热工基础——精选推荐

绪论

§0—1 ⾃然界中的能源及热能的利⽤

⾃然界中可以供⼈们⽣活、⽣产上使⽤的能源有风能、⽔能、太阳能、地热能、燃料的化学能及原⼦核能等，在这些能源中除风能和⽔能是以机械能的形式（指空⽓的动能和⽔的位能）直接被⼈们利⽤以外，其它各种能源，或是直接以热能的形式存在（太阳能、地热能），或是经过燃烧反应、原⼦核反应，使能量转化为热能的形式，然后再予以利⽤。所以⼈们从⾃然界获得的能源，其主要形式是热能。

热能的利⽤，通常有下述的两种基本⽅式：⼀种是直接利⽤，将热能直接⽤于冶炼、化⼯等⽣产过程中的加热，如熔化、烘⼲、采暖等；另⼀种是间接利⽤，通常是指将热能通过动⼒装置转换为机械能或电能的形式⽽加以利⽤，例如飞机、船舶、⽕车、汽车以及⼤型热⼒发电⼚等都是以燃料燃烧所产⽣的热能作为动⼒源，其中所采⽤的热能动⼒装置或热⼒发动机⽬前在动⼒⼯业中仍然占据着主要地位。

在热能的间接利⽤中，能量的转换往往是能量利⽤的前提，各种热动⼒装置将热能转化为机械能，通过动⼒机带动发电机，最后转换成电能的形式利⽤，电能具有输送和使⽤⽅便等优点。

⽬前，世界各国使⽤的能源，主要是煤、⽯油和天燃⽓等燃料，根据有限的地下燃料资源，很难满⾜⼯业飞速发展的需要，所以从技术上改造原有设备，节约能源消耗，提⾼热能利⽤率，是⼈们长期的战⽃任务。此外，就是开发新能源，便如地热能、太阳能和原于核能等，也应使之更加有效地进⾏能量转换。因为太阳能是⼀个取之不尽的能源，⽽进⾏热核反应的物质在地球上储存量也是极⼤的。最近我国还确定了“实⾏开发和节约并重，近期要把节流放在优先地位”的总⽅针，正是为了解决我国能源供应紧张的局⾯。这就要求从事能量转换学科及⼒能⼯作者必须掌握有关能量及其相互转换规律的知识——即⼯程热⼒学的知识。

§0—2 热⼒学及热⼒⼯程的发展简史

热现象是⼈类⽣活中最早接触到的⾃然现象之⼀。远古时代的钻⽊取⽕，就是机械能转换为热能的例⼦。随着⼈类在⽣产、⽣活上的需要，对热的利⽤和认识，经历了漫长的岁⽉，从取暖、热⾷到制作⾦属⼯具，有过不少发明创造，我国在12⾄13世纪就有⽤⽕⼒来产⽣旋转运动的⾛马灯和使⽤⽕药向后喷⽓加速箭的飞⾏记载，这与现代燃⽓轮机和⽕箭等喷⽓推进原理是⼀致的。可是，由于历代王朝的封建统治，劳动⼈民的创造发明得不到重视，更谈不到总结经验，形成⼀整套的理论，来促进⽣产⼒的发展和⼈民⽣活的改善。

⼈类对热的本质的认识并逐渐形成热⼒学这门学科，只是近300年的事。18世纪以前，动⼒的来源主要是⼈⼒、畜⼒以及风⼒、⽔⼒等⾃然动⼒。随着⼈类社会的发展，⼈们迫切地要求解决⽣产上动⼒不⾜的问题，因此在18世纪发明了蒸汽机，实现了热能向机械能的转换。蒸汽机在⼯业上的⼴泛使⽤，促进了⼯业的迅速发展。但是，由于蒸汽机笨重、效率不⾼等缺点，因⽽促使⼈们对于⽔和蒸汽以及其它物质的热⼒性质进⾏研究；与此同时，卡诺对如何提⾼热效率，迈耶、焦尔等⼈对热与功的转换规律进⾏了⼤量实验，从⽽建⽴了热⼒学两个基本定律，⼤⼤地促进了热⼒学这门学科的形成和发展，促使热⼒发动机不断地发展与改进以及新型动⼒机的创造与发明。由于蒸汽机不宜⽤于运输⼯具上，⽽且也不能满⾜由于⼯业⽣产的不断发展与⾼度集中所需要的巨⼤动⼒，因此在热⼒学有关理论的指导下，于19世纪末期，遂发明了内燃机及蒸汽轮机，内燃机具有效率⾼、重量轻的优点，蒸汽轮机则具有效率⾼、功率⼤的优点。内燃机及蒸汽轮机的出现，极⼤地促进并发展了热⼒学中热⼒过程和热⼒循环的研究。⽽蒸汽轮机⼜推动了⾼参数蒸汽性质及⾼速⽓流等问题的研究，使热⼒学两个定律应⽤于⼯程实际中，形成了⼯程热⼒学学科。

第⼆次世界⼤战期间出现的喷⽓式飞机和远射程⽕箭所⽤的喷⽓发动机，由于能产⽣巨⼤的动⼒等优点，所以能满⾜⾼速⾼空飞⾏的要求，⽬前已成为进⼊宇宙空间的主要动⼒。对航空燃⽓轮机作部分改造，即成为地⾯上所⽤的燃⽓轮机，在发电站、机车和船舶中已⼴泛使⽤，并在⼯程热⼒学中也发展了相应的研究内容。

近年来原⼦能动⼒装置的利⽤，为⼈类开辟了利⽤能源的新纪元。此外，还出现了能量直接转换的新技术，它既可提⾼转换的效率，⼜可免去庞⼤的热⼒机械，例如化学能直接转化成为电能的燃料电池，热能直接转化成电能的温差电池和磁流体发电等。这在热⼒学中也现出相应的研究课题。§0—3 ⼯程热⼒学的研究对象及其主要内容

⼯程热⼒学是热⼒学的⼀个重要分⽀，除了研究热能与机械能的转换规律外，还研究热⼒学定律在⼯程上的应⽤，⽬的在于提⾼能量利⽤的经济性。具体地说，⼯程热⼒学包括的内容如下：⼀、研究⼯质的热⼒性质

蒸汽机中的蒸汽，内燃机；涡轮喷⽓发动机中的空⽓和燃⽓；都是热功转换的媒介，叫做⼯作介质，简称⼯质。只有对⼯质的热物理性质有深刻的认识，或者说，在测量出计算出代表⼯质性质的参数；如温度、压⼒、密度、⽐容和它们之间的关系以后，才能更好地掌握热能与机械能之间的转换规律。

⼆、研究能量之间的转换规律及其应⽤

研究热机中⼀切过程中热能与机械能进⾏转换时所服从的规律；即能量守恒和转换定律或热⼒学第⼀定律，以及热能和机械能的计算⽅法，并把它们运⽤于具体热机的热⼒过程中去。此外，还研究在什么条件下，⽤什么⽅法，才能使热能最⼤限度地或最经济地、连续不断地转换为机械能，亦即如何减少热能利⽤中的损失，以提⾼热能的利⽤率，此即热⼒学第⼆定律，这就为分析循环，提⾼其经济性，奠定了理论基础。

由于热机中包括燃料燃烧时所发⽣的化学反应，所以⽬前的⼯程热⼒学中也介绍⼀些化学热⼒学的基本理论，即在化学反应中的能量转换规律，化学反应⽅⾯和化学平衡。

为了能深刻地认识热现象的本质，能量转换规律的物理意义和考虑到今后发展的需要，在⼯程热⼒学中也简单介绍了⽓体分⼦运动论和经典统计⼒学的基本概念。

⼯程热⼒学是热能⼯程和热⼒机械有关专业的⼀门主要技术基础课，不仅各种热动⼒装置与设备的研究和设计，诸如热机、制冷、热泵、空调、空⽓分离等，都要⽤到它的理论和计算⽅法。⽽且由于热现象⼴泛地存在于各个科学技术领域中，诸如宇宙航⾏、化学精炼、超导传递、⾼能激光及新能源的探索等，都要⽤到热⼒学理论，所以学好⼯程热⼒学对于进⼀步学习有关专业课程以及解决⼯程实际问题有着重要作⽤。第⼀章基本概念及⽓体的基本性质§1—1 热⼒学体系

在分析热⼒学问题时，按研究任务的具体要求，选取⼀定范围内的物质作为研究对象，该研究对象叫做热⼒学体系或简称体系。与体系发⽣作⽤，但不列为研究对象的物质，叫做外界。体系与外界间的界限，叫做分界⾯。分界⾯可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是胀缩的或运动的。图1—1—1表⽰封闭在⽓缸中的⽓体作为研究对象时，⽓缸和活塞的内壁⾯就是真实的分界⾯，⽽活塞顶部却⼜是可以胀缩的或运动的分界⾯。图1—1—2表⽰⽓体不断从截⾯1—1流进，在受到叶轮的作⽤下，压⼒必⾼，并不断从截⾯2—2流出。若选取进、出⼝截⾯之间的⽓体作为研究对象，那么进、出⼝截⾯1—1和2—2是假想的，固定的分界⾯，壳体的内壁是真实的，固定的分界⾯。