合迴圈、新型的復合工質的研究發生了很大興趣。

研究內容

(圖)工程熱力學(圖)工程熱力學

工程熱力學是熱力學的一個分支,主要從工程技術的角度研究熱能和機械能相互轉化的規律。飛行器上所用的各種類型動力裝置都是將熱能轉變為機械能的熱機。工程熱力學是研究熱機的重要理論基礎,使熱機更有效地將熱能轉變為機械能。熱機中熱能和機械能的相互轉化必須通過某種工質(工作介質)的作用才能實現。描寫工質巨觀狀態的參數稱為狀態參數,例如壓力(P)、溫度(T)、比容(V)等。任何氣體給定兩個狀態參數以後,其他狀態參數即可確定。

工質狀態連續變化的過程稱為熱力過程。如果熱力過程逆向進行後能使工質回復到初始狀態,而不留下變化的痕跡,這樣的熱力過程稱為可逆過程。實際過程逆向進行後都會留下變化的痕跡,都是不可逆的過程。工質的狀態經一系列變化後又回復到初始狀態的過程,稱為迴圈過程,簡稱迴圈。

發動機理想迴圈 飛行器使用的發動機主要有活塞式航空發動機燃氣渦輪發動機和化學推進劑火箭發動機等類型。在研究發動機迴圈時,通常忽略一些實際存在的次要因素,假定迴圈是可逆的,且工質是理想的,其成分不變,這種迴圈稱為理想迴圈。通過對各種發動機理想迴圈的分析,可以對比各種發動機的熱力性能並尋求提高發動機熱效率的途徑。熱效率表示熱能在熱機中轉變為機械能的程度。

活塞式航空發動機理想迴圈 汽油和空氣所組成的混合氣首先進入汽缸,被活塞壓縮後點火燃燒,形成高溫高壓燃氣,這一燃燒過程的時間很短,可理想化為等容加熱。高溫高壓燃氣膨脹,推動活塞對外做功,最後將廢氣排入大氣。上述實際工作過程經理想化後得到活塞式航空發動機的等容加熱理想迴圈。為絕熱壓縮過程,2-3為等容加熱過程,3-4為絕熱膨脹過程,4-1為等容放熱過程,這一理想迴圈的熱效率為:

工程熱力學工程熱力學

式中ε為壓縮比(v1/v2);k為定壓比熱與定容比熱的比值(Cp/Cv)。

工程熱力學工程熱力學

燃氣渦輪發動機理想迴圈 空氣從進氣道進入壓氣機,被壓縮後進入燃燒室,與燃料混合在接近等壓情況下燃燒而形成高溫燃氣,然後通過渦輪膨脹做功,最後通過噴管繼續膨脹至外界大氣壓。理想化後的燃氣渦輪發動機的等壓加熱理想迴圈可用PV圖(圖2 )來表示,圖中0-1為進氣道中絕熱壓縮過程,1-2為壓氣機中絕熱壓縮過程,2-3為燃燒室中等壓加熱過程,3-4為渦輪中絕熱膨脹過程,4-5為噴管中絕熱膨脹過程,5-0為大氣中等壓排熱過程。這一理想迴圈的熱效率為:

工程熱力學工程熱力學

π為增壓比(P2/P0) 或膨脹比(P3/P5)。

工程熱力學工程熱力學

化學推進劑火箭發動機理想迴圈 推進劑在燃燒室中燃燒形成高溫高壓燃氣(圖3a),然後通過噴管膨脹,以高速噴出而產生反作用推力。化學推進劑火箭發動機的理想迴圈見圖3b。由于推進劑的比容V與空氣比容相比小得可以忽略,故0-2在P-V圖上與縱坐標重合。2-3為燃燒室中等壓燃燒過程,3-5為噴管中絕熱膨脹過程,5-0為對外界等壓排熱過程。這一理想迴圈的熱效率為:

工程熱力學工程熱力學

式中π為噴管中的膨脹比(P3/P5)。

工程熱力學工程熱力學

從以上三種發動機的理想迴圈熱效率公式可以看出,熱效率隨著增壓比或膨脹比數值的增加而增加。提高發動機熱效率的途徑是盡可能地提高發動機迴圈的絕熱壓縮過程的增壓比或絕熱膨脹過程的膨脹比。為了達到這個目的,必須首先提高高溫熱源的溫度。

相關學科

機械學、傳熱學、工效學、機械動力學、摩擦學、汽車力學、地面車輛力學、燃燒學、機構學、機械製圖、人機工程學、系統工程學、流體力學。

相關詞條

其它詞條