| 词条 | 工程热力学 |
| 释义 | 工程热力学 工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。 热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时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。 § 研究方法 工程热力学相关书籍 工程热力学的基本任务是：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，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。 为此，必须以热力学基本定律为依据，探讨各种热力过程的特性；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；研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，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。 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热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。 这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质，当作宏观真实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。这是它的独特优点。 § 研究简史 古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17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。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，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提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。相关书籍 1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799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“热质说”得到解释。1842年，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，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。英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。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。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。 热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824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效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。 1850～1854年，克劳修斯根据卡诺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，对于两类“永动机”的不可能实现作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。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。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循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。 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趣。 § 研究内容 工程热力学相关书籍 工程热力学是热力学的一个分支，主要从工程技术的角度研究热能和机械能相互转化的规律。飞行器上所用的各种类型动力装置都是将热能转变为机械能的热机。工程热力学是研究热机的重要理论基础，使热机更有效地将热能转变为机械能。热机中热能和机械能的相互转化必须通过某种工质（工作介质）的作用才能实现。描写工质宏观状态的参数称为状态参数，例如压力(P)、温度(T)、比容(V)等。任何气体给定两个状态参数以后，其他状态参数即可确定。 工质状态连续变化的过程称为热力过程。如果热力过程逆向进行后能使工质回复到初始状态，而不留下变化的痕迹，这样的热力过程称为可逆过程。实际过程逆向进行后都会留下变化的痕迹，都是不可逆的过程。工质的状态经一系列变化后又回复到初始状态的过程，称为循环过程，简称循环。 发动机理想循环 飞行器使用的发动机主要有活塞式航空发动机，燃气涡轮发动机和化学推进剂火箭发动机等类型。在研究发动机循环时，通常忽略一些实际存在的次要因素，假定循环是可逆的，且工质是理想的，其成分不变，这种循环称为理想循环。通过对各种发动机理想循环的分析，可以对比各种发动机的热力性能并寻求提高发动机热效率的途径。热效率表示热能在热机中转变为机械能的程度。 活塞式航空发动机理想循环 汽油和空气所组成的混合气首先进入汽缸，被活塞压缩后点火燃烧，形成高温高压燃气，这一燃烧过程的时间很短，可理想化为等容加热。高温高压燃气膨胀，推动活塞对外做功，最后将废气排入大气。上述实际工作过程经理想化后得到活塞式航空发动机的等容加热理想循环。为绝热压缩过程，2－3为等容加热过程，3－4为绝热膨胀过程，4－1为等容放热过程，这一理想循环的热效率为： 式中ε为压缩比(v1/v2)；k为定压比热与定容比热的比值(Cp/Cv)。 工程热力学燃气涡轮发动机理想循环 空气从进气道进入压气机，被压缩后进入燃烧室，与燃料混合在接近等压情况下燃烧而形成高温燃气，然后通过涡轮膨胀做功，最后通过喷管继续膨胀至外界大气压。理想化后的燃气涡轮发动机的等压加热理想循环可用P－V图（图2 ）来表示，图中0－1为进气道中绝热压缩过程，1-2为压气机中绝热压缩过程，2－3为燃烧室中等压加热过程，3－4为涡轮中绝热膨胀过程，4－5为喷管中绝热膨胀过程，5－0为大气中等压排热过程。这一理想循环的热效率为： π为增压比(P2/P0) 或膨胀比(P3/P5)。 工程热力学化学推进剂火箭发动机理想循环 推进剂在燃烧室中燃烧形成高温高压燃气（图3a），然后通过喷管膨胀，以高速喷出而产生反作用推力。化学推进剂火箭发动机的理想循环见图3b。由于推进剂的比容V与空气比容相比小得可以忽略，故0-2在P-V图上与纵坐标重合。2－3为燃烧室中等压燃烧过程，3－5为喷管中绝热膨胀过程，5－0为对外界等压排热过程。这一理想循环的热效率为： 式中π为喷管中的膨胀比(P3/P5)。 工程热力学 从以上三种发动机的理想循环热效率公式可以看出，热效率随着增压比或膨胀比数值的增加而增加。提高发动机热效率的途径是尽可能地提高发动机循环的绝热压缩过程的增压比或绝热膨胀过程的膨胀比。为了达到这个目的，必须首先提高高温热源的温度。 § 相关学科 机械学、传热学、工效学、机械动力学、摩擦学、汽车力学、地面车辆力学、燃烧学、机构学、机械制图、人机工程学、系统工程学。 § 参考资料 [1] 大科普网网 http://www.ikepu.com/machinery/machinery_branch/thermodynamics_total.htm [2] 泽泽网 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-13242 |
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