工程热力学意义精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的工程热力学意义主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：工程热力学意义范文

由于浮法玻璃的产量相当巨大，所以其严重影响到我国的经济和相关产业。浮法玻璃制造工艺一向被公认为是玻璃生产工艺里面的规模生产技术水平最高的，但是它也存在诸多的问题，比如：其溶制时间很长、其溶制的温度很高、其余热和废气度环境的危害很大、能源和原材料的消耗量也很大等等。除此以外，生产出来的玻璃产品还依赖高温、严格的气氛控制以及长时间保温等来确保锡槽和熔窑等生产设备的稳定。所以，对其的生产还需要做进一步研究，以促进发展的平衡。

化学热力学就是一个能到做到全方位分析和研究的工具，不需要太多的数据就可以研究材料生产制备的热加工过程和过程中材料的相结构以及其性能的嬗变规律。对于这一点，在钢铁材料的研究运用中最为显著。然而，大家也都清楚，玻璃是典型的非晶态无定型的物质，并且它的结构极为复杂，和相结构和相组成比较简单的金属材料是大有不同。因此，所采用的模型、计算方法还有对应的数据库以及其数据整理等都会不同，需要对此一一展开研究。本文是阐述通过尝试使用化学热力学方法来研究浮法玻璃的一些工作，希望可以启到一定的作用。

化学热力学计算的研究平台MTDATA

MTDATA是一整套电子计算机软件程序包和数据库技术，是用于多项复杂体系化学热力学、热过程计算分析。它的工作原理就是以热力学物理相平衡的原则。通过积累的简单系统的热力学数据和专门构建的数据库来作为基础，根据选择的或者设计的模型来展开计算分析工作。全过程通过相变热力学计算分析以及非平衡计算的模型方法和实际测量的数据，就可以气相在内的体系各相间的真实相互转变的关系，由此可以很清楚地知道材料的制备和加工的过程，从而找出可以提高产品质量的关键点和环保的途径，这样有助于可持续发展。针对平板玻璃而言，其结构的形成，产品性能的变化，玻璃气泡与玻璃产品性能，其熔化制备过程中的硅酸盐反应过程细节，气氛与澄清，气体成分分布以及熔窑侵蚀等对玻璃生产工艺过程很重要，可是传统的方法却很难深入到系统的研究，所以采用这种方法比较合适。

数据的采集和数据库

之前就有提到说浮法玻璃的组成是非常的复杂的，而且整体体系的化学热力学相变过程所涉及到的因素也很多。所以在这个计算处理的过程中，不能仅是简单的数据叠加，需要专门设计计算的流程和模型以及专业的数据库才可以满足。所以，NPL的方法是和皮尔金顿等企业合作建设MTOX数据库，并且不断地升级，可以涵盖研究中可以包含的所有的气体系统。其数据库的问题对于研究的结果是否具有准确性和实用性启着关键的作用。在研究中，发现了浮法玻璃在高温液态的时的气态的含量对玻璃液的澄清和产品的光学性能影响较大。所有计算体系中，对采用的数据和数据库需要进行部分实测和计算调整。因为一般的浮法玻璃都是氧化物体系，含氧类的气体为主，通过氧化物的气体传感器，利用电化学原理，形成系统的装置，实施实验室和生产在线测量，经过整理、对比以及计算分析，便可以推算出玻璃窑和玻璃液中气体的含量变化规律，以此作为化学热力学计算的基础数据之一。

玻璃形成的过程

普通硅酸盐玻璃成分结构很复杂，玻璃结构的形成过程对于玻璃的研究者和制造者来说，十分重要。如果可以掌握玻璃结构的形成规律以及与制备环境条件和原料的组成的关系，就可以很全面地控制玻璃的改性、玻璃的生产以及其加工，找到工艺制度需要改进的地方和可以采用环保的生产的措施等等。虽然热力学计算出的相比较复杂，但是它的结构变化是对应着普通平板玻璃液相形成的变化规律，这便可以结合现代的结构分析方法来分析总结出玻璃的结构和形成的特点。

玻璃生产中所用的澄清剂

玻璃澄清也就是将玻璃里面的气泡清除掉。现在采用热力学研究的方法就是，通过设计研制的探测器，定位安放和测量获得气体、气泡的信息。进行计算，做好化学组成、温度的研究，从而建立模型，掌握气泡的衍生和变化的规律。从而专门研发相关的澄清剂和专门的数据库，促进深入研究气泡的形成变化。

总结

第2篇：工程热力学意义范文

关键词：数学物理；工程热力学；教学

作者简介：高蓬辉（1979-），男，山西兴县人，中国矿业大学力学与建筑工程学院，副教授；张东海（1977-），男，江苏徐州人，中国矿业大学力学与建筑工程学院，副教授。（江苏 徐州 221116）

基金项目：本文系中国矿业大学青年教师教学改革资助项目（项目编号：2001207）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0087-02

“工程热力学”为能源工程、机械工程、化学工程、材料工程以及航空航天工程等多门学科的发展奠定了基础，热工理论的研究与应用直接决定能源转化效率、节能技术及环境保护实施的成效，对于人类社会的可持续发展具有重大意义。因此，作为高校工科专业的重要基础课，加强“工程热力学”的教学效果就尤为重要。我国近两百所高校开设建筑环境与能源应用工程专业，全部将“工程热力学”课程设置为主干专业基础课之一。“工程热力学”课程不仅是后续专业课程学习的理论基础，同时直接为学生今后的科研和工作实践提供理论指导，具有重要的学习意义和实际应用价值。[1]

笔者根据自身在“工程热力学”课程教学过程中的切身体会和经验，指出应注重将基础数学、物理理论知识融会于“工程热力学”课程讲授过程中，促进学生对热力学中抽象概念和过程的深入理解，达到提高和改善教学效果的重要作用和目的。

一、基础数学物理知识在热力学理论中的体现

热力学的先修课程主要有高等数学和普通物理等课程，在教学中发现许多学生高等数学知识薄弱，需要在课堂教学中讲解大量的高等数学知识，才能使课堂教学质量得到保证，然而却浪费了“工程热力学”课程自身的教学时数，因此探索基础数学、物理知识体系与热力学之间合理的联系以及有机过渡的教学方法成为热力学教学中必须重视的问题之一。

热力学作为一门非常系统且抽象的学科，其科学性、严谨性主要是通过各个章节中贯穿其中的数学体系来构建而成的。如何科学、深入理解这些繁杂这些概念和数学结论，成为课堂教学活动中非常关键的一环。以下我们将例举热力学中非常重要的一些基于数理知识的基本概念和理论推导过程。

1.状态参数

在热力学的教学过程中，我们把系统中瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。[2]热力状态反映了工质大量分子热运动的平均特性，描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。而状态参数是热力系统状态的单值函数，与热力过程无关，状态参数的这一特性的数学特征为点函数，表示为：

（1）

循环积分为：

（2）

在教学活动中，应将微分的理念融入到状态参数概念的讲解中，并通过全微分将热力系统状态参数为点函数的特性进一步阐述，使学生深入理解热力状态参数的特殊性。

2.微变量dh与变化量h的区别

在热力学第一定律的学习过程中，对于焓有两个非常相似的公式：

（3）

（4）

上式（3）和（4），从外形来看，非常相似，且学生在学习过程中，也容易忽视其细微差别。从数学角度来看，在教学过程中应对其进行区分。式（3）为焓的微分计算表达式，dh为焓的微变量值；式（4）为焓的改变量计算表达式，h为焓的变化量，即式（4）是通过对式（3）进行积分后得到的。这些细微概念上的差别，带来完全不同的热力学分析。通过上述的详细讲解和区别，可以加深学生对热力学中相关公式和计算过程的理解。

3.卡诺循环与极限的概念

卡诺循环解决了在一定的高温热源T1和低温热源T2间，热功转换最大效率的问题。由于卡诺循环是典型的可逆循环，在整个热力转换过程中，没有熵产，即没有不可逆因素所引起的做功能力的损失，因此，该循环热效率ηtc=1-T2/T1成为两热源T1、T2之间工作热机的最大循环热效率。

在课堂讲解中，联系实际工业生产和生活中的热力机械，指出实际热力机械的热功转换效率都低于卡诺循环热效率ηtc，原因在于卡诺循环作为可逆循环，是一理想热力循环，其热效率为实际生产、生活中热力循环效率的极限。[3]因此，实际生产和生活中的热力循环效率只能小于卡诺循环的热效率，不可能大于卡诺循环的热效率。这样从数学极限的角度也解释了为什么卡诺循环效率是一定高、低温热源间工作热机的最大效率的问题，使学生更加容易理解卡诺循环这节的相关概念和理论。

4.音速

研究流体在管道内流动时，我们提出了音速α，并且对定熵流动中音速用下面的公式进行计算：

（5）

在得到音速与温度之间的函数关系时，指出理想气体定熵过程方程式：

（6）

对式（6）进行变形，得到 （7）

在将式（7）代入式（5）时，遇到与是否等效的问题，从形式看，一为偏微分关系，另一为全微分关系。但从变量与因变量的角度来看，同样反映出变量与因变量间的函数变化关系，在课堂教学过程中，需要对这一细微差别进行讲解，以促进学生对物理过程以及数学关系的理解，不可一带而过，从而造成学生概念以及数学关系理解上的断层和缺失。

二、构筑基础数理知识与“工程热力学”课程有机结合的教学方法

“工程热力学”课程的一个重要特点是基本理论多，基本概念抽象。为此，在课堂教学中针对基本理论部分，把讲解重点放在基本理论和基本概念的深入理解上，如状态参数、可逆过程、热功转换、热力学第一、二定律、卡诺循环、卡诺定律、熵等，这些一定要详细讲解、分析透彻。特别是热力学第二定律的课堂教学中，因为该部分内容概念抽象、原理费解，又不能用实验来演示，所以学生学习非常困难，但热力学第二定律作为“工程热力学”课程的核心内容之一，非常重要。凡此种种，笔者作为“工程热力学”课程的讲授教师，在教学活动中，认为通过将基础数理知识与“工程热力学”课程有机结合的教学方法，可以提高和改善课堂教学效果，促进学生对“工程热力学”课程内容的掌握和理解。教学活动中可以采取以下的方法，以实现将基础数理知识与“工程热力学”课程结合的教学：

1.课程准备阶段

在“工程热力学”课程的备课阶段，先将本章节内容难以理解的概念、定理以及公式推导过程摘出来，同时考虑这些部分与哪些基础数学、物理知识相关，并将这部分数理知识作为课堂讲授内容的铺垫部分准备到“工程热力学”课程的课堂教学活动中，即将这部分基础数理知识写入课堂讲义、PPT教学幻灯片中。

2.课堂讲授阶段

在“工程热力学”课程的课堂讲授过程中，将热力学基本概念、原理和公式的推导与基础数理知识结合起来，在讲授过程中，实现热力学本身内容与基础数学、物理知识的互动讲解，从而达到改善教学效果、使学生易于理解和掌握的教学目的，实现学生对复杂、难懂内容的系统把握和理解。

3.课后反馈阶段

课后可以与学生围绕课程教学内容进行沟通，对课堂教学不足之处进行查漏补缺，一方面可以掌握学生的掌握情况，另一方面可以对教学方法不断改进，起到再次升华的作用。

三、结论

“工程热力学”作为能源、机械和化工等众多学科领域方面的一门基础专业课，其重要性不言而喻。如何改进已有的教学方法，改善和提高现有的课堂教学效果，成为各高校“工程热力学”课程教师所共同关注的关键问题之一。本文从笔者自身的教学体会出发，根据“工程热力学”课程内容的特点，提出将基础数理知识融入到“工程热力学”的教学活动中，并给出了实现将基础数理知识与“工程热力学”课程结合的教学方法和途径，为“工程热力学”课程的讲授提供了新的思路和方法，对其他课程的教学改革也有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]欧阳琴，寇广孝.建筑环境与设备工程专业“工程热力学”课程改革探索[J].教育教学研究，2011，（12）：191-192.

第3篇：工程热力学意义范文

关键词：化工热力学 教学 课程质量

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0213-01

化工热力学是是化学工程一个重要的基础学科，是工程与工艺等各类化工专业的必修课程。该课程把热力学的基本原理应用于化工技术领域，结合表征实际体系特性的状态方程、活动系数模型进行各种热力学性质的计算。由于该课程相对于其他课程而言理论性强，概念多、公式多，学生往往觉得抽象不易掌握。大篇幅的公式推导也让学生望而生畏[1-2]。

如何引导学生掌握本课程的基本原理、应用及实验技能，了解学科发展动态，培养学习的严谨作风，也是本课程教学必须回答的问题。本文试从以下几个方面进行改进，以期提高化工热力学的教学质量。

1 理论联系实际，激发学生学习兴趣

对日常生活中一些常见的现象用专业的化工热力学知识给予科学的解释。这样可以使学生感受到该课程对生活实践的指导意义，从而激发学生的学习热情和兴趣，达到既掌握了化工热力学的知识又培养了学生分析问题和解决问题能力的目的。

例如：冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？空调与取暖器哪个更省电？将冰箱和空调的工作原理与第六章的制冷循环相联系。为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？在第二章PVT关系的应用当中着重介绍了超临界萃取技术以及萃取剂的选择[3-4]。在讲到相关的理论知识时，适时的把这些学生感兴趣的问题穿来，使理论知识不再那么枯燥。

比如说在讲第六章熵增原理的时候，可以做适度的延伸，将熵增原理与宇宙的变化过程联系起来。霍金[5]在《时间的方向》这一报告中，提出了热力学时间箭头、时间箭头和宇宙学时间箭头的一致性。根据热力学第二定律，事物总是向无序状态变化，称为“熵”的不断增大。因此，我们只能看见杯子打碎成碎片的过程，从来不会看见杯子的碎片复原成为杯子，相对来说，杯子是有序的状态，碎片是无序的状态。阿姆斯特丹大学理论物理学院埃里克.弗林德教授（Erik Verlinde）认为引力从本质上是一种熵力，如果一个物体在其它物体周围发生微小移动会改变周围的无序度，就会感受到引力。

通过这样一些理论的提出，让学生通过讨论，首先能培养学生勤于思考、开拓创新的精神；其次将热力学的理论与哲学、物理学等其他学科相联系，能让学生了解自然科学其实没有学科的边界，科学是相通的思想；三是介绍一些化工热力学在实际生活中的应用。例如在讲授范德华方程时，讲述了莱顿低温实验室的创始人著名低温物理学家卡末林-昂内斯如何利用范德华方程成功地把一种又一种“永久气体”（氧气、氢气、氦气等）液化，乃至作出对人类社会产生巨大影响的贡献—— 超导电性的发现。最后如何利用超导电性实现磁悬浮列车，让学生感受到化工热力学在实际生活中的重大指导意义。

2 与时俱进，借助计算机软件来辅助教学

在化工热力学教学过程中，公式多，计算复杂成为严重影响教学效果的主要因素。为了使学生在今后的工作实际当中能更好的运用化工热力学知识解决实际问题，我们在教学过程中，专门作了一个专题，介绍了目前应用较多的几种软件，包括Aspen Plus，Simulis Thermodynamics， HSC chemistry等。其中着重介绍了目前应用最广的Aspen Plus （Advanced System for P

rocess Engineering）。该软件美国AspenTech公司研制，由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发。是基于序贯模块法的稳态过程模拟软件，并附带有庞大的数据库，包含了丰富的状态方程和活度系数模型。在各章节的计算过程中，分别对这几种软件相关的热力学计算部分进行了演示。

3 尊重传统，培养学生严谨的学习作风

化工热力学是一门严谨的课程，有人称之为完美的学科，就是因为它的理论和公式都有严密的理论基础，都是通过层层推导得到的。而本课程中最主要的内容就是热力学性质的计算。尽管有相应的软件工具可以进行辅助计算，但在教学过程中还是不能忽视学生的计算和推理能力的培养。通过日常的作业和课堂上的习题演练，让学生在做题过程中领会化工热力学的精髓，培养其严谨的学习态度和作风。

4 把握主线，纵观全局，理清脉络

化工热力学课程主要由原理、模型和应用三部分所组成。原理是基础，应用是目的，模型是应用中不可缺少的工具[7]。如果把化工热力学比作一个大树，那么原理就是它庞大的根系，模型是它的主干和枝丫，而应用这是化工热力学所开出的花朵和果实。

因此在每一章学习之前，我们都会给学生提供两副结构图。一是本门课程所研究体系的框架图。二是每章之间的关系及联系图。使学生能全面把握化工热力学的整体框架，正确理解热力学概念，灵活运用热力学原理。在学习时能做到，“提起是一串，放下是一堆”的学习方式。

参考文献

[1] 刘守军，何秀丽.《化工热力学》教学中应把握的几个问题[J].太原理工大学学报：社会科学版，2001，19（1）：80-86.

[2] 王琳琳，陈小鹏，童张法.理论联系实际提高化工热力学教学质量[J].化工高等教育，2003，3.

[3] 冯新，陆小华，吉远辉，等.化工热力学中从生活中来到生产中去的实例[J].化工高等教育，2009（1）.

[4] 陆小华，冯新，吉远辉，等.迎接化工热力学的第二个春天[J].化工高等教育，2008（3）：19-21.

[5] 包科达.热物理学基础[M].高等教育出版社，2004.

第4篇：工程热力学意义范文

关键词 热力学第一定律 热力学第一定律 卡诺定理

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.04.039

Teaching of the First Law of Thermodynamics and

the Second Law of Thermodynamics

WU Hequan， XIE Wenhong

（College of Automative and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410114）

Abstract Details of the emergence and development of the first law of thermodynamics， the second law of thermodynamics and the linkages between them. Further understanding of the process of teaching the knowledge of thermodynamics has played a good role in promoting， improving the quality of teaching.

Key words First Law of Thermodynamics; Second Law of Thermodynamics; Carnot theorem

0 引言

“工程热力学及传热学”课程是主要研究热能与机械能互相转换以及热量传递规律的一门学科。“工程热力学及传热学”围绕能量转换与传递这一主线，是对工程热力学及传热学两个研究方向的综合。其特点是涉及内容广，知识点多，主要包括热力学第一定律、热力学第二定律、热力过程计算、传热学的基本概念、换热器热计算等。它在社会生活中的应用是非常广泛的，在很多领域包括现代工业、农业、交通运输和国防建设等。虽然热机发展一百多年，已经非常完善，很多热力学理论已经在实践中得到了应用。但是在面对如今国际社会能源短缺、环境污染等问题中，推进热力学的研究，提高能源的利用效率是解决这些问题的一个关键。而热力学第一和第二定律是热力学基础，学好并掌握这些基本理论，才能更好地研究热能传递和转换的规律并把它转化成实际成果应用到社会生产生活之中。

1 热力学第一定律概述

热力学第一定律实质是能量守恒定律在热现象上的应用。能量守恒定律可以表示为：自然界的一切物质都具有能量，能量有多种不同的表现形式，可以从一种形式转化为另外一种形式，也可以从一个物体传递给另外的物体，在转化和传递过程能量保持不变。热力学第一定律则可以表述为：热可以变为功，功也可以变为热;当一定量的热消失时，必产生等量的功;消耗一定量的功时，必产生与之相应数量的热。表达式为： = +。热力学第一定律否认了能量的无中生有，正因为如此那种不需要任何动力和燃料就能持续做功的第一类永动机只能是幻想。

能量转换与守恒定律首先是从力学中以“活力守恒”的形式提出来的。系统吸热，内能应增加;外界对系统做功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加等于这两者之和。热力学第一定律就是能量转化和守恒定律。十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。著名物理学笛卡尔在1644年就提出了“运动守恒”的概念，随后德国数学家莱布尼兹引入了“活力”的概念，意大利物理学家伽利略研究斜面问题和摆的运动，斯蒂芬研究杠杆定理。伯努利的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律，1834年爱尔兰物理学家哈密顿《论动力学的普遍方法》，提出了哈密顿原理。至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容，为能量守恒定律的建立准备了条件。1841～1843年，德国科学家迈克尔和英文物理学家焦耳提出了热能与机械能相互转换的观点，为热力学第一定律的建立奠定了基础。

热力学第一定律的确立，突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种物质运动形式之间相互转换的可能性，说明运动形式相互转换的能力也是不灭的，是物质本身固有的。

2 热力学第二定律

热力学第一定律说明了热能是可以转换的，可以由热能转换成机械能，也可以由机械能转换成热能，而且能量不会消失。但是如果仅仅只是这样，那有很多现象是解释不了的。比如一辆小车给它一定动能，让它在路上行驶，走了一段路程后，由于小车和路面有摩擦，小车速度逐渐减小，最后停止。原来的动能全部转化为摩擦产生的热能，然而反过来，这些热能能还给小车，再重新让它动起来吗？再比如一个烧红了的锻件，放在空气中便会慢慢冷却。显然，热能从锻件散发到周围环境中了;周围环境获得的能量等于锻件放出的热量。反过来，这个已经冷却了的锻件能从周围环境中收回那部分散失的热量，重新赤热起来吗？这样的过程都不违反热力学第一定律。然而，经验告诉我们，这是不可能的。

所以在热能转换为机械能这一问题中，除了要遵循热力学第一定律，还要满足其它约束条件。这就是热力学第二定律的研究内容。热力学第二定律的实质就是指出了一切自然过程的不可逆性，也就是说自然界中的过程具有方向性。过程总是自发地朝着一定的方向进行。机械能总是自发地转变为热能;热量总是自发地从高温物体传向低温物体等等。这些自发过程的反向过程（称为非自发过程）是不会自发进行的。这种不可逆的过程可以用熵来描述。自然界的一切自发过程都是朝着熵增大的方向进行的。只有可逆过程，系统的熵保持不变。这就是熵增原理，这是热力学第二定律的其中一种表述方式。

在热力学第二定律告诉我们能量转化具有方向性。即机械能可以百分之百的转化为热能，但热能转化为机械能的效率不可能达到百分之百。那么热机的效率最高能达到多少呢？1824年，法国工程师卡诺提出了一种热效率最高的循环――卡诺循环。它包括两个等温过程和两个绝热过程。如果把高温热源的温度记为，低温热源的温度记为，通过热力学计算可以得到卡诺循环的热效率表达式 = /。当高温热源的温度足够高，而低温热源的温度足够低的时候，卡诺循环的热效率理论上可以无限的接近1，因此可以说卡诺循环的热效率最高。从中可以得出以下结论：（1）卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸热和放热时的温度;（2）增大，减少，可以提高卡诺循环的热效率;（3）卡诺循环的热效率只能小于1，不能可能等于1。因高温热源的温度不能等于无穷大，低温热源的温度也不可能等于零。这就表明热能不可能全部转变为机械能;（4）当 = 时，卡诺循环的热效率为零。这表明，在没有温差存在的热力系统中，热能不可能转变为机械能。或者说，单热源的热机，即第二类永动机是不可能造成的。

在卡诺定理的基础上，人们总结出了热力学第二定律的两种主要表述方式。克劳修斯说法：热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。开尔文说法：不可能从单一热源取热使之完全变成有用功而不产生其它任何他影响。它们都说明了自发过程的不可逆性，可以证明这两种表述方式是等价的。那种设想把海洋或空气当作单一热源，从中吸收热量并完全转化为有用功的第二类永动机是不可能实现的。

热力学第二定律的意义实际已经远远超出了热机热效率的范畴，它指出了自然过程进行的方向性，说明了能量品质的高低。

3 结语

热力学第一定律和热力学第二定律是人们在日常社会生产实践中总结出来的普遍规律，它们被许多实验和具体实践证明是正确的。热力学第一定律和热力学第二定律的建立，奠定了工程热力学与传热学的理论基础，也彻底了永动机的幻想。大学生在学习热力学第一定律和热力学第二定律时应该理解它的内容，实质，掌握它的重点和难点。了解热力学第一定律和热力学第二定律的发展过程，要学会自我归纳总结，做到独立思考。教师应该把精力放在提高热力学第一定律和热力学第二定律的教学深度以及加强实践应用上。热力学第一定律和热力学第二定律是自然界的普遍法则，蕴含了大道理，验证了辩证唯物主义思想，所以教师应该把事物发展的科学道理在这一章充分展现出来。热力学第一定律和热力学第二定律是“工程热力学及传热学”课程的重要内容，也是理工科学生必须掌握的基本知识，因此对它们进行深入研究有利于提高课程的教学质量。相信对热力学第一定律和热力学第二定律的研究一定会推动社会的进一步发展。

基金项目：长沙理工大学教改课题项目

参考文献

[1] 李岳林，刘志强，武和全.工程热力学与传热学[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2] 沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.

第5篇：工程热力学意义范文

关键词：Aspen；化工热力学教学；p-V-T关系；状态方程

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0214-03

一、引言

化工热力学是化学工程的基础学科，是化学工程与工艺专业的必修课程，在化学工程的教学过程中占有极其重要的地位。

学习化工热力学课程的目的是为了解决实际问题，物性数据的计算是本课程的重要内容，因为过程工程的研究、设计、操作与优化中都离不开物性数据。例如，为蒸馏、萃取、结晶等分离过程提供基础数据；从容易测量的性质推算难测量的性质；从温和条件的物性数据推算航天发射、深潜高压等苛刻条件下所需的物性数据等等。

化工热力学的研究对象更接近实际过程，实际过程所涉及的系统如此复杂，温度、压力范围如此宽广，化学工程师们不能再依靠简单的理想气体或理想溶液模型来计算物性了，而是需要适用范围更广、准确性更好、复杂性更高的模型，如PR等状态方程，借助商业化的化工流程模拟软件Aspen来促进化工热力学教学是一个很好的选择，对促进学生掌握概念，强化基础，提高应用能力具有重要作用。同时对后续的化工设计、化工计算等课程的教学十分有益。化工热力学教学中引入Aspen具有如下优点：

1.Aspen软件中物性计算原理与本课程热力学性质的计算原理是一致的，用该软件辅助热力学教学，能提高教学效率，简化计算过程，激发学生的学习兴趣。另一方面，也能使学生掌握Aspen软件物性计算原理的内核，了解更多的基础数据来源，提高应用能力，真正掌握“核心技术”，不至于再像从前那样，只知计算结果，不知计算原理，不明所用的模型，不能分析结果。

2.国内许多高校的后续课程，如化工设计、化工计算等教学中也开始采用Aspen辅助教学，化工热力学作为这些课程的基础，采用Aspen进行热力学性质计算，无疑会使得后续课程的基础更加扎实。

用Aspen软件指导化工热力学的教学过程，在发达国家也受到高度重视，如Sandler等也出版了相关的教学指导材料[1]。但国内的化工热力学教学与国外教学有相当的差异性，如，国内的教学课时数较少，教材内容更紧凑，因此，引入化学物性计算软件来提高教学效率更加重要。

在之前的文章中已经就Aspen软件辅助[2，3]化工热力学教学进行简单探索，但存在和课本知识与课堂教学不能较好匹配的问题，因此我们将基于Aspen软件，结合化工热力学课程教学，演示完成化工热力学性质计算过程，包括典型的流体性质，如p-V-T性质、焓、熵、热容、逸度、相平衡、稳定流动及循环过程的模拟计算等，能较全面地辅助化工热力学为教学过程，是展示化学热力学在相关过程中的应用，提升教学效果的一种尝试。

本文用PR方程完成流体p-V-T性质计算。

二、流体p-V-T性质计算的原理

状态方程是物质p-V-T关系的解析式。以经典的立方型状态方程PR方程[4]为例，该方程描述为

其中，ai与bi是混合物中纯组分I的模型参数，kij是二元相互作用参数[5]，其数值一般从混合物的实验数据拟合得到，也可以通过从混合物的第二virial系数的数据来决定。

计算由Aspen自带的数据库就能提供相关的临界参数等物性数据，以完成物性的推算。

三、流体的p-V-T性质计算

本文采用《化工热力学》[6]中的两个实例，对Aspen计算过程进行简要说明。

实例一选自《化工热力学》例题2-3，用PR方程计算异丁烷在380K的饱和气、液相摩尔体积。利用Aspen计算过程如下：

1.启动Aspen Plus User Interface，选择Run type为Property analysis。

2.在Components>Specifications>Selection下设定组分为异丁烷。

3.在Property>Specifications>Global>Base method下选择状态方程为PENG-ROB。

4.在Property>Prop-Sets下新建一个物性集“PS-1”，在Property>Prop-Sets>PS-1>Properties下设定物性参数V，在Property>Prop-Sets>PS-1>Qualifiers设定Phase为Liquid和Vapor。

5.在Property>Analysis下新建一个物性分析“PT-1”，Select Type选择GENERIC。

6.在Property>Analysis>PT-1>System下选择Point（s） without flash，输入异丁烷的摩尔流量为1kmol/hr。

7.在Property>Analysis>PT-1>Variable下输入温度为380K，在Adjusted variables下选择Variable为Pressure，随后点击Range/List，输入压力值为22.5bar。

8.在Property>Analysis>PT-1>Tabulate下选择第5步建立的物性集PS-1。

9.点击NEXT，计算完毕，在Results查看结果。

将实例一的计算结果与教材结果对比，整理后如下表所示：

由此可见，Aspen计算结果与实验值相差较小，在误差允许范围内。因此可认为计算结果可靠。

实例二选自《化工热力学》例2-4，用PR方程计算由R12（CCl2F2）和R22（CHClF2）等物质的量的混合气体在400K和1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa时的摩尔体积。并假定二元交互参数kij为0。

该例在Aspen中的操作上与实例一基本一致，具体过程如图1所示：

将实例二的计算结果与教材结果对比，整理后如下表所示：

由此可见，Aspen计算结果与教材值相差较小，在误差允许范围内。因此可认为计算结果可靠。

四、讨论

在用Aspen计算上述两个实例时，需要注意以下几点：

1.在进行计算前，应先了解温度、压力等基本单位。在Setup>Specifications>Global下，可以设定输入以及输出的单位，在本例中，选用了SI-CABR单位集，默认温度单位为℃，压力单位为bar。

2.在实例二的计算中，题目中已假定两物质的二元交互参数kij为0，因此在选好状态方程后，可以在Property>Parameters>Binary Interaction>PRKBV-1中，查看各组分的二元交互参数，在Aspen中，PR方程中的kij由三个参数进行描述，即，可以看到在Aspen中R12与R22的这三个参数的默认值均为0，符合计算要求。而在实际生产中，可通过利用实验数据得到回归值，在相关位置进行修改后，使得计算值更贴近实际值。

3.实际过程测定混合物性质需要花费大量人力、物力和时间，但用Aspen软件和化工热力学原理，推算混合物的性质具有准确、高效的特点。

五、结论

利用Aspen软件进行流体p-V-T性质计算，操作步骤简单易行，计算结果比较准确。可以使学生对求体积根、混合法则的应用等方面有更深的理解，有利于教学过程。同时，进一步掌握了Aspen软件的内核，还可以实现利用Aspen完成物性数据的计算，将化工过程的基础计算、流程模拟统一起来，利用一个专业软件解决多个课程的问题，增加将来在工作中应用物性推算解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]Sandler S I. Using Aspen Plus in Thermodynamics Instruction：A Step-by-Step Guide [M].New Jersey：John Wiley & Sons，Inc，2015.

[2]陈新志，赵倩，钱超.基于Aspen-Plus的化工热力学教学（Ⅰ）均相性质计算[J].化工高等教育，2011，（05）：75-79.

[3]陈新志，赵倩，钱超.基于Aspen-Plus的化工热力学教学（Ⅱ）纯物质饱和性质计算[J].化工高等教育，2011，28（06）：58-60.

[4]Peng D Y，Robinson D B. A New Two-Constant Equation of State[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals，1976，15（1）：59-64.

第6篇：工程热力学意义范文

【关键词】准静态过程可逆过程

【中图分类号】O414.1【文献标识码】A【文章编号】1006-9682(2009)12-0069-02

准静态过程和可逆过程是热力学中的两个很重要的概念。目前国内很多教材对这两个概念并不加以明显的区分,很多文献直接冠以准静态过程的功、热量的说法。对这两个热力学过程,笔者有一些自己的看法,在这里和同行们进行共同的探讨。

一、准静态过程的定义

就热力系本身而言,热力学仅对平衡状态进行描述,“平衡”就意味着宏观是静止的;而要实现能量的转换,热力系又必须通过状态的变化即过程来完成,“过程”就意味着变化,意味着平衡被破坏。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢?这就需要引入准平衡过程。[1]

《中国大百科全书》(物理卷)中这样定义准静态过程:[2]准静态过程是“热力学系统在变化时经历的一种理想过程,准静态过程的每一个中间状态都处于平衡态”。或者可以更明确的定义:热力学系统状态发生变化时,经历的每一中间状态都无穷接近于平衡态的热力过程称为准静态过程。

尽管实际的热力过程都是在有限的温差和压差下进行的,都是不平衡过程。但如果和弛豫时间相比,热力过程进行的足够缓慢的话,那么系统在实际过程中所经历的状态都十分接近于平衡态,以至我们可用无穷多个势差为无穷小,前后相继的平衡态来描述系统实际经过的热力过程。显然,这是一种理想化了的过程,但是这种与实际偏离、被理想化了的方法,为经典热力学描述系统经历的实际变化过程提供了可能,使得状态变化能够在热力性质图上用热力过程曲线来描述。因此,准静态过程是经典热力中一类极为重要的过程。[3]

二、可逆过程的定义

可逆过程是热力学中从另一个角度定义的一类理想过程。《中国大百科全书》(物理卷)对其这样定义:“一个系统由某个状态出发经过某一过程达到另一状态,如果存在另一过程,能使系统回到原来的状态,同时消除了原来的过程对外界所引起的一切影响,则原来的过程就称为可逆过程”。

上述定义实际上包含了两方面的意义。因为定义中的初态和终态是任意的,所以定义的第一个意义是系统经历一个可逆过程后,可以严格地按照原来的途径返回到最初的状态,因此可逆过程必然是准静态过程。该定义的另外一个意义是,可逆过程中不存在任何的耗散损失,因此,在按其反过程返回初态后,没有给外界留下任何的痕迹。

引入可逆过程这个概念后,系统与外界功量和热量的交换能用系统的参数来计算,而无需考虑不知道情况的外界参数,从而使问题简化,而只需要把注意力放在系统,即系统内工质的状态及状态的变化描述上,这正是可逆过程的突出优点;可逆过程进行的结果不会产生任何能量损失,因而可逆过程可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准和极限;实际过程或多或少地存在着各种不可逆因素,所以实际过程都是不可逆的,为简便起见常把实际过程当作可逆过程进行分析计算,然后再用一些经验系数加以修正,这是可逆过程引入的实际意义所在。

三、准静态过程和可逆过程联系和区别

准静态过程和可逆过程既有区别又有联系,这要从两者的实现条件谈起。我们说,准静态过程中,物系要随时具有力、热和化学的平衡,即处于完全平衡中,这样才能保证准静态过程的实现。而可逆过程的实现则要求过程没有任何不可逆损失。不可逆损失可分为非平衡损失和耗散损失两大类,非平衡损失是由物系的非平衡态所引起的,其中包括力、热的和化学的不平衡损失。从这里可以看出,准静态过程没有不平衡损失。而耗散损失是因为机械摩擦阻力、流体粘性阻力以及电阻、磁阻等的作用产生的不可逆损失。对于不涉及电磁等其它现象的热功转换而言,最重要的不可逆损失是物系做宏观运动时产生的粘性摩擦生热。就热力学而言,耗散损失是一种和物质性质有关的不可逆损失。有无非平衡损失取决于系统的状态是否平衡,而有无耗散损失,损失的大小则视物性而定。

综上所述,如既无非平衡损失又无耗散损失,过程就是可逆的。准静态过程没有非平衡损失,因此是实现可逆过程的前提条件,但准静态过程并不一定就是可逆过程。比如化学纯气体在喷管内做绝热稳定流动时,垂直于流动方向的各截面上气体的压力和温度均匀一致,过程中气体状态随时处于平衡,此时流动是准静态过程,不会有非平衡损失出现。但同一截面上气体的流速并不相等,流束中心的流速大于临近管壁处的流速,因而会有流体的宏观相对运动。由于流体的粘性作用,将使气体的宏观动能一部分转化为热能而产生粘性摩擦生热的损失。这时这个流动过程是准静态过程,而不是可逆过程。反过来说,可逆过程则一定是准静态过程。

准静态过程和可逆过程的区别还在于,准静态过程的引入只是为了对系统的热力过程进行描述,并没有涉及到系统与外界功量和热量的交换。也就是说,尽管所有准静态过程都可以在热力图上表示出来,但准静态过程在p-v上过程曲线下的面积∫pdv并不代表功,把它称之为准静态过程的功是没有意义的。[4]那么,可以从理想气体的两种绝热膨胀过程进行分析。一是理想气体经过绝热的准静态的膨胀,但存在耗散损失;另外一种是理想气体经过绝热可逆膨胀。在这两个过程中,理想气体初态相同,在前一个过程中因为存在耗散,因此将有部分的机械能转化为理想气体的内能,因此其终态温度要高于第二种情况,表现在图上则如图1所示,2′点的温度要高于2点的温度。如果准静态过程曲线下面的面积代表功的话,在这样的情况下,准静态过程的功要大于可逆过程的功(图1中12′3′′31的面积大于123′31的面积),我们说,这是不符合热力学的规律的,因此,准静态过程曲线下面的面积∫pdv并不恒代表功,只有可逆过程曲线下面的面积∫pdv才代表功。这是因为准静态概念的提出侧重于描述过程,并没有涉及功热转换,而可逆过程用于分析外部条件对能量转换的影响。

图1准静态过程和可逆过程绝热过程线

四、结束语

准静态过程和可逆过程是经典热力中两个重要的概念,搞清楚两者之间的真正关系,不仅有助于对热力中两个基本概念的准确理解,澄清涉及这两个概念的一些不正确的习惯观点,而且能明确揭示不平衡自发趋于平衡现象与熵增现象之间的必然联系,对我们用热力学理论解决实际问题有很大的帮助。

参考文献

1 苏长荪.高等工程热力学[M].高等教育出版社,1996:32

2 杨本洛.经典热力学中若干基本概念的探讨[M].科学出版社,1996:104～105

第7篇：工程热力学意义范文

关键词：实物模型；科学史；综合能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）06-0223-02

作为建筑环境与能源应用及相关专业的一门重要的专业基础课，《工程热力学》的任务是使学生了解热能与机械能在相互转换过程中的特点和规律，掌握不同工质和不同过程的分析方法，为后续的《暖通空调》、《制冷技术》和《建筑环境》等专业课程在基础理论、基本知识和基本技能方面打下坚实基础。《工程热力学》这门课程的重要性是不言而喻的，但是鉴于传统教学方法的一些弊端，比如以板书或多媒体授课为主，将课程内容以定论的形式展现给学生，使得学生学习兴趣不高；课后作业和期末考试以理论考察为主，注重理论分析和解题技巧，却忽视了动手能力和综合能力的培养，最终未能达到良好的教学效果。每个学期都有不少同学未能通过考试，即便是那些通过考试的部分同学，在后续课程学习中也发觉自己并未达到应有的专业基础知识和技能的要求。为了克服上述问题，进一步提高《工程热力学》的教学效果，本文提出如下三点教改举措。

一、课堂教学“动起来”，实物模型进课堂

目前数字投影仪应用很普及，课堂播放多媒体课件（PPT）已成为一些课程的主要教学手段。虽然在PPT上可以播放一些非常形象的图片和频，但由于它们终究不是实物，总有一层隔膜存在于学生的认知过程中。再加上现在智能手机的普及，网络视频的泛滥，学生已经对二维的电子视觉信息产生了审美疲劳，使得PPT上面的内容已经无法给学生带来新鲜感，进而激不起学习兴趣。甚至有些学生对于教师一味地在课堂上播放PPT产生了反感，他们觉得既然是这样，那么课堂学习和自己看网络视频教学又有什么差别呢？始终找不到那种工程科学的“硬感觉”。

这个时候，如果能把一些精巧的实物模型带到课堂来，反倒会给学生耳目一新的感觉。在讲解热能与机械能相互转换的时候，笔者就把一个小巧的斯特林热机模型带到课堂来。先往燃料瓶里倒上酒精，然后点燃，将斯特林的热缸加热。刚开始的时候，热机没有转动，拨动飞轮，热机转了几下，又停了。但仅过了片刻，再次拨动飞轮，热机就持续地动了起来，直到燃料燃尽，热机才停了下来。这一演示过程，让学生惊讶极了，也极大地激起了他们的好奇心和求知欲。对于他们中的大多数来说，这样的热机模型都是第一次见到。有了这一实物模型作为学生的认知辅助工具，他们瞬间就建立了热能（酒精燃烧）和机械能（飞轮转动）的直观概念。这种效果远比在课本上或PPT上观看传统热机图片要好的多。

当然，在展示实物模型时，也要给予学生必要的启发与辅导，不是简单地让学生“看热闹”，而是要带着问题去看，除了要了解模型的结构和功能，更要对模型背后的机理进行思考。比如演示斯特林热机的时候，就可以启发学生对如下几个问题进行思考：（1）可否不要热源做功？（2）为何需要两个热源，能否不要低温热源？（3）酒精释放的热能能否全部转换成飞轮的机械能？（4）如果不能的话？都消耗在哪里？哪些可以消除？哪些无法消除？（5）可以通过什么途径提高效率？（6）热机效率有没有极限。通过对这些问题进行讨论，可以得出一系列答案，也许这些答案不尽相同，也没有课本上的结论那么严密，但它们是学生自己通过观察和思考得到的结论，这样的教学效果要远远好于被动地接受和记忆。

二、教学科研“串起来”，本科生也可以做科研

与小学和中学不同，大学有着传授和开拓人类知识新领域的双重义务，培养人才和出研究成果是大学的双重职能。教学和科研的结合，也已被大多数人所理解。然而，现在也存在很多误解，那就是普遍认为对于本科教学来说，还是以知识传授为主，进行科学研究那是研究生或者是大学教师的事情。本科生的专业基础还未建立，怎么能够进行研究呢？即便是本科生可以搞一些小的发明创造，那也和专业基础课关系不大，意义不大。

然而实践证明，鼓励和引导正在学习《工程热力学》的大二本科生积极参与科学研究，有助于本科生自学能力、创新能力和组织能力的大大提升。而且，与其他课程不同，《工程热力学》课程内容本身就有着极强的工程应用背景，这样也就更方便学生依托本课程专业知识进行选题和研究。近几年来，笔者先后指导了十几个本科生科研小组，开展了诸如：斯特林热机模型、半导体制冷小冰箱、太阳能树、温湿度智能监测与控制等方面的研究。总结来看，参与科研项目的本科生们在科研能力提升的同时，对理论知识学习的兴趣和渴求更加强烈了，因为他们真切感受到了专业基础知识的重要性，不再觉得课本知识是无用的一堆公式和符号了，这样一来，他们比那些未参加科研项目的同学的课程成绩普遍要高一些。

此外，大学生参加科研项目，也有利于培养坚强的意志和遇事想办法的良好态度，这一点对于当代的大学生来说尤为重要。随着国民经济的快速发展，这一代大学生的生活条件和学习条件一直都是处于很优越的状态，或者说他们在物质上早已不再匮乏，欠缺的倒是吃苦精神和应对挫折的能力。本科生参加科研活动，能够体验到科研成果来之不易，从中磨炼了意志，学会了如何应对挫折。这些都将是学生在今后的学习和工作中，乃至人生发展过程中所需要具备的品质，也是单纯的课堂教学无法给予的。

三、教材与科普书籍“衔起来”，科学史促进课堂教学

智能手机的普及，网络游戏的风靡，使得大部分学生在网上花费的时间越来越多，仅剩的一点时间，又要做作业，又要参加社团活动，最后导致的结果就是无暇读书，也不爱读书。书读得少，对专业课程的直接影响就是，要么学习兴趣不大，只要能够及格通过就万事大吉；要么只为了追求高分数以方便出国和考研，终究不会对知识本身产生一种敬畏和热爱。

那么如何引导学生进行阅读，同时又促进课堂教学呢？一个比较切实可行的方法就是引导他们去读一些科普的书籍，比如热力学史，热力学科学家和发明家的传记，等等。于禄等所著的《边缘奇迹：相变和临界现象》、冯端等所著的《溯源探幽：熵的世界》、武际可所著《力学史》、阎康年所著《热力学史》，以及卡罗・切尔齐纳尼所著的《玻尔兹曼：笃信原子的人》，都是集知识与历史于一体，艺术性、思想性及科学精神并重的优秀科普著作，也是笔者要求学生进行课外阅读并递交读书报告的作品。通过温习科学史的方法来学习热力学，学生发现自己的学习过程不再枯燥无味，而是变得有趣极了。学习兴趣提高了，教学效果自然上来了。

此外，但凡学习过或了解热力学的人，无不为其中的一些基本概念所困扰。其中“熵”就是一个极其重要的物理量，但又以其难懂而闻名于世。如果学生能够了解“熵”这一概念的产生历史，就不会对其轻易放弃了。克劳修斯于1865年首先引入了“熵”这一概念，用来定量地阐明热力学第二定律。他从明确地表述第二定律到正式引入“熵”的概念，足足经历了15个春秋。克劳修斯本人也说过：“在头脑中掌握第二定律要比第一定律困难得多。”一个基本概念，需要花费一个科学家15年的时光才得以完整建立，从这个角度来讲，如果学生能有前辈科学家努力程度的百分之一，那么学习和理解基本概念肯定是不存在什么困难的，这也是提倡阅读科学史的意义所在。

总而言之，“教学有法”，但“法无定法”。也许最好的方法就是那些最能契合课程特点，最能激起学习兴趣，最能触动学生心坎，最能兼顾到学生当前学习和长远发展的方法。找到这样的方法，需要探索，需要反思，更需要在教学实践中不断改善和提高，是我们教师和学生共同努力的方向。

参考文献：

[1]孙绍蓉.高等教育方法概论[M].上海：华东师范大学出版社，2002.

第8篇：工程热力学意义范文

【关键词】原油储运库；储油罐；能流模型；热力学分析

能流结构模型的基本理论源于过程系统工程，它是对过程系统能量结构的宏观概括。能量通过“守恒、降质”的方式推动过程系统的进行，在不同的系统中能量被利用的形式和方式、步骤及演变过程具有共同之处。正确描述过程系统的能流结构模型，可以揭示能量在过程系统中的演变规律，是对过程系统进行深入分析的基础。

一、原油储运库的系统结构模型

系统结构图是系统结构模型的一种，通过图形的形式来表达单元设备之间的逻辑关系，从而使复杂系统中各个单元之间的关系以清晰、易于理解的方式表达出来。系统结构图是由节点及有向边组成的抽象形式的图，它包含两个最基本的内容：对象及其关系。节点表示对象，代表过程系统的单元设备；有向边为两个节点之间的连线，代表单元之间的流股（物流、能流），系统结构图也称为有向图。以大庆油田某油库为例，忽略阀门、流量计等设备部件，

图中的实线代表原油的流向，虚线代表热水的流向。对于热水伴热模块（BR）指仅为原油提供热量，并不表示物流的掺混。该油库油罐为双管流程，虽然可以实现静止储存、收油、发油和边进边出四种不同的工况，但是在实际运行中只采用两组油罐轮流进行收、发油操作，即：当 1#油罐组（由 8 个 2×104m3油罐组成）处于收油状态时，2#油罐组（由 2 个 5×104m3油罐组成）一定处于发油状态。1#油罐组因单个体积较小、投产年限较长，在冬季需锅炉提供热水维温；2#油罐组因罐内原油温度较高，原来设置的热油喷洒流程已停用。1#输油管道为该油库的主力外输管道，长年运行；2#输油管道负责向小炼化厂供油，间歇运行。

二、原油储运库的能流模型及用能分析内容

首先，运用系统模拟的方法来获得原油储运库的运行参数，由于不同系统中能量的演变过程具有共同之处，且原油储运库中能流是客观存在的，因此将过程系统中的能流结构模型及求解方法移植于原油储运库的模拟分析是可行的。然后，将“三环节”能流结构模型和“三箱”模型理论结合起来，在运行参数的基础上对原油储运库进行用能分析，评价其用能的有效性和合理性。能流结构模型是能流在过程系统中演变规律的归纳总结，是对过程系统能量结构特征的总体概括。“三环节”能流结构模型是华贲教授在热力学第二定律基础上，从能量在过程系统中的作用及追踪其变化线索入手，提出的过程系统能量结构的总体特征。

“三箱”模型理论是根据系统、组成单元或设备在工艺过程中能耗状况的不同，分别采用灰箱、黑箱和白箱模型对其用能状况进行评价的用能分析法，它可以准确地判别系统或设备的用能薄弱环节，并据此提出改进建议。本文主要研究内容包括以下几个方面：

（1）能流模型的理论基础

能流结构模型的基本理论源于过程系统工程，存在简单方框模型、洋葱模型、“三环节”等诸多传统理论；对“三环节”能流结构模型进行了重点介绍；并给出过程系结语统模拟的基本步骤及重要方法―序贯模块法。

（2）原油储运库的能流模型

借鉴“三环节” 能流结构模型中总结的过程系统能量结构的共性规律，归纳原油储运系统的用能特点，对原油储运库进行用能单元划分；根据实际过程中介质的传递方向及单元模块之间的衔接关系，建立实际过程系统简化的模型网络，并从热、功角度逐过程给出系统的计算模型。

（3）能量系统的热力学评价与分析

将“三环节”能流结构模型和“三箱”模型理论结合起来，对原油储运库按能量传输、转换、利用环节分别建立设备及系统的用能分析模型及其评价准则、分析准则。

（4）能流模型的求解

利用过程系统工程理论的序贯模块法、回路断裂与收敛策略，借助 Visual Basic编制可视化程序；模拟原油储运库的实际生产流程，获得各节点的运行参数；并对原油储罐内油品温度的影响因素进行分析。

（5）原油储运库的用能分析

按照已建立的能耗评价准则及分析准则，对原油储运库的用能状况进行分析，按照能量的演变和利用过程来分析和评价过程系统用能的合理性，并提出切实的用能改进措施，绘制系统能流图。

热力学第一定律阐述了各种形态能在数量上的守恒关系，热力学第二定律揭示了自然界中普遍存在的不可逆过程的实质，即能质蜕变。在热力学一、二定律，即能“守恒、降质”的理论基础上形成了三种能量系统的热力学分析方法：焓分析、熵分析及分析。

能量系统的热力学分析，简单地说，就是应用能的传递和转换理论（热力学一、二定律）来分析用能过程的合理性和有效性。用能的合理性指的是用能方式是否符合科学原理；用能的有效性则是指用能的效果，即能被有效利用的程度。为了对实际用能设备和系统进行能分析，需要有一套制定分析模型、建立能平衡方程以及确定用能评价准则的方法，这就是能分析方法。

结语：

原油储运库是由多个用能设备按照一定拓扑关系衔接组成的生产系统，对原油、能量、信息进行输送、转换和存储，它不但是一个庞大的物流系统，还是一个巨型的能量系统。将过程系统工程成熟的建模、分解和模拟理论应用于原油储运库的用能分析是可行的。原油储运库的用能过程可划分为能量转换、能量传输和能量利用三种。能量转换过程的用能设备为外输泵和加热炉，能量传输过程的用能设备为输油管道，能量利用过程的用能设备为储油罐。

参考文献：

[1]胡晓彬.中国能源效率的影响因素研究[D].上海：上海交通大学，2012，1～3.

[2]李北陵.欧盟战略石油储备模式管窥[J].中国石化，2011，（9）：48～50.

第9篇：工程热力学意义范文

关键词：物理化学 教材编写 理想气体 多方过程 星球气团 创新思维

高等教材编写的方向应该要更多地与实际应用相结合。在编写物理化学教材的过程中深感与实际联系的迫切，写出一些更新教材与化学工作者分享，在这里也希望化学界的专家学者多提宝贵意见和建议，积极加入到我们的行列中来。

在讲到热力学第一定律的应用时，理想气体的多方过程是一个难点，目前的物理化学教材对这一专题都没有作进一步的深入和展开，这样极大地限制了读者的想象空间，也不利于培养创新意识。教材编写应始终把挖掘创新能力放在首位，对教材中的一些重点和难点进行适度的深入和展开，为拓展初学者的思维空间铺平道路。[2]

在热力学第一定律一章中，现有物理化学教材都对理想气体的等值（等温等压等容以及绝热）过程进行了充分的讨论，但是气体发生的实际过程大都不是这几个等值过程，而是介于等值之间的复杂过程，热力学上称这种过程为多方过程.研究理想气体的多方过程具有重要的实用价值，能够用来解决热力工程上的许多实际问题，天空和星球上的气团运动也大都属于多方过程，这在气象学和天体物理学中具有重要意义。[3]

多方过程类似于理想气体的绝热过程，下面先来建立这一过程方程.低压下的气体一般都可以视为理想气体，并假定过程是可逆的，因而有

式中K、K、K为积分常数，称热容差比，又称多方指数（polytropic exponent），多方的含义是指方程中的某个物理量（T、P or V）具有多次方的形式.上述方程是多方过程的定义式，即只有满足上述方程的过程才为多方过程，推导上述方程时引入了理想气体、过程可逆以及多方指数为常数的限定条件，下面逐一分析这些条件的意义。

低压下的气体一般可视为理想气体，这一限定条件使得多方方程只适用于低压气体，大气中的气团运动满足理想气体的条件，内燃机气缸内的压力较高，与理想气体所得结果相差较大.过程可逆意味着过程进行得很慢是准静态的，如果一个实际过程进行得很快，严格说来不能视为多方过程.另外，如果气体的各种热容量都是常数，那么多方指数也一定是常数，这满足多方过程的定义.但是有些教材中以热容量为常数来定义多方过程却是不妥的，因为一般说来，理想气体的定压热容量Cp、定容热容量Cv以及多方热容量C都不是常数，但只是温度的函数.对于单原子分子理想气体而言，各种热容量基本上不随温度变化；而对于多原子分子理想气体而言，若温度变化范围不是很大，也可以近似地将热容量视为常数；而且即使热容量C随温度变化明显，有时也可以满足（C-Cv）或（C-Cp）或比值为常数，即多方指数λ基本上不随温度变化的条件，这时仍然可以推导出多方方程.可见，多方过程应是低压气体（也可以是其他非凝聚系统）在温度变化范围不是很大的情况下发生的比较缓慢的一切实际过程.

由多方方程可见，各种等值过程都可以看作是多方过程的几个特例，λ=0：等压过程，λ=1：等温过程，λ=γ：绝热（等热容）过程，：等容过程.最具有实用价值的多方过程是介于等温线和绝热线之间的过程，这时：1

1、星球气团

这是介于等温线与等压线之间的多方过程，多方指数：0

这种情形多属自然现象，天空或星球上的气团变化就属于此种情形.白天气团吸收热量，温度升高，向外膨胀；夜间向外界放出热量，温度降低，同时向内收缩.

2、制冷原理

多方指数介于1和绝热指数之间：1

这是工程上经常遇到的情形.其正过程是为了获得高温高压气体，当快速加压气体时，由于过程进行得很快，气体的温度和压力都会进一步升高，同时由于气体的温度高于环境的温度，还不可避免地伴随着向环境放出少量热量.其逆过程是制冷机的工作原理，这是通过膨胀致冷获得超低温气体的有效方法。为了获得超低温气体，可以先将高压气体冷却，然后再令其膨胀，随着压力的降低，气体的温度将会进一步降低，从而获得超低温气体，在这一过程中，系统不可避免地要从环境吸收部分热量，为了减少吸热，可令其快速膨胀。

3、热机原理

这是介于等容线与绝热线之间的多方过程，多方指数：，热容量：0

这和上面的第二种情形类似，只是压缩升温时，气体的温度低于环境的温度，因而伴随着从环境吸取一部分热量，这是热机压缩升温的原理。逆过程是当气体的温度高于环境的温度时，降温膨胀对外作功的同时向环境释放出余热，这是热机膨胀作功的原理。热机处于绝热线与等容线之间工作时，由于气体的热容量较小，通常能够获得较高的输出功，四冲程汽油机和回热式制冷机都是采用了这一原理。[4]

IV爆炸气体

介于等压线与等容线之间的多方过程，多方指数：，热容量：Cv

参考文献

[1]朱元举.评精品《物理化学》教材中存在的问题（一）——热力学第一定律的统计解释[J]，2010，37（8）：185..（广东化工2010年第8期，第37卷总第208期）.

[2]朱元举主编.物理化学，待出版.