《工程热力学》课程教案
*** 本课程教材及主要参考书目
教材：
沈维道、蒋智敏、童钧耕编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2001.6
手册：
严家騄、余晓福著，水和水蒸气热力性质图表，高等教育出版社，1995.5
实验指导书：
华北电力大学动力系编，热力实验指导书，2001
参考书：
曾丹苓、敖越、张新铭、刘朝编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2002.12
王加璇等编著，工程热力学，华北电力大学，1992年。
朱明善、刘颖、林兆庄、彭晓峰合编，工程热力学，清华大学出版，1995年。
曾丹苓等编著，工程热力学（第一版），高教出版社，20##年
全美经典学习指导系列，[美]M.C. 波特尔、C.W. 萨默顿 著 郭航、孙嗣莹等译，工程热力学，科学出版社，20##年。
何雅玲编，工程热力学精要分析及典型题精解，西安交通大学出版社，2000.4
概论（2学时）
1. 教学目标及基本要求
从人类用能的历史和能量转换装置的实例中认识理解：热能利用的广泛性和特殊性；工程热力学的研究内容和研究方法；本课程在专业学习中的地位；本课程与后续专业课程乃至专业培养目标的关系。
2. 各节教学内容及学时分配
0-1 热能及其利用（0.5学时）
0-2 热力学及其发展简史（0.5学时）
0-3 能量转换装置的工作过程（0.2学时）
0-4 工程热力学研究的对象及主要内容（0.8学时）
3. 重点难点
工程热力学的主要研究内容；研究内容与本课程四大部分（特别是前三大部分）之联系；工程热力学的研究方法
4. 教学内容的深化和拓宽
热力学基本定律的建立；热力学各分支；本课程与传热学、流体力学等课程各自的任务及联系；有关工程热力学及其应用的网上资源。
5. 教学方式
讲授，讨论，视频片段
6. 教学过程中应注意的问题
特别注意：本课程作为热能与动力工程专业学生进入专业学习的第一门课程（专业基础课），要引导学生的学习兴趣和热情。另，用例应尽量采用较新的事实和数据。
7. 思考题和习题
思考题：工程热力学的宏观研究方法与微观方法的比较
作业: （短文，一、二页即可）网络文献综述——能源利用与工程热力学
8. 师生互动设计
讲授中提问并启发讨论：
? 从本课程教材的四大部分的标题看，对于工程热力学的研究内容有没有一个初步的认识（可以“猜想”）？
? 知道热力学第一、第二定律吗？第三、第零定律呢？
? 请举例并比较：宏观研究方法和微观研究方法。
? 你认为你（本专业的学生）将来会“干什么”？
9. 讲课提纲、板书设计
绪论
0-1 热能及其利用
★ 视频片段：人类用能历史
能源——为人类生产与日常生活提供各种能量和动力的物质资源
自然能源——风能，水能，太阳能，地热能，潮汐能，核能，燃料化学能等
可见：从自然能源中获取能量的主要形式是热能（仅风能、水能、潮汐能是机械能形式—指流体的动能和位能）
热能利用的两种基本方式：
——直接利用[举例和请学生举例]
——间接利用[举例和请学生举例]
0-2 热力学及其发展简史
18世纪中叶，蒸气机出现，开始热→功（机械能）研究；
第一类永动机不成功，总结出Law I；
焦耳实验，有了热—功当量概念，开始形成热力学；
第二类永动机不成功，总结出Law II；
1912年，研究低温现象，Law III（“0 K达不到”）；
加上Law 0（关于热平衡概念，温度概念及温标建立）
四个基本定律，构成热力学的理论基础。
随着生产发展，热力学形成已一百多年，作为经典热力学，已很成熟。
分支：理论热力学，工程热力学，统计热力学，化学热力学，非平衡热力学，生物热力学…甚至用热力学理论于社会学/经济学方面。
0-3 能量转换装置的工作过程 图 1
★ 视频片段：蒸汽发电厂
★ 热机工作示意图如图1所示
0-4 工程热力学研究的对象及主要内容
一、研究对象
热力学研究热现象—与物质热运动有关的现象。
热运动的广泛性和特殊性：
—热运动无时无处不在，人类利用热能历史悠久（直接，或转换为其它形式）。
—热能为一方，其它所有非热能形式能量为另一方（机、声、光、电、磁等），可相互转换。转换前后数量相等（Law I：能量转换与守恒）。
但机械能等可100%地、无代价地转换为热能，反之则不然（Law II：热过程之方向性）。[例：汽车排尾气；现代火电厂热效率仅40+%]
二、研究内容
1．热能与其它能量间相互转换的基本规律——主要Law I、II，此乃本课程主要内容。
2．工质的热力性质——能量的利用/转换，需通过工作物质即工质及热力设备来完成。
3．提高热力设备效率的途径——从工程实际应用来说，此为最终目的。
** 请学生对照教材的四大部分的标题，体会工程热力学的研究内容（尤其是前三大部分）：①热力学基本定律；②工质热力性质；③（热力设备中的）热力过程及循环；④化学热力学基础。
三、研究方法
可有二种研究方法——微观的和宏观的。
工程热力学用宏观的研究方法。
优点——可靠：以大量观察/实验所得经验定律为依据，故只要推论无误，则结论亦可靠。而经验定律是大量经验（观察/实验）之归纳总结，其可靠性体现在至今未有反例。
缺点——①不能说明其所以然（何以“守恒”？何以有“方向性”？）；②应用有局限：上不能推广至茫茫宇宙，下不能深入至物质内部个别分子/原子的表现——看不到，去不了，无经验。
统计热力学则恰可弥补其缺点——可说明“所以然”。但也有缺点：与物质结构模型有关，而模型是近似的。
[例：判断人的健康：可宏观—体温等；也可微观—化验等]
四、课程与本专业的关系
热能与动力工程专业培养目标——德智体全面发展，掌握现代能源科学、信息科学和管理科学技术，在热能与动力工程领域从事设计、运行、自动控制、信息处理、环境保护、清洁能源利用和新能源开发等工作的基础扎实、知识面广、创新能力强的复合型人才
工程热力学是本专业（以及其他相关专业）主要的专业基础理论课之一（另二门同类课程：流体力学、传热学）
五、单位制
国际单位制SI。
法定计量单位——以SI为基础。
SI与公制/英制间的换算，也需有所了解/应用。
六、本课程的学习方法建议
根据本课程是一门专业基础理论课程的特点，建议在学习中
掌握几个“基本”：基本概念，基本定律，基本方法，基本应用。
抓好几个环节：预习/听课；笔记/复习；习题/小结。
第一部分 热力学基本定律
第一章 基本概念及定义（4学时）
1. 教学目标及基本要求
了解热力系的定义；平衡状态的概念、平衡条件；
掌握基本状态参数的定义、计量及不同单位间的换算；
掌握准平衡过程的定义，理解提出准平衡过程概念的意义和作用。
2. 各节教学内容及学时分配
1-1 热力系（0.5学时）
1-2 热力系的描述（0.5学时）
1-3 基本状态参数（1.5学时）
1-4 状态方程，状态参数坐标图（1学时）
1-5 热力过程及循环（0.5学时）
3. 重点难点
热力系统；状态及平衡状态；状态参数及其特性；可测的基本参数；热平衡及热力学第零定律；状态参数坐标图；热力过程和循环；准平衡过程；状态量和过程量；尺度量和强度量。
4. 教学内容的深化和拓宽
概念和认识：各种实际的正/逆热力循环（动力循环、制冷循环）及其作用。
从教材的“计算机应用、工程设计及问题讨论”中选择一题进行讨论和引导。
5. 教学方式
讲授，讨论，.ppt幻灯
6. 教学过程中应注意的问题
注意：复习《绪论》中关于热力学研究方法的内容，说明热力学状态参数是宏观参数；重点说明准平衡过程概念的理论意义和实用意义。
7. 思考题和习题
思考题：教材的课后自检题（选一、二题在课堂上讨论）
习题：教材习题第一章2~6, 12, 15（可变）
8. 师生互动设计
提问并启发讨论：
? 观察过某个热力系统的状态变化吗？
? 留意过系统状态变化伴随有系统与外界的能量交换吗？
? 思考过状态变化与能量交换间的联系吗？
? 用过压力计、温度计吗？了解温度的概念吗？
? 对照热力学Law 0，讨论：是否所有事物都有“若A=B且A=C则必有B=C的规律”？[例：ABC三个班足球或歌咏比赛。 引导得出结论：状态量才有此规律]
? 请学生举例：尺度量，强度量
? 请学生举例：热力过程、热力循环
? 如爆炸这样的过程，能不能作准平衡过程处理？为什么？
9. 讲课提纲、板书设计
第一部分 热力学基本定律
第一章 基本概念及定义
1-1 热力系—热力学分析的对象
★ .ppt图示：热力系统概念
外界（环境）——除热力系以外的外部世界，但一般仅指与热力系有关（有相互作用：W功/Q热/m质交换）的部份。
界面（边界）——可以是实际存在的，亦可是假想的。
分析：
1. 热力系的状态及状态变化（状态——热力状态）
怎样描述？如何变？变的规律？
2. 热力系与外界的相互作用（能/质交换）——交换了什么？谁给谁？数量？
3. 以上二方面的联系——状态变化乃因与外界有作用，反之与外界作用必导致系统改变状态。则其间关系如何？能否通过了解热力系的状态变化，而得知其与外界的能量交换？
分类：
与外界作用情况：开口系，封闭系
热力系内部情况：平衡/非平衡系，均匀（单相）/非均匀，单元/多元，…
特殊：绝热系，独立系；热源（冷源），功源；…
针对不同问题，采用不同系统，可方便分析。
1-2 热力系的描述（描述——说明该热力系的性质）
一、热力系的状态，平衡状态，状态参数
工程热力学 Engineering Thermodynamics 教案
状态（热力（学）状态）——热力系在某瞬间所呈现的宏观物理状况。
状态参数——描述热力系状态的参数。
虽然微观上是与物质微粒热运动——（气体）分子疏密、运动剧烈程度——有关的量，但（记得！）热力学中只用宏观量：p，V，T，U，…。
有时也引入一些外部参数作为状参如系统整体的速度、高度等。
平衡状态（概念、定义）
★ .ppt图示：气缸的热、力平衡
** 提示学生不要只背定义，而应着重注意3点：
(1) 热/力平衡，条件是温/力差消失；
(2) 热力系的平衡，意味着所有的不平衡势差已消失；平衡/非平衡热力系，其各状态参数有/无确定值。
(3) 提出“平衡状态”概念的意义，在于易研究（可用确定的参数值描述之，进而可分析/计算之）。
虽然实际工程问题中的热力系很少是平衡状态的——毋宁说正是利用了不平衡（即平衡被破坏，系统发生状态变化）来实现能量交换的——但一定条件下，可视实际状态变化过程中的各点为接近平衡态。有误差可修正。
二、状态参数的特性
★ .ppt图示：系统的尺度量和强度量；“微团”
状态参数可分为二大类。
尺度量——与系统所含物质数量（m, n）有关的量，具可加性（m, n, U, S, …）
强度量——与系统所含物质数量无关，在“点” 上定义的量，无可加性（p, T,…）
（“点”——含足够分子的微团，非几何上的点）
比参数——尺度量对m（或n）的微商，具强度量性质
比体积 
均匀系 
比热力学能 
状态一定，则状态值一定，即状态参数是状态的单值函数。确定状态参数的函数是状态函数（或谓点函数）。
状态参数ξ的数学特征：
与积分路径（状态变化途径）无关。状态函数的微分是全微分。
1-3 基本状态参数
基本参数（5个）：p（从力学引入），V（几何），T（热力学Law 0导出），U（Law I），S（Law II）。
其中p、V、T是可测的。
一、密度ρ ，比体积v
二、压力
★ .ppt图示：弹簧管/U形管压力计；压力测量
1．压力的测量
2．压力的单位及换算
三、温度
1．热力学第零定律，温度的概念
温度：物体的“冷热程度”。但，何为冷/热？不确切。
微观：“分子运动剧热程度的度量”。
热力学：（宏观！）温度概念由“热平衡”概念引出。
热平衡——若二物体热接触时，各自状态均不发生变化，则称此二物体处于热平衡。
★ .ppt图示：Law 0
大量实验、观察表明，关于热平衡，可有如下的经验定律：
热力学第零定律——若A-B，A-C分别处于热平衡，则B-C必处于热平衡
Law 0指出：热力系（B，C）间是否处于热平衡，仅确定于B，C各自的状态，而与其它（A是否真存在；B、C是否真热接触等）无关。
推理：既然热平衡与否只确定于热力系的状态，则可用一状态参数来描述这一性质（即“若与其他热力系热接触，是否可处于热平衡”的性质）。换言之，物系间处于热平衡，则彼此的某一宏观性质必是相同的，描述此宏观性质的参数即温度。
** 初步认识热力学的研究和学习方法：从基本定律出发，经一系列推理演绎，得到结论，并加以应用。
温度的热力学定义——温度是表征物体间热平衡性质的状态参数。处于热平衡的物体，具有相同的温度值；未处于热平衡的物体，具有不同的温度值。
2．温度标尺
Law 0不仅引出了温度的概念，还提供了温度测量和建立温标（温度计）的理论基础。
★ .ppt图示：各种温度计：液体/热电偶/热电阻温度计等，理想气体温度计
（定容）理想气体温标：T=ap
规定以水的三相点(Triple Point)为基准点：Ttp = 273.16 K（开尔文）
∵Ttp =aptp ∴ a=273.16/ ptp
于是测p即可得任意点的温度T = 273.16 p/ ptp K
可见上述方法建立的温标是人为的，称“经验温标”。于是产生问题：“标准温度计”何在？
热力学温标：由热力学理论（Law II）可推论出存在一种与具体测温物质性质无关的温标。其分度方法及基准点与理想气体温标一致：T = 273.16 p/ ptp K（第三章讨论）。
工程上常用的经验温标——摄氏温标：定义 ttp = 0.1 ℃，而分度方法与热力学温标一致，即t = T - 273.15 ℃。可知水的冰点t0 = 0 ℃，水的汽点tb = 100℃。
1-4 状态方程，状态参数坐标图
状态一定（达平衡状态），则系统所有状参均确定（有可知值）。
但（同一问题的三种问法）：是否必须确定所有状参才能确定系统状态？各状参间有无依赖关系？系统所有状参中独立参数有几个？
一、状态公理（针对纯物质—无化学反应的系统）
推想：一种形式的能量交换，对应存在着一种不平衡势；而限制一种形式的能量交换，则对应着一种不平衡势的消失，此时就有一个描述该种平衡的状态参数不再变化而有确定值。
状态公理：决定热力系平衡状态的独立参数个数，应等于系统与外界可以交换的能量形式的总数。
简单可压缩系n=1（容积变化功），∴N=1+1=2 （“简单”系：仅1种准静功）
故对于简单可压系，诸参数中仅2个独立，其余依其而变。即若此2个参数确定，系统状态即确定，于是其余所有参数必确定。
状态公理指出状态参数间应存在依变关系（函数关系）。描写这种关系的关系式即状态方程。
二、纯物质的状态方程
对于简单系，原则上可任选2个独立参数ξ1, ξ2，而其余任一参数ξ可表示为
广义地，u = u(T, v)，s = s(T, p)，…也是状态方程，但一般（窄义地）称由可测量 p,v,T组成的函数关系式f(p, v, T) = 0为状态方程。
[例] 理想气体状态方程 pv = RgT 或 pVm = RT
状态方程反映了系统状态变化时各状态参数间的制约关系（不是随意乱变）。
三、状态参数坐标图
★ .ppt图示：状态参数坐标图
简单可压系（工程上常见、常用）独立变量2个，故可用以构成一直角坐标系，其中一点表一状态（平衡态）。
注意：
(1) 非平衡态，由于状态不确定，故无法在图上表示；
(2) 利用坐标图，可直观表示状态（1、2点及1-2线）；
(3) 状态参数坐标图可方便分析计算（一张好图，胜过千言万语）。
1-6 热力过程及热力循环
★ .ppt图示：热力过程（坐标图），准平衡过程（活塞气缸：移重物）
一、热力过程——与外界相互作用下，热力系发生状态变化的过程
注意：
(1) 过程是外界作用而破坏系统平衡的结果。
(2) 过程的效果：
系统内部——状态发生了变化；
边界上——与外界交换了Q/W。
[例]：对于已有设备、工况，如何计算Q/W？给定Q/W，如何设计设备和工艺（过程）？给定工质状态变化，如何设计过程来实现？
实际过程总是以平衡的破坏为前提，为非平衡过程（虚线表示），分析/计算不方便。故引入一概念：
准平衡过程——…
系统状态始终距平衡点不远的过程（实线表示）。理想过程。实际过程当过程不平衡势→0时的极限。
准平衡过程概念带来方便——可用内部参数（的变化）来表示Q/W，例如由于Δp = p – psurr = 0，故可用p而不必用外力psurr来计算（按物理学“功”定义）。
好在大多工程中的热力过程，可作准平衡处理，或当误差大时再修正之。
[例] p波，在气体中以声速传播，而活塞移动速度一般≯100m/s，这样，新的外力变化传播而到达之前，系统已均为p，达到新的平衡态。
二、热力循环——封闭的热力过程。热力过程之特例。
★ .ppt图示：正、逆热力循环的坐标图、示意图（热源,冷源,W,Q1,Q2）
常见的工质循环：
(1) 热机循环 热→功（正循环）
[例] 蒸汽发电站，汽车发动机（顺便提示：必须有Q2放热——LawII）
循环作功： 
循环的经济性指标：热效率
（收益/代价）
(2) 制冷循环 耗功将热从高温→低温（逆循环）
[例] 空调机：制冷机，热泵
循环耗功：（此时W值为负）
循环的经济性指标：制冷系数ε= W/Q2供暖系数 ε'= W/Q1
概念复习：比较状态量和过程量
** 热工科技人员主要任务之一即改善循环，提高经济性，使ηt，ε，ε'↑。