1、热 工 基 础,山东大学 崔 峥,热 学 是 什 么？,什么是能量？,能量与能源,能量是物质运动的度量。,能量是人类社会进步的动力。,世界是由物质构成的，一切物质都处于运动状态，所以一切物质都具有能量。,能量的主要形式：,机械能：,物质分子热运动动能与位能之和，即不涉及化学变化和核反应的热力学能，也称为内热能；,主要包括物体的动能与势能，二者统称为宏观机械能；,热 能：,能量的主要形式：,电 能：,化学能：,核 能：,辐射能：,与电荷的运动和积蓄有关的能量；,通过化学反应释放的能量；,通过核反应释放的能量；,物体以电磁波的形式发射的能量。,什么是能源？,能源，顾名思义，就是能量的源泉，即蕴含各
2、种形式能量的资源。具体来说，是指能够直接或间接提供能量的物质资源。能源是带有时代性的一个概念，不同时期，能源的范畴是不同的。随着科学技术的进步，人类对物质性质及能量转化方法的认识也在不断深化，对能源的界定也在不断变化。,能源分类,1 根据初始来源：,地球本身的能源：地热能、核能等。,地球以外天体的能源：太阳能以及由太阳能转化而来的风能、水能、海洋波浪能、生物质能、化石燃料等。,2 按开发的步骤：,一次能源:煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等。,二次能源:电力、煤气、汽油、沼气、氢气、甲醇、酒精等。,地球与其他天体相互作用产生的能源：潮汐能。,4 按能否再生：,可再生能源：水
3、能、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等；,非再生能源：煤、石油、天然气、核能等。,5 按开发利用过程中对环境的污染情况：,清洁能源：太阳能、风能、水能、海洋能等；,非清洁能源：煤、石油、天然气等。,3 按照开发利用情况及其在社会经济生活中的地位：,常规能源：技术比较成熟，如煤炭、石油、天然气、水能等。,新能源：技术不成熟，如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能及核能等。,薪柴时期: 以生物质能为主要能源的薪柴时期延续了漫长的时间，利用薪柴使人们摆脱了完全依附自然生存的状态，开拓了物质文明的新局面。煤炭时期: 人类开发利用煤炭资源的历史悠久，早在2000多年前我国的春秋战国时期，就已经有
4、了使用煤炭作为燃料的记载。18世纪60年代，产业革命从英国开始爆发，使能源结构发生了第一次革命性变化能源消费从此进入了煤炭时期。至今，煤炭仍是人类利用的重要能源之一。石油时期：19世纪末20世纪初的第二次科技革命，使内燃机开始走上了历史舞台，以内燃机为动力设备的机车开始大规模地进入人类社会，极大地促进了石油工业的迅速发展，石油在整个能源结构中所占的比重也在不断上升。二次大战后的十几年间，发达国家基本完成了石油代替煤炭成为首要能源的历史性变革。,页岩气（Shale gas）是否能带来新的能源变革？,是蕴藏于页岩层中的天然气（埋深200米-3000米）。过去十年内，页岩气已成为美国一种日益重要的天
5、然气资源，同时也得到了全世界其他国家的广泛关注。2000年，美国页岩气产量仅占天然气总量的1%；而到2010年，因为水力压裂、水平钻井等技术的发展，页岩气所占的比重已超过20%。根据美国能源信息署的预测，到2035年时，美国46%的天然气供给将来自页岩气。,乔治 米歇尔页岩气之父,能源对人类生活的影响至关重要，不仅满足了人类最基本的生存需求，而且为人类社会的繁荣提供了物质基础。纵观人类历史长河，能源的发展和利用成为每个时代的重要标志和人类进步的重要标志。21世纪人们都在为追求良好的生存环境而努力，在这种背景下，清洁能源的开发和利用显得格外重要。各国的能源消耗都是多元化发展的，其中风力发电和太阳
6、能发电增长比较迅速，而煤炭和石油几乎处于停滞状态。能源发展的趋势正向着洁净能源和可持续能源发展的方向前进。,能量的转换与利用,能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。,为 什 么 学 习 热 学？,据统计，目前通过热能形式利用的能源在我国占总能源利用的90以上，世界其它各国平均也超过85。由此可见，在能量转换与利用过程中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。,热能利用的基本方式,热利用：,烧饭、采暖、烘干、熔炼等；,动力利用：,通过热机将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能加以利用。,由于热能转换为机
7、械能的有效利用程度（即热机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有12，现代燃气轮机装置的热效率大约只有3742，蒸汽电站的热效率也只有40左右。因此，如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的热效率，是十分重要的课题。,热工基础的研究内容,热 工 基 础（热工理论基础）,工程热力学篇,传热学篇,主要研究内容：,主要研究热能利用的基本规律以及热能利用过程及自然界所有热现象中热量传递的基本规律。,1.工程热力学的研究内容与研究方法,（1）研究内容,工程热力学主要研究热能和机械能之间相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径和技术措施。,（2）研究方法,工程热力学采用经典热力学的宏观研究方法，
8、还普遍采用抽象、概括、理想化和简化处理方法。,热机工作过程示意图,如何提高热机的热能利用率（热效率）是工程热力学的主要研究内容之一 。,2.传热学的研究内容与研究方法,（1）研究内容,传热学主要研究热量传递的规律。,所谓热量，是指在温差的作用下传递的热能的数量。由于在人们的日常生活和生产实践中温差几乎无处不在，所以热量传递是普遍存在的物理现象。,一切热能利用过程都离不开传热，热能利用率和传热过程密切相关。,传热学的应用非常广泛，传热学知识在能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、低温工程、环境与建筑等工业领域以及在许多高科技领域都发挥着极其重要的作用。如电子信息工程、航空航天、医学和生命科学等 。,（2）研究方法,传热学主要采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的研究方法。,热工基础课程的学习主要有两个目的,（1）掌握工程热力学的基本概念、基本定律和基本分析方法，掌握热能和机械能之间相互转换的规律及提高转换经济性的方法和技术措施，树立节约能源、合理用能的观念；,（2）掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。,
