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西安建筑科技大学“工程热力学”课程教学大纲

英文名称: Engineering Thermodynamics
课程编号: C03501
课程类型:专业基础必修课
学 时: 56  学分: 3.5
适应对象: 建筑环境与设备专业
先修课程:高等数学、大学物理
使用教材:
(1) 《工程热力学》(第四版),廉乐明等编,中国建筑工业出版社,1999年12月
(2) Yunnus A. Cengel, Engineering Approach ( 第四版影印本 )
参考书:
《工程热力学》,廉乐明等,中国建筑工业出版社,第四版, 1999 年
《工程热力学》,刘宝兴编著,机械工业出版社, 2006 年。
《工程热力学》(第四版),沈维道等,高等教育出版社, 2000 年。
《工程热力学》,刘桂玉等,高等教育出版社, 1998 年。
《工程热力学精要分析及典型题精解》,何雅玲主编,西安交通大学出版社, 2000 年。

一、课程性质、目的和任务

1. 课程性质

   工程热力学是航空、化工、冶金、冷冻、空调以及近代的低温、超导等各个学科的技术基础课程,也是建筑环境与设备工程专业的三大专业基础课之一。它着重研究热能与其他形式能量的相互转换规律;揭示能量不仅有 “量”的共性,更有“质”的属性,指出提高能量转换效率的方向、途径和方法以及相应的实用理论等;阐述能量转换规律在工程领域的应用。 它为建筑环境与设备工程专业本科生后续专业课程的学习奠定基础,起到支撑平台的作用 。

2. 课程目的和任务

  通过课程的教学,使学生掌握能量转换的基本定律和原理,树立起牢固的能量守恒概念,学会按质用能;理解工质及工质热状态参数的在能量转换过程中的作用,学会结合公式、图表进行工质状态的确定和参数的计算,掌握分析和解决工程中能量转换和利用问题的方法,培养学生分析和解决工程问题的能力。

由于“热力学”理论体系是依靠少数经验定律和抽象概念为依据的公理化体系。对纷繁复杂的自然现象进行化繁为简、去伪存真、去粗取精、孤立变量突出重点,透过现象揭示本质的一整套严密的演绎推理、辅以数学证明而形成完整理论体系,是建立公理化体系的正确方法,体现了辩证唯物主义的方法论。教学过程中应当有意识地结合课程内容进行科学方法论的教育,提高学生独立思考能力的素养。

二、课程教学内容及要求

  教学内容: 工程热力学的研究对象和研究方法,研究的主要内容及教学要求等 。

  教学要求:

  1 .了解工程热力学在工程运用中的重要作用;

  2 . 初步了解典型能量转换装置的基本工作过程 ;

  3 . 理解工程热力学的研究对象和研究的必要性 ;

  4 . 了解工程热力学的主要内容和研究方法 。

第一章 基本概念(Basic Concept) ( 4 学时)

教学内容:

1 . 热力系统、平衡状态、状态参数、状态公理与状态方程式

( thermodynamic system, state property, equilibrium state, state properties, sate postulate and equation of state )

2. 热力过程、准静态过程和可逆过程

( process, quasi-static process and reversible process, etc. )

3. 热量和功量,热力循环 ( heat and power, thermal cycle )

教学要求:

1 .理解和掌握工程热力学中一些基本术语和概念 ;

2. 深入理解状态参数的特征,掌握基本状态参数 p 、 v 、 T 的定义、单位和测量方法等;

3 .了解热量和功量的特征,掌握利用系统的状态参数计算可逆过程功量和热量的方法;

4. 理解热力循环的基本概念。

 重点: 一些重要概念如平衡状态、准平衡过程、可逆过程、状态量与过程量等。

难点: 准平衡过程和可逆过程的定义,可逆过程的热量和功量计算。

 深度和广度: 介绍建立热力学理论体系所需的有关物质、能量、状态及其变化有关的概念,使学生掌握这些概念的同时,领会这些概念的引入是建立公理化理论体系的必要前提,以及建立这些概念的基本方法。

第二章 理想气体性质 (Properties of Ideal Gas) ( 4 学时)

  教学内容:

1. 理想气体的状态方程( Equation of state of ideal gas )

2. 理想气体的比热容 (Specific heat capacity of ideal gas)

3. 理想混合气体的性质,包括其成分的表示法和相互之间的换算、平均气体常数、比热容等 (Properties of gas mixture, including its various faction and their conversion, mean gas constant and specific heat capacity )

教学要求:

•  掌握理想气体状态方程式的应用;

•  理解理想气体比热容的概念;

3. 掌握理想气体比热容的计算方法以及利用比热容计算过程热量的方法;

4. 理解理想混合气体的道尔顿分压力定理及阿玛盖特分容积定理,掌握理想气体混合物的成分、摩尔质量和气体常数以及比热容的计算。

重点: 理想气体的性质,理想气体比热容。

难点: 理想气体比热容

深度和广度:使学生理想气体概念的引入的必要性,并注意介绍这一概念提出的实验和理论基础。

第三章 热力学第一定律 ( The First law of Thermodynamics ) ( 5 学时)

教学内容:

•  热力学第一定律的实质,储存能、热力学能

( Essence of the first law of thermodynamics, energy in storage, internal energy )

•  迁移能(热量和功量,其中功量又包含膨胀功、轴功、推动功、技术功等几种)、焓

Energy in transfer (heat, work, expansion work, shaft work, flow work, technical work, etc), enthalpy

•  闭口系统能量方程 (Energy balance equation for closed system)

•  一般开口系能量方程,稳定流动能量方程及其应用( Energy balance for open system, energy balance equation for steady flow and its application )

教学要求:

1 .理解热力学第一定律的实质;

2 .掌握热力学第一定律及其表达式,能正确灵活应用热力学第一定律表达式来分析有关问题;

3 .掌握能量、储存能、热力学能和迁移能的概念以及理想气体热力学能、焓、熵的计算方法;

4 .掌握膨胀功、推动功、轴功和技术功的概念与计算式;

5 .掌握焓的引出及其定义;

6 .了解一般开口系能量方程;

7. 掌握稳定流动能量方程及其应用。

重点: 理想气体能量方程中△ u 和△ h 的计算,焓的定义,闭口系统能量方程、稳定流动能量方程及其应用。

难点: 对理想气体任何过程△ u = cv △ T 和△ h = cp △ T 的理解,焓的定义,稳定流动过程中几种功的关系,能量方程的应用。

深度和广度: 热力学第一定律是本课程的重点内容;应当使学生明确闭口系能量方程的实质,掌握取热力系与确定能量相互作用的关系以及建立能量方程的方法;应注意不同情况下功的不同类型的区分;在理解稳定流动特征的基础上,掌握轴功、流动功和技术功的区别和意义;正确对典型设备进行符合工程要求的简化,以达到正确、熟练、灵活地应用稳定流动能量方程的目的。并围绕能量方程讲解理想气体能量方程中△ u 和△ h 的计算。本章还要介绍一般开口系的能量方程,指出闭口系和稳定流动是一般开口系的特殊情况。培养学生建立复杂系统能量方程的能力。对于本科学生是非重点内容。

第四章 理想气体的热力过程( Thermodynamic Process of Ideal Gas )( 6 学时)

教学内容:

•  四个基本过程及多变过程状态参数变化规律

(Process equation of four basic and polytropic processes)

2. 四个基本过程及多变过程在 p-v 、 T-s 图上的表示及其特点

(Characteristics and indication of four basic and polytropic processes on p-v and T-s diagram)

3. 四个基本过程及多变过程过程中系统与外界交换的功量和热量

(Calculation of heat and work exchange in four basic and polytropic processes)

4. 活塞式压气机的工作原理及耗功量计算、余隙容积对活塞式压气机工作的影响和多级压缩及中间冷却

(Mechanism of gas compressor and its work consumption,Influence of residual volume on compression processmulti-stage compression and inter-cooling of compression process )

教学要求:

1. 掌握四种基本过程及多变过程的初终态基本状态参数 p 、 v 、 T 之间的关系 ;

2. 能将各过程表示在 p-v 图和 T-s 图上,并能正确应用 pv 图和 Ts 图判断过程

的特点,即△ u ,△ h , q , w 等的正负 ;

3. 掌握 4 种基本过程和多变过程系统与外界交换的热量、功量的计算;

4. 掌握不同压缩过程 ( 绝热、定温、多变 ) 状态参数的变化规律、耗功的计算 , 以及压气机耗功的计算 ;

5. 掌握活塞式压气机的工作原理 , 余隙容积对活塞式压气机工作的影响 ;

6. 了解多级压缩、中间冷却的工作情况。

重点: 热力过程计算公式,应用 pv 图和 Ts 图分析多变过程。

难点: 应用 pv 图和 Ts 图分析多变过程。

深度和广度: 本章有很多的公式和公式推导,应引导学生区别对待这些公式,做到结合实际,重点记忆。

第五章 热力学第二定律 (The Second Law of Thermodynamics) (5 学时 )

教学内容:

•  自发过程的方向性及热力学第二定律的表述及实质;

( Direction of process in nature, two classical statement of the second law of thermodynamics and its essence )

•  卡诺循环及卡诺定理 (Carnot Cycle and Carnot Principles)

•  熵,熵增原理及其意义、应用 (Entropy, Increase principle of entropy and its significance and application)

教学要求:

1 .理解自发过程具有方向性,理解热力学第二定律的实质,认识能量不仅有“量”的多少,而且还有“质”的差别。

2 .掌握卡诺定理,熵的意义、计算和应用。

3 .掌握孤立系统和绝热系统熵增的计算。

重点: 热力学第二定律的表述,卡诺定理,熵的意义、计算和应用。

难点: 熵的意义、计算和应用。

深度和广度: 本章将把对能量“量”的认识提高到“质”的认识层面,是热力学的核心。应详细介绍卡诺定理的意义,对热力学第二定律的最低要求是使学生掌握热力学第二定律的实质是过程的“方向性”对热功转换的制约,提高热功转换效率的方向和途径以及典型设备或过程熵产以及能量损耗的计算,并且对于不同的能量存在“品质”的不同,减少能量损耗是提高能量利用有效性的唯一途径。

第六章 蒸气的性质( Property of Vapor ) ( 5 学时)

教学内容:

•  水蒸气的相变与相图

•  蒸气的发生过程及其在 p-V 图和 T-s 图上的表示 ( 一点、二线、三区、五态 ) 及相关参数

•  ( Vapor generation process at constant pressure and its p-V and T-s plot )

•  水蒸气图表、 h-s   图及其应用 ( Property tables and h-s diagram of water vapor and their function )

•  水蒸气的基本热力过程 ( Basic thermodynamic processes of water vapor )

教学要求:

1 .掌握有关蒸气的各种术语及其意义,如汽化、凝结、饱和状态、饱和蒸气、饱和液体、饱和温度、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等。

2 .了解蒸气的定压发生过程及其在 p-v 图和 T-s 图上的一点、两线、三区和五态。

3 .了解蒸气图表的结构。

4 .掌握蒸气图表的应用。

5 .掌握蒸气热力过程的热量和功量的计算。

重点: 确定蒸气状态参数的独立变量,利用蒸气图表计算蒸气热力过程。

难点: 蒸气热力过程的分析与计算。

深度和广度: 蒸气与气体的差别仅在于用图表代替分析计算,只要会应用图表,其难度并不超过理想气体,但要避免学生用理想气体的方法解决实际气体的问题。

第七章 湿空气 (Moist Air) (6 学时 )

教学内容:

1. 湿空气的状态参数及相关概念

(Moist air, saturated air, unsaturated air, dew point, relative humidity, enthalpy, humidity ration, dry-bulb temperature, wet-bulb temperature, partial pressure, etc)

2. 湿空气的焓湿图及其应用,

(Psychrometric Chart and its application)

3. 湿空气的基本过程及其应用。

(Basic processes of moist air and their application)

教学要求:

1 .理解湿空气、未饱和空气和饱和空气的含义【 2 】。

2 .掌握湿空气状态参数的意义及其计算方法。

3 .掌握用解析法和图解法计算湿空气的热力过程的方法。

重点: 湿空气状态参数的确定,湿空气焓湿图的应用,湿空气的基本过程的分析。

难点: 确定湿空气的状态参数。

深度和广度: 着重讲解湿空气的许多特殊 “状态参数”及其分析方法(有时沿用理想气体分析计算方法,有时又沿用实际气体图表方法,并且图表法更加直观和易于理解)。在引出各种湿空气的状态参数时应在阐明参数意义的基础上加强应用场合的论述。着重指出湿空气有三个独立变量,一般在压力变化不大时,才是两个独立变量。湿空气对于暖通专业特别重要,但应避免把空调专业课的内容引入本课程,冲淡学生对湿空气基本性质的理解。

第八章 气体和蒸气的流动( Gas or vapor flow in short ducts ) (5 学时 )

教学内容:

1. 一元可逆绝热流动基本方程式(连续性方程、能量方程、过程方程)

Characteristic of one-dimensional adiabatic reversible steady flow (continuous equation, energy equation and process equation)

2. 促使流速改变的条件,喷管的热力计算

The condition incur the change in flow velocity through nozzle, Calculation of Velocity and mass flow rate through nozzle

•  有摩阻的绝热流动,绝热节流过程

Adiabatic steady flow through nozzle with friction, adiabatic throttling

教学要求:

1 .掌握一元可逆绝热流动的基本方程 ;

2 .弄清促使流速改变的力学条件和几何条件及其对流速的影响 ;

3 .理解气流截面积变化的原因 ;

4 .掌握喷管中气体流速、流量的计算,进行喷管的设计计算和校核计算方法;

5 .理解滞止焓、临界截面、临界参数的概念;

6 .掌握绝热滞止、绝热节流过程的计算。

重点: 喷管的设计计算和校核计算,节流的应用。

难点: 判断渐缩喷管的出口压力是否能降到背压,在设计计算中喷管的选型。

深度和广度: 本章是热力学理论与实践结合的范例。学生应掌握喷管的选型、设计计算和校核计算,在掌握理想气体和可逆绝热流动的基础上,推广到蒸气和不可逆绝流动。

第九章 动力循环 第十章 制冷循环 (Power Cycle and Refrigeration Cycle) 共 7 学时

教学内容:

•  分析循环的一般方法 (Basic Consideration in the analysis of power cycles )

•  蒸汽动力基本循环,回热循环与再热循环

( Rankine Cycle, Reheat Cycle and Regeneration Cycle)

•  内燃机循环,燃气轮机循环

(Otto Cycle and Diesel Cycle and Brayton Cycle)

•  空气压缩制冷循环,蒸气压缩制冷循环等

(Refrigeration cycle, Vapor Compression Refrigeration Cycle, etc)

基本要求:

1. 掌握各种动力装置循环的实施设备及工作流程,并能分析各种循环的热

力过程。

2 .掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量等能量分析和计算方法。

3 .掌握分析影响各种循环热效率、性能系数的主要因素及提高循环热效率或性能系数的具体方法和途径。

重点: 各种循环的 p-v 图和 T-s 图上的表示以及对循环进行能量分析和计算。

难点: 各种装置实际循环的分析和计算,再热循环和回热循环的能量分析与计算。

深度和广度: 介绍动力循环和制冷循环,应用热力学理论解决循环计算。学生通过学习应当掌握基本循环的构成,循环分析计算方法和提高循环效率的方法。本章也是热力学基本理论综合应用,其目的之一是巩固热力学基本理论。

 

三、课程教学基本要求

1 .教学方法:

利用多媒体双语课件进行课堂讲授、适当辅以板书;授课语言以英语为主,适当进行疑难问题的中文讲述。

2 .作业:

每个教学单元布置一定的习题和思考题,目的在于: ① 加深对基本概念和基本规律的理解 ; ② 应用和巩固基本理论、基本知识进行问题的分析和求解,掌握工程图表的应用技能。

课后作业不少于 50 题。

3 .课程考核:

课程考核采用笔试,题型有名词解释、填空题、判断正误题、简答题和计算题。

 

四、实践环节

本课程两个基本定律中热力学第一定律,学生在前设各种课程己经熟知;热

力学第二定律“方向性”本身也易于理解,不设实验。

空气比热测定过程、空气在喷管中的流动特性以及制冷循环各设一实验是合理的。其中空气比热测定过程 2 学时,空气在喷管中的流动特性现象 2 学时、制冷循环 1 学时。

五、学时分配

学 时 分 配

合计

讲课

习题课

实验课

上机课

讨论课

其他

绪论

2

 

 

 

 

 

2

1

5

 

 

 

 

 

5

2

4

1

2

 

 

 

7

3

4

 

 

 

 

 

4

4

4

2

 

 

 

 

6

5

4

1

 

 

 

 

5

6

3

2

 

 

 

 

5

7

4

2

 

 

 

 

6

8

4

1

2

 

 

 

8

9

4

 

 

 

 

 

4

10

3

 

1

 

 

 

4

机动

1

 

 

 

 

 

1

合计

42

9

5

 

 

 

56

 

六、教学内容更新说明:

暂无

制定者: 赵 蕾
审定者: 刘云霞
批准者: 石辉
校对者: 崔海航

制定日期: 2009 年 8 月