工程热力学B

 

一、课程介绍

 

本课程是面向车辆工程、农业机械及自动化、工业设计、包装工程专业本科生开设的一门学科基础必修课。本课程介绍工程热力学在工程中的地位，能量转换装置的工作过程以及热力学的研究对象和方法。具体内容包括热力学第一定律，理想气体的热力学能、焓、比热容和熵的计算方法，理想气体的热力过程分析，热力学第二定律，压气机、活塞式内燃机的动力循环和蒸汽动力循环分析，制冷循环的分析方法，湿空气的热力过程分析与空气调节。教学部分共包含理论32学时，实验2学时，以期末考试、平时成绩等综合评出最终成绩。

 

Introduction

 

Engineering Thermodynamics B is a discipline basic compulsory course for undergraduate students of automotive engineering, agricultural machinery and automation, industrial design, packaging engineering. This course introduces the state of the art of engineering thermodynamics in engineering, the working process of the energy conversion device. It introduces the first law of thermodynamics, the calculation method of heat capacity, entropy, enthalpy, specific heat capacity of ideal gas , analysis of the thermodynamic process of ideal gas, the second law of thermodynamics, analysis of compressor, power cycle of internal combustion engine and vapor power cycle,  refrigeration cycle, gas-vapor mixtures and air conditioning.

The content of this book will take 32 theoretical lessons，2 lab tutorials.  The final result is assessed by the final examination result and the usual result.

 

 

 

课程基本信息

 

二、教学大纲

1、教学目标

1.1 教学目标

掌握工程热力学基本理论及基本方法，掌握工程实际中各种能量转换装置的工作过程及工作原理；具备基于工程热力学的原理和方法，对相关复杂工程问题进行热力学分析与计算的能力，尤其针对汽车工程相关热力学问题进行热力学分析与计算；能够针对复杂工程问题，应用热力学基本理论知识进行实验研究并获得科学有效结论。

本课程达成如下能力培养要求：

1. 掌握工程热力学基本理论及基本方法，掌握工程实际中各种能量转换装置的工作过程及工作原理。

掌握热力学基本概念及基本定律，掌握理想气体、水蒸气及湿空气的基本知识，了解并掌握理想气体的热力过程的特点及计算，了解并掌握掌握工程实际中各种能量转换装置（喷管、压气机、气体动力装置、蒸汽动力装置、制冷装置）的工作过程及工作原理。

2. 具备基于工程热力学的原理和方法，对相关复杂工程问题进行热力学分析与计算的能力，尤其针对汽车工程相关热力学问题进行热力学分析与计算。

（1）具备基于工程热力学基本理论与方法，针对某能量转换装置（如整车、汽车散热器），恰当地选择系统，进行能量分析。

了解并掌握热力学基本概念、热力学第一定律及其应用。

（2）具备基于工程热力学基本理论与方法，掌握针对汽车发动机等热机装置进行理论分析与计算的能力

了解并掌握热机循环及热机热效率等基本理论知识；了解气体动力循环（内燃机循环、燃气轮机循环、增压内燃机、喷气式发动机及热气发动机）等理论知识、并掌握内燃机循环、燃气轮机循环、增压内燃机的理论分析与计算。

（3）具备基于工程热力学基本理论与方法，掌握针对汽车空调等制冷装置进行理论分析与计算的能力。

了解并掌握制冷循环、空气压缩制冷系统、蒸汽压缩制冷系统等相关基本理论知识；并以汽车空调的制冷与供热作为定性案例，进行理论分析与计算。

3. 能够针对复杂工程问题，应用热力学基本理论知识进行实验研究并获得科学有效结论。

须具备的实验研究能力包括：

（1）基于工程热力学的基本原理和方法进行气体在喷管内的流动特性实验研究的能力；

（2）基于工程热力学的基本原理和方法测定空气的定压比热容的实验研究的能力。

1.2 教学目标与毕业要求指标点对应关系

表1 教学目标与毕业要求指标点对应关系

2、教学要求

教师要积极备课，对课程内容要融会贯通，切忌照本（幕）宣科。授课在多媒体教室，充分利用多媒体教学课件，做到授课内容与大纲相符，注重平时成绩的积累，成绩评价体系标准真实、严谨、公平、公正、公开，能促使学生学习的积极性。

3、预备知识或先修课程要求

    要求学完高等数学、工程制图、大学物理等相关课程。

4、教学方式

表2 教学方法（与教学目标对应）

 

5、实验环境和设备

实验环境：热能工程实验室

实验设备：气体流动特性实验台、空气定压比热测定实验台

6、课程教学内容及学时分配

6.1课程内容

绪论（1学时）

教学重点：明确本课程的目的、主要内容、本门课的理论体系及要求。

学习要求：了解热力学的定义、研究目的及分类；本门课的主要内容。

第一章 基本概念及定义（3学时）

 1-1 热力学系统 （0.5学时）

 1-2 热力学系统的状态及基本状态参数 （0.5学时）

 1-3 平衡状态和状态参数坐标图（0.3学时）

 1-4 状态方程式（0.2学时）

 1-5 热力过程和准静态过程（0.5学时）

 1-6  准静态过程的功（0.5学时）

 1-7 热量（0.3学时）

 1-8 热力循环（0.2学时）

教学重点：重点是掌握热力学的基本概念

习题作业：1-12,1-15, 1-17 ,1-20

学习要求：

了解并掌握热力学系统、边界、外界、状态和基本状态参数、平衡状态、稳定状态、均匀状态等基本概念；掌握理想气体状态方程式；理解自发过程、准静态过程和可逆过程等概念；掌握准静态过程功量、热量的计算方法；掌握热力循环的分析方法。

第二章 热力学第一定律（4学时）

 2-1 热力学第一定律 （0.2学时）

 2-2 闭口系统能量方程式（0.5学时）

 2-3 开口系统能量方程式（0.5学时）

 2-4 稳定状态稳定流动能量方程式（0.5学时）

 2-5 轴功（0.3学时）

 2-6 稳定流动能量方程式应用举例（2.0学时）

教学重点：闭口系统和开口系统的能量方程式

习题作业：2-2,2-7, 2-11, 2-14

学习要求：

理解热力学第一定律的实质；了解并掌握系统的热力学能、比热力学能、系统的能容量等概念，掌握闭口系统能量方程式；理解开口系统能量方程式；掌握稳定流动能量方程式和焓的物理意义；理解各种功量之间的关系；掌握能量方程的应用。

第三章 理想气体的热力学能、焓、比热容和熵的计算 （3学时）

3-1 理想气体的热力学能和焓（0.5学时）

3-2 理想气体的比热容（0.5学时）

3-3 理想气体的熵（1.0学时）

3-4 理想气体混合物（1.0学时）

教学重点：理想气体的状态参数的计算方法

习题作业：3-3, 3-9,3-10, 3-20

学习要求：

理解理想气体的热力学能及焓仅是温度的函数的性质；

掌握理想气体热力学能的变化、焓变、比热容及熵变的计算方法。

  理解理想气体混合物的概念，分压力定律和分容积定律，掌握理想气体混合物的状态参数计算方法。

第四章 理想气体的热力过程（3学时）

4-1 热力过程分析概述（0.2学时）

4-2 定容过程（0.3学时）

4-3 定压过程（0.3学时）

4-4 定温过程（0.2学时）

4-5 绝热过程（0.5学时）

4-5 多变过程 （1.5学时）

教学重点：理想气体四种基本热力过程的能量分析和参数计算

习题作业：4-6, 4-10, 4-11, 4-15

学习要求：

  要求了解各种典型过程及多变过程的特点，掌握各过程的定性分析与计算。

第五章 热力学第二定律 （4学时）

5-1 热机循环和制冷循环（0.5学时）

5-2 热力学第二定律（0.5学时）

5-3 可逆过程和不可逆过程（0.2学时）

5-4 卡诺循环（0.3学时）

5-5 卡诺定理（0.5学时）

5-6 克劳修斯不等式（0.5学时）

5-7 状态参数熵及孤立系统熵增原理（0.5学时）

教学重点：热力学第二定律的实质和卡诺定理

习题作业：5-6, 5-14，5-24

学习要求： 

理解热机循环和制冷循环的原理；

掌握热力学第二定律的实质及典型的表述方法；

理解可逆过程和不可逆过程的概念；

 掌握卡诺循环的理论及其结论；

 掌握卡诺定理，并能够运用卡诺定理分析工程实际问题；

 掌握克劳修斯不等式及其分析方法；

 掌握孤立系统熵增原理，并能够分析过程进行的方向。

第七章 气体的流动 （4学时）

7-1 稳定流动时气流的基本方程式（0.5学时）

7-2 管内定熵流动的基本特性（0.5学时）

7-3 气体的流速及临界流速（1.0学时）

7-4 气体的流量和喷管计算（1.5学时）

7-5 喷管效率（0.5学时）

教学重点：理想气体在喷管内稳定流动时的参数计算及喷管的设计计算

习题作业：7-3,7-5, 7-9,7-13

学习要求：

理解喷管内稳定定熵流动的假定条件、连续方程、能量方程；

掌握定熵流动的参数关系；

了解滞止状态、滞止参数、临界状态、临界参数；理解并掌握背压对喷管气流特性的影响；掌握渐缩喷管、缩放喷管中的流动特性；

理解并掌握喷管中气体的流量计算，并能够进行喷管设计；

了解速度系数及喷管效率的计算。

第八章 压气机的压气过程 （2学时）

8-1 压气机的压气过程（0.3学时）

8-2 活塞式压气机的压气过程（0.7学时）

8-3 多级压缩（0.5学时）

8-4压气机效率（0.5学时）

教学重点：活塞式压气机压气过程的分析和计算，多级压缩。

习题作业：8-1,8-4,8-5

学习要求：

了解压气机压气过程的特点，掌握定温、定熵及多变压气过程轴功的计算方法。

理解活塞式压气机压气过程的分析方法。

理解多级压缩过程的分析，掌握两级压缩过程的参数确定及计算。

 了解压气机的定温效率和绝热效率。

第九章 气体动力循环（2学时）

     9-1活塞式内燃机的理想循环（2.0学时）

教学重点：活塞式内燃机理想循环的理论分析与计算

习题作业：9-1,9-2,9-5

学习要求：

    了解活塞式内燃机实际工作循环的理想化思路；掌握内燃机理想循环的参数分析、能量分析的方法与计算；了解并掌握比较理想循环性能的方法；理解平均温度、等效卡诺效率等概念并能熟练应用；掌握内燃机理想循环性能的比较方法。

第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环（2学时）

11-1 水蒸气的发生过程（0.2学时）

11-2水蒸气热力性质表和图（0.2学时）

11-3 水蒸气的热力过程（0.6学时）

11-4 郎肯循环（1.0学时）

教学重点：水蒸气的发生过程和参数分析

习题作业：11-1,11-4,11-7

学习要求：

了解水蒸气的定压产生过程；重点掌握水蒸气的p-v图及T-s图。

了解水蒸气的热力学能的基准状态；了解并熟悉水蒸气的热力性质表与水蒸气的焓熵图，并能熟练应用。

了解并掌握水蒸气热力过程的特点、图示表示，并能进行相应计算。

了解简单蒸汽动力装置的原理，能对郎肯循环进行理论计算与分析。

第十二章 制冷循环 （2学时）

  第1节 逆向卡诺循环（0.3学时）

  第2节  空气压缩制冷循环（0.7学时）

  第3节  蒸汽压缩制冷循环（1.0学时）

教学重点：空气及蒸汽压缩制冷循环的分析及计算

习题作业：12-1,12-3,12-5

学习要求：

了解逆向卡诺循环的分析方法；

理解空气压缩制冷循环分析，掌握能量分析和制冷系数的计算；

掌握蒸汽压缩制冷循环的分析，压焓图的分析及参数的计算方法。

第十三章 湿空气 （2学时）

  第1节 湿空气的一般概念（0.3学时）

  第2节 绝对湿度、相对湿度和含湿量（0.5学时）

  第3节 湿空气的焓—含湿量图（0.2学时）

  第4节 湿空气的热力过程（1.0学时）

教学重点：湿空气的性质及热力过程 

习题作业：13-1,13-7,13-9

学习要求：

理解饱和湿空气、未饱和湿空气、露点温度的概念；

掌握湿空气的绝对湿度、相对湿度和含湿量的概念和计算方法，了解干湿球温度计的；

了解湿空气的焓—含湿量图，掌握不同的热力过程在焓—含湿量图上的表示及热力过程的参数计算。

6.2教学内容与教学目标对应关系

表3.1 教学方法（与教学目标对应）

 

7、实验项目内容、学时分配、实验小组

表4实验项目一览表

教学重点：

    可以让学生了解有关热工实验装置、实验设备；掌握各项热力学实验的基本原理与方法；熟悉各种热工测量仪表的使用；掌握实验数据的处理方法。

学习要求：

    学生在学过有关内容后要事先预习有关实验内容，写实验预习报告，预定实验时间，准时做实验，正确记录实验数据，课后写出并上交实验报告，实验报告中应对实验现象、误差、思考题等做出正确分析。

8、考核要求、考核方式及成绩评定标准

8.1考核方法

表5考核方法（与教学目标对应）

8.2考核标准

表6 考核标准

8.3 成绩评定

（1）期末考试

采用百分制，以期末闭卷考试形式，由教师根据标准答案评阅，给出卷面成绩。

（2）课程实验

课程实验占平时成绩中的50%，即实验满分50分，其中实验操作10分，所涉及的两个必做实验，每个实验报告20分，实验报告的考核标准见下表。

表7 课程实验考核标准

（3）课程作业及课堂随机抽查

课程作业及课堂随机抽查占平时成绩中的50%, 记录时满分为50分。由教师根据作业及课堂随机抽查的完成情况综合评定。

（4）成绩评定

课程最终成绩采用百分制，满分100分，60分为及格。

课程最终成绩由期末考试成绩与平时综合成绩两部分构成，其中期末考试（闭卷）成绩占70%；平时综合成绩由作业、课堂随机抽查及实验成绩综合评定，占总成绩的30%，其中课程作业及课堂随机抽查占平时成绩中的50%、实验成绩占平时成绩的50%。