《工程热力学》课程教学大纲

《工程热力学》课程教学大纲

一、课程基本信息

二、课程目标

（一）总体目标：

《工程热力学》是能源与动力工程专业的一门专业必修课程。课程旨在使学生掌握热力学的基本概念、基本原理和基本计算。培养学生进行热力学分析和计算的能力，包括对热力学系统的热平衡、功和热的计算，熵变和熵生成的分析，以及对热力学过程和热力学循环的性能评估等。工程热力学广泛应用于各种科学技术和工程技术领域，其应用与发展关系到国家节能降耗、经济社会可持续发展目标的实现。在课程教学中首先应使学生建立“节能优先”的基本观点，提高社会责任感和使命感，同时注意培养学生的工程素养、创新意识，增强团队合作能力和沟通表达能力。

（二）课程目标：

本课程旨在使学生学习并掌握能量转换规律及能量有效利用的基本理论；使学生牢固地掌握热力学定律及其应用方面的基本知识，通过授课及习题练习等方面的训练，使学生具备解决热能工程方面的理论知识和最基本的技能，它不仅为学习专业课提供准备，而且也为以后解决生产实际问题和参加科学研究打下必要的理论基础。并通过实验学习热工参数的测量方法，加强对热力学参数的感性认识，使学生得到处理实验数据、分析实验结果和书写实验报告等能力的训练。

课程目标1：通过系统学习，熟练掌握热力学基础理论与基础知识。

 1．1 掌握热力学规律、各类循环机理及影响因素；

 1．2 掌握做功和效率计算的基本公式，可进行各种循环热工计算；

 1．3 掌握增强做功或提高效率的方法。

课程目标2：了解工程热力学在工程技术领域的广泛应用及其对环境和社会可持续发展的影响，增强社会责任感。

 2．1 通过了解工程热力学在耗能行业的广泛应用，且与尖端科技发展密切相关，使学生建立“节能优先”的基本观点，增强社会责任感和使命感；

 2．2 通过对减缓“温室效应”问题的讨论，使学生了解工程热力学应用对环境和社会可持续发展的影响，增强生态文明意识；

课程目标3：应用工程热力学知识，对热能有效利用、热力设备效率的提高、节能降耗技术等问题从工程热力学角度进行思考、分析问题，并提出自己的见解，在不同专业领域、不同学科上有所创新和发展。

 3．1 通过讨论“温度计测温的基本原理是什么？”、“气体流入真空容器，是否需要推动功？”、“取正在使用的家用电热水器（但不包括电加热器）为控制体，这是什么系统？”等实际工程问题，培养学生应用工程热力学知识分析、解决实际问题的能力和创新意识；

 3．2 通过课程小论文“国内外动力循环效率提升的最新研究进展”，使学生了解学科研究现状与未来的发展趋势。

课程目标4：利用雨课堂等线上学习平台将课前、课上、课后三个环节有机结合，提升学习效果。合理设置教学环节，培养学生的自主学习意识、团队合作能力、口头和书面表达能力。

 4．1 在雨课堂平台上发布课前预习资料和课后习题，提升学生的自主学习能力；

 4．2 通过课外文献调研并撰写课程报告，提升文献查阅能力和书面表达能力；

 4．3 通过课堂分组讨论等方式培养团队合作意识、沟通交流能力和对工程问题进行清清晰表达的能力。

（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系

表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表

三、教学内容

第一章 基本概念及定义

1. 教学目标

（1）了解工程热力学课程学习的目的、内容和方法；微观方法和宏观方法的区别；

（2）介绍常见动力装置中热能和机械能相互转换的过程，分析其共性；

（3）介绍热力系的概念和分类；

（4）了解平衡状态和稳定状态、可逆循环和不可逆循环、正向循环和逆向循环的区别。

2.教学重难点

重点/难点：平衡状态和稳定状态、可逆循环和不可逆循环、正向循环和逆向循环的区别。

3.教学内容

1.1 热能和机械能相互转换的过程

1.2 热力系统

1.3 工质的热力状态及其基本状态参数

1.4 平衡状态、状态方程式、坐标图

1.5 工质的状态变化过程

1.6 过程功和热量

1.7 热力循环

4. 教学方法

1. 自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

2. 讲授法：相关概念和物理原理；

3. 案例法：通过大量的工程案例介绍工程热力学的广泛应用；

4. 讨论法：课堂围绕“身边的热工现象”进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？

（2）开口系可以是绝热系吗？

（3）平衡状态与稳定状态有何联系与区别？

（4）经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来的状态？包括系统和外界的整个系统能否恢复原来状态？

完成计算题：1-12、1-13、1-16、1-21。

第二章 热力学第一定律

1.教学目标

（1）了解热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用；

（2）热力学能、总能、推动功和流动功、焓的概念；

（3）掌握开口系统能量方程式。

2.教学重难点

（1）重点：热力学能、总能、推动功和流动功、焓的概念；

（2）难点：开口系统能量方程式。

3.教学内容

2.1 热力学第一定律的实质

2.2 热力学能和焓

2.3 热力学第一定律的基本能量方程式

2.4 开口系统能量方程式

2.5 能量方程式的应用

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和数学推导；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）热力学能就是热量吗？

（2）能否由基本能量方程式得出功、热量和热力学能是相同性质的参数的结论？

（3）为什么推动功出现在开口系能量方程中，而不出现在闭口系能量方程中？

（4）为什么稳定流动开口系内不同部位工质的比热力学能、比焓、比熵等都会改变，而整个系统的热力学能增量、焓增量、熵增量不变？

完成计算题：2-4、2-5、2-6。

第三章 气体和蒸汽的性质

1.教学目标

（1）掌握理想气体状态方程式；

（2）掌握理想气体热力学能、焓、熵、比热的计算方法；

（3）掌握水蒸气的饱和状态和相图；

（4）水的定压汽化过程及其在相图上的表示；水蒸气相图上的“一点、两线、三区、五态”。

2.教学重难点

（1）重点：理想气体热力学能、焓、熵、比热的计算方法。

（2）难点：水的定压汽化过程及其在相图上的表示。

3.教学内容

3.1 理想气体的概念

3.2 理想气体的比热

3.3 理想气体的热力学能、焓和熵

3.4 水蒸气的饱和状态和相图

3.5 水的汽化过程和临界点

3.6 水和水蒸气的状态参数及热力性质图表

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）怎样正确看待“理想气体”这个概念？在进行实际计算时如何决定是否可采用理想气体的一些公式？

（2）如果某种工质的状态方程式为 ，这种工质的比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？

（3）理想气体熵变计算式是由可逆过程导出的，这些计算式是否可用于不可逆过程初、终态的熵变？为什么？、

（4）有人根据水在定压汽化过程中温度和压力维持不变，因此过程中热力学能保持不变，于是由 认为过程中热量等于膨胀功，即 。这一观点是否正确？为什么？

完成计算题：3-9、3-10、3-11、3-12、3-13、3-16。

第四章 气体和蒸汽的基本热力过程

1.教学目标

（1）掌握四个基本热力过程：定容、定温、定压和绝热过程；

（2）定容、定压、定温、绝热过程的过程方程式、在p-v及T-S图上的表示方法，过程初、终状态参数的关系以及过程功与热量的计算；

（3）掌握理想气体热力过程综合分析。

2.教学重难点

重点/难点：定容、定压、定温、绝热过程的过程方程式、在p-v及T-S图上的表示方法。

3.教学内容

4.1 理想气体的可逆多变过程

4.2 定容过程、定压过程和定温过程

4.3 绝热过程

4.4 理想气体热力过程综合分析

4.5 水蒸气的基本过程

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和数学推导。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）闭口系在定容过程中外界对系统施以搅拌功,问这时是否成立？

（2）理想气体定温过程的膨胀功等于技术功是否能推广到任意气体？

（3）试以可逆绝热过程为例，说明水蒸气的热力过程与理性气体热力过程的分析计算有什么异同？

（4）T-S图上如何表示绝热过程的技术功和膨胀功？

完成计算题：4-10、4-11、4-12。

第五章 热力学第二定律

1.教学目标

（1）掌握热力学第二定律的内容，包括文字表述和数学表达；

（2）掌握卡诺循环、逆向卡诺循环和多热源可逆循环的循环过程、特征、循环的经济性指标；

（3）掌握热力学第二定律数学表达式；

（4）掌握熵增原理的实质。

2.教学重难点

（1）重点：①卡诺循环、逆向卡诺循环和多热源可逆循环的循环过程；②熵增原理的实质。

（2）难点：热力学第二定律数学表达式。

3.教学内容

5.1 热力学第二定律概述

5.2 卡诺循环和多热源可逆循环分析

5.3 卡诺定理

5.4 熵、热力学第二定律的数学表达式

5.5 熵方程

5.6孤立系统熵增原理

5.7 火用

5.8能量贬值原理

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和数学推导；

（3）讨论法：课堂讨论“归纳热力过程中有哪几类不可逆因素？”

5.教学评价

回答以下问题：

1. 自发过程是不可逆过程，非自发过程必为可逆过程，这一说法是否正确？

2. 下列说法是否有错误，并说明理由：（1）循环净功越大，循环热效率越高；（2）不可逆循环热效率一定小于可逆循环热效率；（3）可逆循环热效率都相等。

（3）下列说法是否正确，并说明理由：（1）熵增大的过程必定为吸热过程；（2）熵减小的过程必为放热过程；（3）定熵过程必为可逆绝热过程；（4）熵增大的过程必为不可逆过程；（5）熵产大于零的过程必为不可逆过程。

完成计算题：5-5、5-6、5-7、5-9、5-11、5-12。

第六章 实际气体的性质

1.教学目标

（1）了解理想气体状态方程用于实际气体的偏差；

（2）掌握实际气体的状态方程及热力性质表达式。

2.教学重难点

重点/难点：实际气体的状态方程。

3.教学内容

6.1 理想气体状态方程用于实际气体的偏差

6.2 范德瓦尔方程和R－K方程

4.教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导，对实验关联式的介绍；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）实际气体的性质与理性气体性质产生差异的原因是什么？在什么条件下才可以把实际气体作理想气体处理？

（2）范德瓦尔方程的精度不高，但是在实际气体状态方程的研究中范德瓦尔方程的地位却很高，为什么？

完成计算题：6-1、6-12。

第七章 气体与蒸汽的流动

1.教学目标

（1）掌握开口系稳定流动的特点和基本方程组。

（2）掌握马赫数的定义；

（3）掌握喷管设计计算和校核计算（以渐缩喷管为例）的主要步骤；

（4）了解绝热节流。

2.教学重难点

重点/难点：喷管设计计算和校核计算。

3.教学内容

7.1 稳定流动的基本方程式

7.2 促使流速改变的条件

7.3 喷管的计算

7.4 有摩阻的绝热流动

7.5 绝热节流

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导，对实验关联式的介绍；

（3）讨论法：课堂围绕“在高空飞行可达到高超音速的飞机在海平面上是否能达到相同的高马赫数？”进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）对改变气流速度起主要作用的是通道的形状还是气流本身的状态变化？

（2）考虑摩擦损耗时，为什么修正喷管出口截面上速度后还要修正温度？

（3）考虑喷管内流动的摩擦损耗时，动能损失是不是就是流动不可逆损失？为什么？

（4）既然绝热节流前后焓值不变，为什么作功能力有损失？

完成计算题：7-1、7-2。

第八章 压气机的热力过程

1.教学目标

（1）掌握单级活塞式压气机的工作原理。

（2）掌握余隙容积对单级活塞式压气机工作过程和产气量的影响，容积效率与增压比和余隙容积比的关系；

（3）掌握多级压缩和级间冷却；

（4）掌握叶轮式压气机的工作原理。

2.教学重难点

（1）重点：单级活塞式压气机、叶轮式压气机的工作原理。

（2）难点：余隙容积对单级活塞式压气机工作过程和产气量的影响。

3.教学内容

8.1 单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量

8.2 余隙容积的影响

8.3 多级压缩和级间冷却

8.4 叶轮式压气机的工作原理

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导；

（3）讨论法：课堂围绕“为什么利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机气缸常以水冷却或气缸上有肋片”等问题进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，放热量须由输入的外功转换而来，而按绝热压缩时，不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？

（2）活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺？如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩？

（3）叶轮式压气机不可逆绝热压缩比可逆绝热压缩多耗功，请在T-s图上将多耗的功用面积表示出来。这是否是此不可逆过程的做功能力损失，为什么？

完成计算题：8-1、8-2、8-3。

第九章 气体动力循环

1.教学目标

（1）了解对实际循环进行抽象简化的原则和方法。

（2）掌握对活塞式内燃机实际循环进行抽象和概括的方法和步骤；

（3）掌握提高燃气轮机装置循环热效率的措施。

2.教学重难点

重点/难点：提高燃气轮机装置循环热效率的措施。

3.教学内容

9.1 分析动力循环的一般方法

9.2 活塞式内燃机实际循环的简化

9.3 活塞式内燃机的理想循环

9.4 燃气轮机装置的循环

9.5 提高燃气轮机装置循环热效率的措施

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导；

（3）讨论法：课堂围绕“燃气轮机装置循环中，压气机耗功占了燃气轮机输出功的很大部分（约60%），为什么广泛用于飞机、舰船等场合？”等问题进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）试以具有相同压缩比和循环放热量为条件，比较活塞式内燃机混合加热理想循环、定容加热理想循环和定压加热理想循环的热效率的大小。

（2）根据卡诺定理和卡诺循环，热源温度越高，循环热效率越大，燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合，使混合气体降低温度，再进入燃气轮机？

（3）活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？

（4）燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。

完成计算题：9-6、9-7、9-10、9-12。

第十章 蒸汽动力装置循环

1.教学目标

（1）了解简单蒸汽动力装置流程和朗肯循环过程；

（2）掌握蒸汽的初温、初压、背压对朗肯循环热效率的影响；

（3）掌握在朗肯循环基础上采用再热循环的目的，再热以后对乏汽干度和循环热效率的影响；

（4）了解热电合供循环装置流程和循环过程。

2.教学重难点

（1）重点：朗肯循环过程。

（2）难点：在朗肯循环基础上采用再热循环的目的，再热以后对乏汽干度和循环热效率的影响。

3.教学内容

10.1 简单蒸汽动力装置循环－朗肯循环

10.2 再热循环

10.3 回热循环

10.4 热电合供循环

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导；

5.教学评价

回答以下问题：

（1）各种实际循环的热效率无论是内燃机循环、燃气轮机装置循环，或是蒸汽循环肯定与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？

（2）蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后乏汽被排入冷凝器中，向冷却水放出大量的热量，如果将乏汽直接送入汽锅中使其再吸热变为新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量热量，从而减少对新汽的加热量，大大提高热效率吗？这样想法对不对？为什么？

（3）用蒸汽作循环工质，其放热过程为定温过程，而我们又常说定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么在大多数情况下蒸汽循环反较柴油机循环的热效率低？

（4）蒸汽动力装置中水泵进出口的压力差远大于燃气轮机压气机的压力差，为什么蒸汽动力循环中水泵消耗的功可以忽略？

完成计算题：10-7、10-8。

第十一章 制冷循环

1.教学目标

（1）了解制冷循环的热力学原理、制冷系数和供暖系数的定义；

（2）掌握压缩空气制冷循环装置流程和循环过程；

（3）掌握压缩蒸气制冷循环装置流程和循环过程；

（4）了解对制冷剂热力性质的主要要求。

2.教学重难点

（1）重点：制冷剂热力性质。

（2）难点：制冷循环的热力学原理。

3.教学内容

11.1 概述

11.2 压缩空气制冷循环

11.3 压缩蒸气致冷循环

11.4 制冷剂的性质

11.5 其它制冷循环

11.6 热泵循环

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）家用冰箱的使用说明书上指出，冰箱应放在通风处，并距墙壁适当距离，以及不要把冰箱温度设置过低，为什么？

（2）压缩蒸气制冷循环采用节流阀代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法？为什么？

（3）压缩空气制冷循环采用回热措施后是否提高其理论制冷系数？能否提高其实际制冷系统？为什么？

（4）按热力系第二定律，不可逆节流必然带来作功能力损失，为什么几乎所有的压缩蒸气制冷装置都采用节流阀？

完成计算题：11-1、11-2、11-3。

第十二章 湿空气

1.教学目标

（1）了解混合气体的热力学性质；

（2）掌握质量分数、摩尔分数和体积分数的定义和它们之间的关系；

（3）了解干空气、湿空气、未饱和空气、饱和空气的概念，什么是露点；

（4）了解理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵的计算公式。

2.教学重难点

（1）重点：借助焓-湿图对过程中的状态参数变化和与外界的能量交换予以分析。

（2）难点：质量分数、摩尔分数和体积分数的定义和它们之间的关系。

3.教学内容

12.1 理想气体混合物

12.2 理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵

12.3 湿空气

12.4 湿空气的状态参数

12.5 湿球温度和绝热饱和温度

12.6 湿空气的焓-湿图

4. 教学方法

（1）自主学习：利用雨课堂平台预习课程内容并完成课后作业；

（2）讲授法：相关定律和理论的数学推导；

（3）讨论法：课堂围绕“为何阴雨天即使温度较高晒衣服不易干，而温度较低的晴天却容易干？”等问题进行讨论。

5.教学评价

回答以下问题：

（1）为何冬季人在室外呼出的气是白色雾状？冬季室内有供暖装置时，为什么会感到空气干燥？用火炉取暖时，经常在火炉上放一壶水，目的何在？

（2）何谓湿空气的露点温度？解释降雾、结露、结霜现象，并说明它们发生的条件。

（3）何谓湿空气的含湿量？相对湿度越大含湿量越高，这样说对吗？

（4）有人说热水流经冷却塔后，温度可以降到低于冷却塔的进气温度（即环境大气温度）对不对？为什么？

完成计算题：12-1、12-2。

四、学时分配

表2：各章节的具体内容和学时分配表

五、教学进度

表3：教学进度表

六、教材及参考书目

[1] 刘桂玉，刘志刚，阴建民等．工程热力学．北京：高等教育出版社，1998.

[2] 曾丹苓，敖越，朱克雄等编．工程热力学．第二版．北京：高等教育出版社，1986.

[3] 严家騄编著，工程热力学。第二版。北京：高等教育出版社，1989.

[4] 朱明善，林兆庄，刘颍等，工程热力学．北京：清华大学出版社，1995.

[5]蔡祖恢，工程热力学，北京：高等教育出版社，1994.

 [6] 郑令仪，孙祖国，赵静霞．工程热力学．北京：兵器工业出版社，1993.

 [7] 吴沛宜，马元，变质量系统热力学及其应用．北京：高等教育出版社，1983.

 [8] 严家騄，余晓福著．水和水蒸气热力性质图表．北京：高等教育出版社，1995.

 [9] 刘志刚，刘咸定，赵冠春．工质热物理性质计算程序的编制和应用，北京：科学出版社，1992.

七、教学方法

本课程利用雨课堂平台发布预习资料和思考题，要求学生在课前观看，并完成相应的教学预习和问题思考。课堂教学中采用讲授法、案例教学法、启发教学法等，部分教学采用翻转课堂模式进行，增加课堂互动，并充分利用APP互动软件进行课前和课后的线上交流。

1. 讲授法：对工程热力学中大量的基本理论、原理、定律等进行课堂讲授和数学推导，使学生能够理解和掌握这些基础理论和基础知识。

2. 讨论法：围绕“温度计测温的基本原理是什么？”、“气体流入真空容器，是否需要推动功？”、“取正在使用的家用电热水器（但不包括电加热器）为控制体，这是什么系统？”等实际工程问题组织课堂分组讨论，培养学生应用工程热力学知识分析、解决实际问题的能力和创新意识，同时提升学生的团队合作意识和语言表达能力。

3. 案例教学法：在工程热力学在科学技术和工程中的应用等内容的教学中，选择大量的实际案例，组织学生进行主动分析、研讨，并加深对理论知识的理解。

4．启发教学法：在湿空气等内容的教学中，由生活中的常见现象，如“为何阴雨天即使温度较高晒衣服不易干，而温度较低的晴天却容易干？”、“用火炉取暖时，经常在火炉上放一壶水，目的何在？”等问题启发学生从工程热力学的角度展开思考。

5.互动教学法：利用雨课堂平台发布预习资料和思考题，采用线上、线下相结合，维持课前、课上、课后互动不中断的方式提升教学效果。

八、考核方式及评定方法

（一）课程考核与课程目标的对应关系

表4：课程考核与课程目标的对应关系表

（二）评定方法

1．评定方法

平时成绩：10%（平时作业、小论文）

实验成绩：10%（热力学实验）

期中考试：30%（理论考试）

期末考试：50%（理论考试）

2．课程目标的考核占比与达成度分析

表5：课程目标的考核占比与达成度分析表

（三）评分标准