课程类别：学科基础教育课程 课程名称：工程热力学
开课单位：机械工程学院 课程编号：B02020501
总学时：32 学 分：2
适用专业：过程装备与控制工程
先修课程：高等数学、大学物理、大学化学、理论力学
一、课程在教学计划中地位、作用
《工程热力学》是过程装备与控制工程专业的一门核心的学科基础教育课程，也是工科学生学习和掌握节能技术、热力学原理及其分析方法的入门课程。
本课程的任务是通过双语式教学，使学生在具有国际视野的同时能够利用热力学基本定律，熟悉常见工质基本性质和实际热工设备的基本原理，在此基础上能对工程实际问题进行抽象、简化和以能量方程、熵方程为基础的分析方法。
在完成本课程的学习后，学生能够初步建立涉及能量分析和能源利用的力学基础体系，为进一步开发和应用过程设备与装备设计和过程流体机械选型奠定基础。
二、课程目标
通过双语化的课程理论学习，学生具备：
1. 通过热力学学科进展历史，培养和发展具有国际视野的审辩性思维(Critical Thinking)的能力，该项能力是美国高校大学生的必备能力。
2. 能运用热力学的基本理论，对热力学的主要观点和说法进行判断，并能归纳和列举出常见的热力学术语的内涵内容的能力。
3. 能分别应用热力学第一定律或第二定律，或综合运用两大定律，对有关理想气体和水蒸气的热力过程和主要的热工设备(如压气机或节流阀)进行能源的量和质的分析，以及所提出新过程或新循环的能源可行性分析的能力。
三、课程内容、基本要求
第一章 基本概念(Chapter 1: Basic concepts on Thermodynamics)
本章教学要求：通过对比分析，使学生能描述热力学系统、热力系统性质、与边界有关的作用；与外界有关的四种模型。通过热力学不同系统状态之间的联系途径，引出热力学的抽象概念：热力过程的主要类型；热力循环及其经济性指标。
1. 热力学系统(thermodynamic system)、外界(external)和边界(boundary)；热力系统的三个性质：平衡(equilibrium)、稳定(steady)和均匀(uniform) ；与边界有关的三种主要作用：传功(work transfer)、传热(heat transfer)和传质(mass transfer)；与热力学外界有关的四种重要模型：功库(work reservoir)、热库(heat reservoir)、质量库(mass reservoir)和环境(environment)
2. 热力过程((thermodynamic process)：准静态或准平)过程(quasi-static process)、可逆过程(reversible process)与不可逆过程。
3. 热力循环(thermodynamic cycle) 及其经济性指标：热效率(thermal efficiency)、制冷因数(cooling COP)和供热因数(heating COP)。
本章重点：平衡、稳定与均匀的联系与区别；可逆过程与不可逆过程的本质区别。
本章难点：准静态(准平衡)过程。
第二章 热力学第一定律(Chapter 2: The 1st Law of Thermodynamics)
本章教学要求：能够应用能量守恒定理，建立封闭系统和稳定流动系统的能量方程，同时利用能量方程对常见化工生产过程或设备进行分析。
1. 热力学第一定律(1st Law of Thermodynamics)的正确表述。
2. 能量的不同存在形式：存储能(storage energy)和作用量(transfer energy)，其中存储能包括热力学能(thermodynamic energy)。
3. 作用量的能流表达式，其中包括流动功(flow work)和焓(enthalpy)。
4. 对换热器(heat exchanger)、压气机(gas compressor)、轮机(gas turbine)等进行能量分析。
本章重点：功量与热量计算公式；闭系和稳流过程的能量方程应用。
本章难点：焓与热力学能的联系与区别，Clausius能量表达式与普遍表达式的联系与区别。
第三章 热力学第二定律(Chapter 3: The 2nd Law of Thermodynamics)
本章教学要求：通过分析孤立系统熵增原理，导出卡诺定理、克劳修斯不等式、熵变表达式，并运用熵变方程常见化工生产过程或设备进行能质分析；综合运用第一定律和第二定律，对能源利用的新想法或新设备进行热力学角度的可行性分析。
1. 热力学第二定律(2nd Law of Thermodynamics)的正确表述，其实质是能质下降(Degradation of Energy Quality)。
2. 孤立系统熵增原理(Increase of Entropy Principle)，以及熵变与社会其他领域的关系。
3. 运用孤立系统熵增原理，导出卡诺循环(Cannot Cycle)下热效率表达式，并归纳对应的卡诺定理(Cannot Principle)和克劳修斯不等式(Clausius Inequality)。
4. 不同作用量(传功、传热、传质)的熵流表达式和特殊形式的熵产(entropy generation)计算式。
5. 基于熵变方程，对换热器、压气机、轮机等进行能质分析。
6. 综合运用第一定律和第二定律，对能源利用的新想法或新设备进行热力学角度的可行性分析，为学生创新创业提供理论支撑。
本章重点：Carnot循环与Carnot定理有关结果的应用；过程或装置可行性分析。
本章难点：熵流与熵产的联系与区别；熵增原理及其应用。
第四章 典型工质的热力性质(Chapter 4: Thermodynamic properties)
本章教学要求：通过对理想气体模型状态方程，导出其比热容、比焓、比热力学能、比熵的计算表达式；针对非理想气体的水蒸气，在分析相图的基础上，引导学生运用热力性质图表查询对应的热力性质参数；进一步导出稀溶液的两个定律和4个依数性。
1. 一般工质的热容(heat capacity)以及比定压热容(specific heat capacity at constant pressure)和比定容热容(specific heat capacity at constant volume)。
2. 理想气体(ideal gas)的比热容与温度的函数关系。
3. 基于状态方程(Equation Of State)，导出理想气体比热力学能(specific thermodynamic energy)、比焓(specific enthalpy)和比熵(specific entropy)与温度、压力、容积的函数关系。
4. 水蒸气(water vapor)的二维和三维相图(phase diagram)特点，以及利用热力性质表查询水蒸气状态参数确定对应状态。
5. 稀溶剂：溶剂的拉乌尔定律(Raoult's Law)、溶质的亨利定律(Henry's Law)，依数性(colligative properties)：蒸气压降低、沸点上升、凝固点下降、存在渗透压。
本章重点：计算法确定理想气体热力性质；查表法确定水蒸气热力性质。
本章难点：比定压热容、比定容热容与一般热容的联系与区别：状态量和过程量；理想气体的比热容只与温度有关特性；稀溶液的依数性。
第五章 典型工质的热力过程与装置 (Chapter 5: Thermodynamic process and equipment)
本章教学要求：能够综合运用理想气体热力性质参数公式，分析理想气体的典型热力过程；运用理想气体多变过程分析多级往复式压气机；能运用水蒸气热力性质分析绝热节流过程。
1. 典型热力过程(等容isochoric、等压isobaric、等温isothermal、等熵isentropic及多变过程polytropic process)的功、热分析。多变过程可视为是其它4个过程的概括形式。
2. 基于多变过程分对往复式压气机(reciprocating compressor)进行功量和热量分析；基于绝热过程对叶轮式压气机进行功量和热量分析。
3. 基于水蒸气热力性质分析绝热节流过程(adiabatic throttling process)和节流阀进行热力分析。
本章重点：理想气体热力过程分析方法，尤其是等熵过程和多变过程；查表法确定水蒸气热力性质；运用热力过程分析过程线在坐标图的位置关系和大小关系；运用多变过程分析多级往复式压气机。
本章难点：理想气体不同类型绝热过程的分析。
四、学时分配
五、课程目标达成评价的途径和措施
1. 考核目标
在考核学生对热力系统、热力性质参数和热力过程的基本知识和基本原理的基础上，重点考核学生对典型过程和装置热力学定量分析能力，能理论联系实际、判断和计算过程或装置的功、热转换关系；
2. 考核方式
出勤情况、作业情况、PPT分组报告、期末考试；
3. 考核方式及对课程目标达成、评价比例见表5.1和表5.2所示。
4. 计分办法：百分制分数，满分为100分。
六、主要参考书
1. Yunus A, Çengel, Michael A. 何雅玲改编. Thermodynamics: An Engineering Approach (6th edition)[M]. 北京: 电子工业出版社，2009
2. 赵蕾. 工程热力学(双语版) [M]. 北京: 中国建筑工业出版社，2012
3. 毕明树. 工程热力学(第二版) [M]. 北京: 化学工业出版社，2008
4. 陈贵堂，王永珍. 工程热力学(第二版) [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2008
5. R. K. Rajput. Engineering Thermodynamics: A Computer Approach (SI Units Version) (3rd edition) [M].. Jones & Bartlett Publishers, 2010
6. Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey. Fundamentals of Engineering Thermodynamics (7th edition) [M]. Wiley Publishers, 2010
