03050010工程热力学课程教学大纲

第一篇：03050010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

课程编号：03050010 课程中文名称：工程热力学

课程英文名称：Engineering thermodynamics 课程性质：学科基础理论必修 考核方式：考试

开课专业：热能与动力工程 开课学期：3

总学时：64（其中理论64学时，实验8学时）总学分：4

二、课程目的和任务

工程热力学课程是一门动力类和热能工程各专业的主要技术基础课之一。它的教学目的和任务是：让学生学习关于能量转换的理论基础，使学生牢固地掌握工程热力学的基本理论和基本知识，并受到进一步的基本技能训练。它不仅为学习专业课程提供充分的理论准备，也应为学生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。

三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）

学生学完课程后，应达到下列要求：

1.牢固地掌握热能和机械能相互转换的规律，并能推广应用于热能与化学能等其他能量的转换问题。

2.掌握热力过程和热力循环的分析方法，深刻了解提高能量利用经济性的基本原则和主要途径。

3.熟练地运用工质的物性公式和图表进行热力计算。

4.注意培养从实际问题抽象为理论，并运用理论分析解决实际问题的能力。

5.学习有关的实验方法和技能。

四、教学内容与学时分配

绪论（1学时）

热能及其利用。工程热力学的发展简史。工程热力学的主要内容研究方法。第一章 基本概念（3学时）

热能在热机中转变成机械能的过程。热力系。工质的热力状态及其基本状态参数。平衡状态、状态方程式、坐标图。过程的功和热。热力循环。

第二章 热力学第一定律（6学时）

热力学第一定律实质。热力学能和总能。能量的传递和转化。焓。热力学第一定律的基本能量方程。表达式。开口热力系统的能量方程。能量方程式应用举例。

第三章

理想气体的性质（6学时）

理想气体的概念。理想气体状态方程。理想气体的比热容。理想气体的热力学能、焓和熵及其计算。理想混合气体。空气定压比热容测定实验。

第四章

理想气体的热力过程（6学时）

分析气体热力过程的目的与方法。定容过程，定压过程，定温过程，绝热过程，多变过程。

第五章

热力学第二定律（6学时）

热力学第二定律。可逆循环分析及其热效率。卡诺定理。熵参数、热过程方向的判据。熵增原理。熵方程。拥参数的基本概念、热量用

第七章

水蒸汽（3学时）

饱和温度和饱和压力。水的定压加热、气化过程。水和水蒸汽状态参数。水蒸汽表和图。水蒸汽的基本热力过程。二氧化碳p-v-T关系测定实验。水蒸汽饱和温度-饱和压力关系测定实验。

第八章

气体与蒸汽的流动（8学时）

稳定流动基本方程式。促使流速改变的条件。喷管的计算。背压变化时喷管内流动过程简析。绝热节流。喷管实验。

第九章

压气机的热力过程（4学时）

单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量。余隙容积的影响。多级压缩和级间冷却。叶轮式压气机的工作原理。

第十章

气体动力循环（4学时）

分析循环的目的及一般方法。活塞式内燃机实际循环的简化。活塞式内燃机的理想循环。活塞式内燃机各种理想循环的比较。燃气轮机装置循环。燃气轮机装置定压加热实际循环。

第十一章

蒸汽动力循环装置（4学时）

简单蒸汽动力装置循环-——朗肯循环。再热循环。回热循环。第十二章

制冷循环（2学时）压缩空气制冷循环。压缩蒸汽制冷循环。第十三章

湿空气（4学时）

相对湿度和含湿量。湿空气的焓-湿图。湿空气的过程及应用。

五、教学方法及手段（含现代化教学手段）

多媒体教学。

六、实验（或）上机内容

实验一：空气定压比热测量实验（必做）实验二：饱和蒸汽压力和温度关系实验（必做）实验三：二氧化碳气体P-V-T关系实验

实验四：空气定压比热随温度变化规律实验研究（选作）实验五：二氧化碳临界状态观测实验（选作）实验六：喷管中空气流动特性实验研究（选作）

七、前续课程、后续课程

前续课程：高等数学（微积分的基本运算，常用的工程近似计算方法）、普通物理（分子物理学和热学部分）。

后续课程：

内燃机原理，锅炉原理，叶片机原理，空气调节，制冷原理。

八、教材及主要参考资料

教材：沈维道，蒋志敏，童钧耕合编.工程热力学（第三版）北京：高等教育出版社，2001 严家騄，余晓福著.水和水蒸汽热力性质图表.北京：高等教育出版社，1995 主要参考资料：

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

朱明善，林兆庄，刘颖等.工程热力学.北京：.清华大学出版社.1995

严家騄编著.工程热力学（第二版）.北京：高等教育出版社，1989

朱明善，陈宏芳.热力学分析.北京：高等教育出版社，1992

赵冠春，钱立仑.火用分析及其应用.北京：高等教育出版社，1984

撰写人签字：

院（系）教学院长（主任）签字：

第二篇：工程热力学第三版电子教案教学大纲

教学大纲

课程名称：工程热力学

英文译名：Engineering Therodynamics(Architecture type)总学时数：54 讲课学时：50（含习题课4）实验学时：8 授课对象：建筑环境与设备专业、建材专业本科生 课程要求：必修 分类：技术基础课 开课时间：第三学期

主要先修课：高等数学、大学物理、理论力学、材料力学 选用教材及参考书

教材：采用由我校廉乐明主编，李力能、谭羽非参编的全国建筑暖通专业统编教材、全国高等学校教材《工程热力学》。本书自1979年出版至今，历经第一版、第二版、第三版和第四版共四次修订，计十二次印刷，在全国发行量达12万余册。本书曾获国家级教学成果奖教材二等奖、建设部部优教材奖。主要参考教材：

1、清华大学主编、高教出版社出版的《工程热力学》

2、西安交通大学主编、高教出版社出版的《工程热力学》

3、Krle C.Potter Craig W.Somerton《Engineering Therodynamics》(1998年版)

一、本课程的性质、教学目的及其在教学计划中的地位与作用

本课程是研究物质的热力性质、热能与其他能量之间相互转换的一门工程基础理论学科，是建筑环境与设备专业的主要技术基础课之一。本课程为专业基础课，主要用于提高学生热工基础理论水平，培养学生具备分析和处理热工问题的抽象能力和逻辑思维能力。为学生今后的专业学习储备必要的基础知识，同时训练学生在实际工程中的理论联系实际的能力。通过对本课程的学习，使学生掌握有关物质热力性质、热能有效利用以及热能与其它能量转换的基本规律，并能正确运用这些规律进行各种热工过程和热力循环的分析计算。此外本课程在有关计算技能和实践技能方面也使学生得到一定的训练。因此本课程不仅是学习后续课程，包括《供热工程》、《空调工程》、《锅炉及锅炉房设备》等主要专业的理论基础外，而且能广泛服务于机械工程、动力工程、冶金、石油、电力工程等各个研究领域。

本课程以经典宏观热力学为理论体系，主要特点是理论分析、实验研究与工程实际应用密切结合，其中基础理论部分占65%，工程应用部分占35%。

二、本课程的主要内容、各章节内容及其学时

绪 论(2学时，包括观看热力学绪论录象1学时)。教学目的，基本内容，学习本课程应注意的问题。第一章 基本概念(4学时)主要内容：热力系统；工质热力状态及基本状态参数；平衡状态；准静态过程、可逆过程；热力循环。

应使学生清晰理解热力学的有关基本概念，如热力系统、外界、状态参数（特别是焓、熵两个参数）、功、热量、平衡状态、准静态过程，可逆过程，热力循环等。

要使学生明确状态量和过程量、平衡和可逆、内能和热量、膨胀功、推动功和技术功等容易混淆的各概念之间的区别与联系。三种典型的热力系统，p、v、T三个状态参数的物理意义，测温测压装置；绝对压力和相对压力的计算；可逆过程的判定准则。要求学生能够较熟练的应用基本概念，针对实际问题的特点选取热力系统，进行功和热量的计算，从而初步具有正确建立热力模型的能力。

第二章 理想气体性质（4学时）

主要内容：理想气体（包括理想气体混合物）概念；理想气体状态方程；理想气体比热；混合气体性质。

要使学生熟练理想气体状态方程的各种表述形式，利用状态方程及公式进行热力计算，理想气体比热的物理意义，以及该参数在工程中的应用特点。对于常用工质如空气、水蒸气、湿空气和制冷工质等的热力学性质的图表和公式，应能熟练的运用各种热力过程的计算。应使学生学会利用对比态参数的通用图表对工质热力学性质参数进行计算。此外对于研究工质热力学性质的一般方法，包括工质热力学普遍关系式在内，也应使学生有所了解。第三章 热力学第一定律（6学时）

主要内容：系统储存能；系统与外界传递的能量；闭口、开口系统能量方程；稳态稳流能量方程及应用。

热力学第一定律及其应用是本课程的重点内容，应使学生深刻理解这个定义的普遍适用性及其实质。牢固掌握闭口系统的热力学第一定律解析式及开口系统稳定流动能量方程式在不同场合的具体应用以及它们之间的内在联系，也应掌握充气和放气过程的计算，对于热力学第一定律在化学反应中的应用，应使学生有所了解。

应使学生熟练应用热力学第一定律，结合热力模型，分析和导出各种热力过程（包括压气过程）的相应计算式，并应能利用状态坐标图表示各种过程及过程中能量转换的特点。热力学第一定律习题课（2学时）

主要内容：结合工程实际过程，应用热力学第一定律建立热力模型，进行热功能量转换过程的热力计算。

第四章 理想气体热力过程及气体压缩（4学时）

主要内容：分析热力过程的目的及一般方法；气体的基本热力过程及多变过程；压气机的理论压缩轴功；活塞式压气机余隙影响；多级压缩及中间冷却。

要使学生掌握热力学计算的特殊性，并能利用状态坐标图表示各种过程及过程中能量转换的特点。使学生能熟练的结合热力学第一定律，分析和导出各种基本热力过程及多变过程（包括压气过程）的相应计算式并进行计算，利用p-v、T-s图分析热力过程。第五章 热力学第二定律（8学时）

主要内容：热力学第二定律实质及表述；卡诺循环、卡诺定理；熵与熵方程；孤立系统熵增原理；用和 无。

应使学生深刻理解热力学第二定律的实质及对生产实践的指导意义，掌握卡诺循环及卡诺定理的结论及热力学意义，熟悉动力循环及制冷循环的分析方法。

应使学生正确理解熵是一个状态参数，并能应用热力学第二定律来说明熵这个参数的重要性，了解孤立系统熵增原理及过程不可逆性与熵增之间的关系，利用熵方程进行热力计算以及作功能力损失的计算。对于热力学第二定律在化学反应中的应用，也应使学生有所了解。热力学第二定律习题课（2学时）。

使学生掌握热力过程的方向性与不可逆性的判定，系统熵变的热力计算以及作功能力损失的计算。

第七章 水蒸汽（4学时）

主要内容：液体的蒸发与沸腾；水蒸气的定压发生过程；水蒸汽表和图；水的相图及三相点；水蒸汽的基本过程（自学，课堂主要采取辅导形式）。

使学生掌握工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。二氧化碳临界状态实验 第八章 湿空气（6学时）

主要内容：湿空气的性质；湿空气的焓湿图；湿空气的基本热力过程；

应使学生牢固掌握湿空气状态参数、h-d图的使用，并会进行湿空气基本热力过程的计算。理想气体比热实验

第九章 气体和蒸汽的流动(6学时)主要内容：绝热稳定流动的基本关系式；气体在喷管中的绝热流动、喷管中流速及流量计算；喷管主要尺寸的确定；实际喷管中有磨擦的流动；扩压管流动；气体和蒸汽的绝热节流。应使学生深刻理解喷管内绝热稳定流动的基本方程及流动的基本特性，掌握喷管出口的截面、流速和流量的计算，喷管的设计和校核计算，绝热节流过程的特点。掌握临界压力比、临界流速和临界流量的概念和计算，会应用基本公式计算喷管出口的截面、流速和流量，应掌握绝热节流过程的特点。对扩压管的概念使学生有所了解。第十章 动力循环(4学时)主要内容：蒸汽动力基本循环；朗肯循环；回热循环与再热循环；热电循环；内燃机循环； 燃气轮机循环

应使学生掌握回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。热电循环中最佳用热和用电的分配比例的确定，提高热效率的途径和计算方法。第十一章 致冷循环(4学时)主要内容：空气压缩致冷循环；蒸气压缩致冷循环；蒸气喷射致冷循环；吸收式致冷循环；热泵；气体的液化

应使学生掌握和理解蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。对吸收制冷、蒸汽喷射制冷及热泵也应使学生有所了解。

三、本课程的其它教学环节

（1）习题主要在于巩固所学的理论，培养学生运用理论解决实际问题的能力，因此课外习题不应少于50题。

（2）本课程的实验应使学生通过动手操作验证课堂教学的某些理论，同时使学生在实验方法及测量参数等方面得到一定的锻炼，实验项目不应少于2个（4学时）。

四、考核方式

期末考试采用笔试，百分制。考试内容覆盖全部授课内容，课程重点内容约占全部考试内容的80%，基本理论与基本概念约占考试内容的50%，计算部分约占考试内容的60%。考试题以检查学生在学习过程中对基本概念、基本方法、基本技术的掌握，尤其是在期终总结复习的过程中对整个知识系统的全面掌握和灵活运用。

学生撰写科研小论文和心得总结报告，可给予最高达10分的奖励。实验课结果，包括实验出席率、实验报告，将以5%计入期末成绩。《工程热力学》课程教学小组 执笔人：谭羽非

第三篇：化工热力学教学大纲

《化工热力学》教学大纲

一、课程简介

课程名称：化工热力学 课程编号：01C0263 开课院系：化学工程系 总 学 时：48

课程类型：学科基础课，必修 先修课程：基础化学、物理化学

课程简介：

化工热力学是化学工程学的一个重要分支，是化工类专业必修的专业基础课程。它是化工过程研究、开发与设计的理论基础，是一门理论性与应用性均较强的课程。该门课系统地介绍了将热力学原理应用于化学工程技术领域的研究方法。它以热力学第一、第二定律为基础，研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用，深刻阐述了各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件和状态。

设置本课程，为了使考生能够掌握化工热力学的基本概念、理论和专业知识；能利用化工热力学的原理和模型对化工中涉及到的化学反应平衡原理、相平衡原理等进行分析和研究；能利用化工热力学的方法对化工中涉及的物系的热力学性质和其它化工物性进行关联和推算；并学会利用化工热力学的基本理论对化工中能量进行分析等。

Name of Course:

Chemical Engineering Thermodynamics Course Code: 01C0263

School: chemical engineering department Credit Hours: 48 Required of Elective: Required Prerequisite:

Essential Chemistry、Physical Chemistry Introduction:

Chemical thermodynamics is one important branch of chemical engineering, and it is preliminary course for chemical engineering.It is the basic theory of researching, developing and design of chemical engineering process.This course is high of theories and applications.This course systematically introduces the research method about adopting the thermodynamic theory to chemical engineering area.Based on the first an

d second law of thermodynamics, this course studies the interchange and effective utilization of energy in chemical engineering process, elaborates the theoretical limitation, condition and status of equilibrium in physical and chemical reaction.The purpose of this course is to equip the candidate with the basic concepts, theories and knowledge of thermodynamics.Through this course students are capable to analyze and study the chemical reaction, phase equilibrium involved in chemical engineering with the theory and model of chemical thermodynamics;correlate and predict thermal properties and other chemical properties using thermodynamic method;analyze energy in chemical engineering by thermodynamic theories.Through this course, students know the principal definitions, theories, and basic calculation method about thermodynamic.Students will be cultivated the ability of analyzing and solving practical problems by thermodynamic methods.二、课程教学大纲

1.课程编号：01C0266.先修课程：基础化学、物理化学 2.课程类别：学科基础课，必修

7.课内总学时：48 3.开课学期：大学三年级第一学期

8.实验/上机学时：0 4.适用专业：化学工程与工艺

9.执笔人： 5.考核方式：考试

1．课程教学目的

化工热力学的任务是通过课程教学，使学生掌握流体的热力学性质概念，掌握流体热力学性质，的计算及其应用，掌握溶液的性质，会用溶液理论及状态方程计算各种流体相平衡，并以状态方程、流体热力学性质、液相活度系数及流体相平衡计算为重点内容，为化工过程的设计打下牢固的基础。

2．教学基本要求

1．正确理解化工热力学的有关基本概念和理论； 2．理解各个概念之间的联系和应用； 3．掌握化工热力学的基本计算方法；

4．能理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产和设计中的有关问题。第一章

绪论

了解：化工热力学的主要内容

理解：“化工热力学”与“物理化学”的主要区别

掌握：化工热力学的研究方法有经典热力学方法和分子热力学方法。第二章 流体的p-V-T关系 了解：

（1）维里方程的几种形式（2）维里系数的物理意义（3）多参数状态方程

（4）Lydersen 三参数压缩因子图（5）液体的PVT关系 理解：

（1）RK方程的迭代形式及应用（2）对比态原理

（3）气体混合物的虚拟临界参数 掌握：

（1）偏心因子

（2）三参数压缩因子图（3）Pitzer 普遍化压缩因子图（4）普遍化第二维里系数

（5）液体的纯经验的PVT关系

（6）Kay规则

重难点：

（1）立方型状态方程的普遍特点及计算（2）三参数压缩因子图

（3）气体混合物的第二维里系数及应用（4）R-K方程的混合规则 第三章 纯流体的热力学性质

通过本章学习，掌握各热力学性质间的关系，进而学会计算一个实际过程的焓变和熵变，并学会一些热力学性质图表的应用。

了解：

（1）Helmholtz方程

（2）敞开系统热力学基本方程（3）Maxwell关系式

（4）理想气体焓变和熵变计算（次重点）（5）理想气体焓和熵随温度、压力的变化关系式 理解：

（1）封闭系统热力学基本方程（2）麦克斯韦关系式的用途（3）剩余性质的概念（重点）（4）利用维里方程计算剩余性质 掌握：

（1）剩余焓、剩余熵与P、V、T的关系式

（2）对于一个实际过程，设计焓变和熵变的计算途径（3）利用状态方程计算焓变和熵变（重点）(4)利用R-K方程计算剩余性质

（5）利用普遍化关联式计算焓变和熵变（重点）（6）利用普遍化第二维里系数计算剩余焓和剩余熵（7）利用Pitzer三参数焓熵图计算剩余焓和剩余熵（8）蒸发焓与蒸发熵（重点）（9）T-S图的形状和构成（10）T-S图的制作及使用：（11）水蒸气表的构成及使用 第四章 均相混合物热力学性质

通过本章学习，能理解流体混合物的相关热力学性质，正确理解和使用混合物中组元的逸度与活度的概念，为相平衡的计算打下基础。

了解：

（1）变组成系统的热力学基本方程（2）偏摩尔量的定义及提出的意义（3）理想混合物的定义

（4）理想混合物的相关热力学性质（5）逸度与逸度系数的概念（重点）（6）逸度系数与PVT的关系式

（7）活度的定义（8）活度系数

（9）正规混合物的概念及方程适用条件（10）无热混合物的概念及方程适用条件（11）半经验型活度系数方程（重点）理解：

（1）化学势（位）的概念（2）混合性质的概念（重点）

（3）混合性质与偏摩尔量的关系

（4）理想溶液及其标准态（重点）（5）利用R-K方程计算纯物质的逸度系数（6）利用普遍化的第二维里系数计算逸度系数（7）利用三参数普遍化逸度系数图计算逸度系数（8）温度对逸度的影响（9）压力对逸度的影响（11）活度系数标准态的选择（12）超额性质的定义（13）局部组成的概念（14）基团贡献法 掌握：

（1）偏摩尔量的计算（重点）（2）作图法计算偏摩尔量（3）二元截距法计算偏摩尔量（4）吉布斯—杜亥姆方程（重点）（5）混合体积变化和混合焓变的计算（6）纯液体逸度的计算式

（7）Margulas方程的应用及适用条件（8）Van Laar方程的应用及适用条件（9）基于局部组成的活度系数方程（重点）（10）Wilson 方程（11）NRTL方程

第五章 相平衡

通过本章学习，能学会应用化工热力学的知识处理汽液平衡计算（主要是泡、露点的计算），并能处理一些简单的液液平衡问题。

了解：

（1）平衡判据（重点）（2）相对挥发度（3）相平衡常数（4）泡、露点的概念

（5）汽液平衡相图的类型、构成等（6）高压汽液平衡相图的特点（7）“逆向”现象

（8）汽液平衡一致性校验的依据（重点）（9）液液平衡判据（重点）

（10）各种二元及三元的液液平衡相图

（11）汽液液平衡（12）气液平衡（13）固液平衡 理解：

（1）相平衡的五个判据（2）相律（重点）

（3）高压汽液平衡的几个基本关系式（4）高压相平衡计算（次重点）

（5）二元液液平衡计算的基本关系式及简单计算（6）三元液液平衡的计算（次重点）

（7）三元液液平衡计算的基本关系式

掌握：

（1）低压下汽液平衡的表达式及计算（2）中低压下泡、露点计算（重点）（3）K值法（重点）

（4）状态方程法计算高压汽液平衡（5）活度系数法计算高压汽液平衡

（6）K值法计算高压汽液平衡 第六章 化工过程能量分析

通过本章学习，能够了解热力学分析中的基本概念及基本方法，会应用热力学第一定律等分析实际问题。

了解：

（1）稳流系统的热力学第一定律（2）熵与熵增原理（3）理想功的概念及定义

（4）损失功的概念（5）热力学效率（重点）理解：（1）可逆轴功

（2）实际轴功（3）熵产生（4）熵流（5）能级

（6）热力学死态及有效能的概念（7）有效能与理想功的关系 掌握：

（1）稳流系统的热力学第一定律的表达式及简化形式（2）轴功的计算（3）热量衡算（4）熵平衡方程式（5）物理有效能的概念（6）化学有效能的概念

（7）有效能平衡方程式及有效能分析（重点）第七章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环

通过本章学习，了解基本的冷冻循环及深度冷冻循环，并能运用热力学性质图表进行简单的冷冻计算。

了解：

（1）制冷循环的原理（重点）

（2）逆卡诺循环制冷的循环过程（3）吸收式制冷循环（次重点）

（4）吸收式制冷的循环途径与实现制冷的原理（5）制冷工质的选择（次重点）（6）深度制冷的概念（次重点）（7）深度制冷的概念及用途

（8）林德循环的过程及实现深度制冷的原理

（9）克劳特循环的过程及实现深度制冷的原理 理解：

（1）制冷能力、制冷系数等概念（2）蒸汽压缩制冷循环（重点）

（3）蒸汽压缩制冷循环的途径与实现制冷的原理 掌握：

应用热力学性质图表计算制冷问题 第八章 物性数据的估算 第九章 环境热力学

3．课程教学内容与学时

第一章

绪论（1学时）1.1 热力学发展简史

1.2 化工热力学的主要研究内容 1.3 化工热力学的研究方法及其发展 1.4 化工热力学在化工中的重要性 第二章 流体的p-V-T关系（7学时）2.1 纯物质的p –V –T关系 2.2 气体的状态方程 2.2.1理想气体状态 2.2.2 维里方程 2.2.3 立方型状态方程 2.2.4 多参数状态方程 2.3 对应态原理及其应用 2.3.1 对比态原理

2.3.2 三参数对应态原理 2.3.3 普遍化状态方程

2.4 真实气体混合物的p-V-T关系 2.4.1 混合规则

2.4.2气体混合物的虚拟临界性质 2.4.2 气体混合的第二维里系数 2.4.3 混合物的状态方程 2.5液体的p –V-T关系

2.5.1 饱和液体体积

2.5.2 压缩液体（过冷液体）体积

2.5.3 液体混合物的p –V-T关系

第三章

纯流体的热力学性质（9学时）3.1 热力学性质间的关系 3.1.1 热力学基本方程 3.1.2 Maxwell关系式 3.2焓变与熵变的计算

3.2.1 热容

3.2.2 理想气体的H、S、随T、p的变化 3.2.3 真实气体的H、S随T、p的变化 3.2.4 真实气体的焓变、熵变的计算 3.2.5 蒸发焓与蒸发熵

3.3 纯物质两相系统的热力学性质及热力学图表 3.3.1 两相系统的热力学性质 3.3.2 热力学性质图表

第四章 均相混合物热力学性质（11学时）4.1变组成系统的热力学关系 4.2 偏摩尔性质

4.2.1 偏摩尔性质的引入及定义 4.2.2 偏摩尔性质的热力学关系 4.2.3 偏摩尔性质的计算 4.2.4 Gibbs-Duhm方程

4.3 混合过程性质变化 4.3.1 混合过程性质变化 4.3.2 混合过程的焓变化 4.4 逸度和逸度系数 4.4.1 逸度和逸度系数的定义

4.4.2 混合物的逸度与其组元逸度之间的关系 4.4.3 温度和压力对逸度的影响 4.4.4 逸度和逸度系数的计算 4.4.5 液体的逸度

4.5 理想混合物

4.5.1 理想混合物的提出

4.5.2 理想混合物的混合性质变化 4.6 活度和活度系数 4.6.1 活度和活度系数 4.6.2 活度系数标准态的选择 4.6.3 超额性质 4.7 活度系数模型

4.7.1 正规溶液模型

4.7.2 Whol型方程 4.7.3 Redlish-Kister经验式 4.7.4 无热溶液模型 4.7.5 局部组成型方程 第五章 相平衡（10学时）5.1 相平衡基础

5.1.1平衡判据

5.1.2 相律

5.2 互溶系统的汽液平衡关系式

5.2.1 状态方程法

5.2.2 活度系数法

5.2.3 方法比较 5.3 中低压下汽液平衡

5.3.1中低压下二元汽液平衡相图

5.3.2中低压下泡点、露点计算

5.3.3 低压下汽液平衡的计算

5.3.2 烃类的K值法和闪蒸计算 5.4 高压下汽液平衡

5.4.1 高压下汽液平衡相图

5.4.2 高压下汽液平衡计算 5.5 汽液平衡热力学一致性检验 5.5.1 积分检验法（面积检验法）

5.5.2 微分检验法（点检验法）5.6平衡与稳定性 5.7 其他类型的相平衡

5.7.1 液液平衡

5.7.2 汽液液平衡

5.7.3 气液平衡

5.7.4 固液平衡

5.7.5 汽固平衡和超临界流体在固体（或液体）中的溶解度 第六章 化工过程能量分析（2学时）6.1 热力学第一定律－能量转化与守恒方程

6.1.1 能量的种类

6.1.2 热力学第一定律－能量守恒的基本式

6.1.3 封闭系统的热力学第一定律

6.1.4 稳流系统的热力学第一定律及其应用 6.2 热力学第二定律

6.2.1 熵与熵增原理

6.2.2 熵产生和熵平衡

6.2.3 热机与能量品位

6.3 理想功、损失功和热力学效率

6.3.1 理想功

6.3.2 损失功

6.3.3 热力学效率

6.4 有效能

6.4.1 有效能定义

6.4.2 稳流过程有效能计算

6.4.3 不可逆过程的有效能损失

6.4.4 有效能效率

6.4 化工过程能量分析及合理用能

第七章

压缩、膨胀、动力循环与制冷循环（2学时）7.1 气体的压缩 7.2 膨胀过程

7.2.1 节流膨胀

7.2.2 绝热作功膨胀 7.3 蒸汽动力循环

7.3.1 Rankine循环及其热效率

7.3.2 蒸汽参数对热效率的影响 7.3.3 Rankine循环的改进 7.4 制冷循环 7.4.1 理想制冷循环 7.4.2 蒸汽压缩制冷循环 7.4.3 吸收式制冷循环 7.4.4 喷射式制冷循环 7.4.5 热泵及其应用 7.4.6 深冷循环与气体液化 7.5 制冷剂的选择

第八章 物性数据的估算（4学时）第九章 环境热力学（2学时）

4．教材与参考书

建议教材：《化工热力学》（通用型），马沛生，化学工业出版社 参考书：

(1)、“化工热力学”第二版，朱自强，徐汛合编，化学工业出版社(2)、“流体相平衡原理及其应用”，朱自强，姚善泾，浙江大学出版设

(3)、“Chemical Engineering Thermodynamics”,Smith,J.M.and Van Ness,4 th.ed.Mc Graw-Hill,New York(4)、《化工热力学》，童景山主编，清华大学出版社(5)、S.I.Sandler, Chemical and Engineering Thermodynamics

5．作业

教材每章后面习题与思考题，由教师指定具体题号。课堂上教师对每次作业要进行讲评。

6．说明

为了加强工程计算技术和能力的培养，在课程教学布置平时作业中，应注意要求学生通过计算机编程计算或应用一些专用软件如ORIGIN、MARHCAD、MATLAB等进行计算并完成作业，提高学生应用计算机解决实际问题的能力。

为了在有的学时内增加与学科有关的新内容，拓宽学生的知识面，教学手段的改革势在必行，拟采用多媒体教学新技术提高教学效率，为培养新型人才创造条件。

为了鼓励学生自学兴趣和创造思维能力，考试方式将进行必要的改革，以小论文和小组讨论以及课外兴趣小组活动成果作为部分考试成绩，培养学生的开拓能力。

课程评分类型为百分制。各部分成绩所占的比例：平时成绩20%、期末考试80%。考试方式为闭卷（或半开卷）考试。

第四篇：热力学与统计物理学教学大纲

《热力学与统计物理学》教学大纲

Thermodynamics and Statistical Mechanics

课程编号：适用专业：物理学（本科）

学时数：64学分数：4执笔者：郑燕

一、课程性质和目的1、课程的性质：

热力学与统计物理学是物理学专业一门理论必修主干课。

2、课程的目的：

本课程的目的在于针对热运动的特点，建立一套热力学和统计物理的基本知识和思想方法，从而为研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化打下基础，为进一步学习固体物理、天体物理等学科作好准备。

二、课程的基本要求

（1）首先必须使学生建立概率论方法的观念。热力学统计物理研究由大量微观粒子或准粒子组成的，具有大量随机变化自由度的宏观系统。由于系统的自由度数目非常大和自由度的随机性，即使我们彻底地掌握了单个粒子的运动规律和粒子间相互作用的规律，也不可能写出全部运动方程，更无法准确知道并利用全部初始条件求解运动方程。必须明确的是，不能用纯粹力学方法研究有大量随机自由度的宏观系统，不仅是由于技术上的困难，更重要的是，由于大量随机自由度的存在，导致性质上出现全新的规律。因此研究这类系统的方法必须有本质上的改变，即由确定论的方法改变为概率论的方法。

（2）掌握热力学的基本规律和统计物理的基本理论，理解系统的各种平衡条件和正则分布，了解系统的相变理论，非平衡态统计和涨落理论。会用来解决一些基本的和专业有关的热运动方面的问题。

（3）使学生掌握科学的学习方法，真正达到从学会到会学。可采用从“渗透式”逐步推广到“体会式”的教学法，培养学生有较强的独立思考能力和创造能力，较快进入科学发展的前沿，养成辩证唯物主义的世界观和方法论。

三、课程教学基本内容及各章的基本要求

按照课程建设的总体要求，本着“先进、有效、有用”的原则，按照删、并、减、增、留的“五字方针”对物理学专业的重要基础理论主干课程《热力学与统计物理学》进行认真清理与重构，在此基础上编写出本教学大纲。讲授内容和学时分配如下。

第零章绪论（1学时）

基本要求

（1）热力学与统计物理学的研究对象、研究方法及发展的前沿动态；

（2）学习热力学与统计物理学的意义、目标、方法。

第一章热力学的基本定律（12学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理学的基础，以热力学第一定律、热力学第二定律和热力学基本方程为重点讲授内容；将热力学系统的平衡态及其描述、平衡定律和温度、物态方程、准静态功、热力学第一定律、热容量和焓、理想气体的内能、绝热过程、卡诺循环、热力学第二定律作为自学内容，这些内容在热学都已学过。

2、教学内容

（1）热力学系统的平衡态及其描述；

（2）平衡定律和温度；

（3）物态方程；

（4）准静态功；

（5）热力学第一定律；

（6）热容量和焓；

（7）理想气体的内能、绝热过程、卡诺循环；

（8）热力学第二定律；

（9）卡诺定理与热力学温标；

（10）克劳修斯等式和不等式；

（11）熵和热力学基本方程；

（12）理想气体的熵；

（13）热力学第二定律的普遍表述；

（14）熵增加原理的简单应用；

（15）自由能和吉布斯函数。

3、本章重难点

（1）本章重点是热力学第二定律和热力学基本方程；内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数；

（2）本章的难点为建立熵的概念，应强调其物理意义。

第二章均匀物质的热力学性质（5学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理的重点内容,以特性函数及其基本微分方程和麦克斯韦关系为重点讲授内容，删去低温的获得一节，将气体的节流过程和绝热膨胀过程作为自学内容。

2、教学内容

（1）内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分；

（2）麦克斯韦关系的简单应用；

（3）气体的节流过程和绝热膨胀过程；

（4）基本热力学函数的确定；

（5）特性函数；

（6）平衡辐射的热力学；

（7）磁介质的热力学。

3、本章重难点

本章重点是特性函数及其基本微分方程和麦克斯韦关系

第三章单元系的相变（6学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理较为重点的内容,以开放的热力学基本方程为基础重点讲授单元系的复相平衡条件和平衡性质等内容，删去临界现象和临界指数、朗道连续相变理论两节，将临界点和气液两相的转变作为自学内容。

2、教学内容

（1）热动平衡判据；

（2）开系的热力学基本方程；

（3）单元系的复相平衡条件；

（4）单元复相系的平衡性质；

（5）临界点和气液两相的转变；

（6）液滴的形成；

（7）相变的分类。

3、本章重难点

（1）本章重点是开系的热力学基本方程、单元系的复相平衡条件和平衡性质；

（2）本章难点是液滴的形成、二级相变。

第四章多元系的复相平衡和化学平衡（4学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理中非重点的内容,以多元系的热力学函数和热力学方程为基础重点讲授多元系的复相平衡条件、吉布斯相律、热力学第三定律等内容，删去化学平衡条件和理想气体的化学平衡两节，将二元系相图举例和混合理想气体的性质作为自学内容。

2、教学内容

（1）多元系的热力学函数和热力学方程；

（2）多元系的复相平衡条件；

（3）吉布斯相律；

（4）二元系相图举例；

（5）化学平衡条件；

（7）热力学第三定律。

3、本章重难点

（1）本章重点是多元系的热力学函数和热力学方程、吉布斯相律；

（2）本章难点是热力学第三定律。

第六章近独立粒子的最概然分布（13学时）

1、基本要求

本章是统计物理的基础内容,是学好后续章节的根本，应作为重点内容讲授，重点掌握粒子和系统运动状态的描述、分布与微观态的关系、三种分布。将等概率原理作为自学内容。

2、教学内容

（1）粒子运动状态的经典描述；

（2）粒子运动状态的量子描述；

（3）系统微观运动状态的描述；

（4）等概率原理；

（5）分布和微观状态；

（6）玻耳兹曼分布；

（7）玻色分布和费米分布；

（8）三种分布的关系。

3、本章重难点

（1）本章重点是分布和微观状态的关系、玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布；

（2）本章难点是分布和微观状态的关系，熟练掌握玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布以及三种分布的关系。

第七章玻耳兹曼统计（9学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理的重点内容,是统计物理的核心章节，以玻耳兹曼分布为基础重点掌握热力学量的统计表达式、统计物理处理问题的方法、玻耳兹曼统计的广泛应用。删去顺磁性固体、负温度状态两节，将理想气体的熵作为自学内容。

2、教学内容

（1）热力学量的统计表达式；

（2）理想气体的物态方程；

（3）麦克斯韦速度分布律；

（4）能量均分定理；

（5）理想气体的内能和热容量；

（6）理想气体的熵；

（7）固体热容量的爱因斯坦理论。

3、本章重难点

（1）本章重点是热力学量的统计表达式、玻耳兹曼统计处理问题的方法；

（2）本章难点是理想气体的内能和热容量、固体热容量的爱因斯坦理论。

第八章玻色统计和费米统计（6学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理的重点内容,以玻色分布和费米分布为基础重点掌握热力学量的统计表达式；对光子气体、自由电子气体等应用。删去简并理想费米气体简例、准二维电子气体与量子霍尔效应两节，本章无自学要求。

2、教学内容

（1）热力学量的统计表达式；

（2）弱简并玻色气体和费米气体；

（3）光子气体；

（4）玻色-爱因斯坦凝聚；

（5）金属中的自由电子气体；

（6）简并理想费米气体简例。

3、本章重难点

（1）本章重点是热力学量的统计表达式、光子气体；

（2）本章难点是玻色-爱因斯坦凝聚、金属中的自由电子气体。

第九章系综理论（8学时）

1、基本要求

在所研究的问题中计及粒子之间的相互作用，系统的能量表达式包含粒子间的相互作用的势能。

2、教学内容

（1）相空间 刘维尔定理；

（2）微正则分布；

（3）微正则分布的热力学公式；

（4）正则分布；

（5）正则分布的热力学公式；

（6）巨正则分布的热力学公式；

（7）巨正则分布的简单应用。

3、本章重难点

本章重点是正则分布、正则分布、巨正则分布的热力学公式

四、先修课程要求：

高等数学、普通物理、理论力学

五、考核方式

1、成绩评定总则

期末总评成绩由平时成绩和期末卷面成绩构成2、平时成绩评定

平时成绩由作业、提问、考勤、期中成绩累加构成3、期末考核评定

期末总评成绩=平时成绩（占10％）+期末卷面成绩（占90％）

六、建议教材及教学参考书：

教材：

汪志诚，《热力学·统计物理》（第三版），高等教育出版社，2003 主要教学参考书目：

1、马本堃，《热力学与统计物理学》，高等教育出版社，19952、刘连寿，《理论物理基础教程》，高等教育出版社，20033、王竹溪，《热力学教程》，人民教育出版社，19794、王竹溪，《统计物理学导论》，人民教育出版社，19795、L.E.雷克（黄韵等译），《统计物理现代教程》，北京大学出版社，19836、Walter Greiner，《Thermodynamics And Statistical Mechanics》，Springer，2004

第五篇：工程热力学报告

工程热力学（2015 秋）课程论文

姓名： 班级： 学号： 日期：

纳米晶材料的热力学函数研究

一、摘要.........................................................................................1

二、纳米晶材料的几何假设...........................................................1

三、界面热力学函数分析...............................................................2

四、内部热力学函数分析...............................................................6

五、整体热力学函数分析...............................................................6

六、总结.........................................................................................6

七、纳米晶材料热力学应用展望....................................................6

一、摘要

纳米晶材料（nanophase material)是具有纳米级超细晶组织的材料。由于超细晶粒(小于100nm)、高的界面体积分数(高达50%)和界面区的原子间距分布较宽，其性能特别是和近邻原子相关联的性能，如力学性能、热学性能、磁学性能，与一般多晶材料或同成分的非晶态材料有很大的差别[1]。本文应用界面膨胀模型[2]并以普适状态[3]为基础对纳米材料的整体的热力学函数计算模型进行了阐述分析，进而对其应用进行了展望。

二、纳米晶材料的几何假设

纳米晶材料中的原子可分为两部分，一部分是位于晶粒内部点阵位置上有序排列的原子，另一部分是位于晶界面上无序或部分有序的原子。假设纳米晶粒子为球形，直径为d，界面厚度为，如图1所示。原子在晶界面区域和晶粒内部的排布密度（原子的空间占据百分数）分别为和。位于晶界面上和晶粒内部的原子个数和可由下式计算：

(1)

(2)

其中：Vb为纳米晶体界面上一个原子所占的体积，V0为平衡状态的原子体积。

所以，晶体面处的原子分数xb为

(3)

其中，rb和r0分别为纳米晶界面处原子的半径和平衡状态时原子的半径。

图1 球形纳米晶粒及表征几何尺寸示意图[4]

为方便表达，设定纯物质纳米晶体的热力学函数为以纳米晶界面处和晶粒内部两部分热力学函数的求和。

三、界面热力学函数分析

Fecht和Wagner提出，纳米晶界面的性质可以通过膨胀晶体的性质来近似考虑，建立了“界面膨胀模型”[2]。由理论分析和计算模拟表明[5],晶界的过剩体积（相对完整晶格）是描述晶体能态最合理的一个参量，它也是晶界的一个主要的结构参量，反映了界面原子体积相对于晶内原子体积的增加量，的定义为：。（其中和分别为完整单晶体和晶界的体积）。在晶界处原子配位结构与完整的晶格不同，通常表现为原子配位距离增大，最近邻原子配位数减少，造成晶界上存在一定的过剩体积，为了便于计算，将晶界上原子配位数的减少视为晶界密度降低，将晶界近似为减少了最近邻原子配位数（即减少了密度）的完整晶体，换言之，将晶界的热力学性能近似为具有相同过剩体积的膨胀晶体的性能，这种膨胀晶体的性能可以根据现有理论进行计算，从而得到晶界的热力学性能近似。[6]由Simth及其合作者发展的普适状态方程[3]定量描述了结合能与晶格常数之间的关系，并以证实，该理论对由纳米晶界面过剩体积所产生的晶内负压给予了很好的解释。

结合“界面膨胀模型”和普适状态方程，以界面上原子的体积V和绝对温度T为变量，纳米晶界面处单位原子的基本热力学函数焓、熵和吉布斯自由能的表达式分别为[1]：

(4)

(5)

(6)式中下标b表示晶界。其中，参量E由下式确定[7]：

(7)为平衡态结合能，可根据线膨胀系数和体弹性模量的关系式[8]计算：

(8)此外，(9)

(10)

其中（9）式中的长度尺度[9]用以表征束缚能曲度的宽度，可由下式得到：

(11)

其中（5）式中的Grflneisen参数是反映晶格振动频率和原子体积之间关系的一个函数，由下式计算[10]：

(12)

根据普式状态方程，晶体中的压力P是原子体积V和温度T的函数[9]：

(13)

(14)

(15)

(16)

以上式子中，CV是恒定体积下的比热，对于单位原子其值约为3kB，kB是Boltzmann常数，TR为参照温度，r0为p=0时平衡态的原子半径，rb是纳米晶界面处原子的半径，B0(TR)和a0(TR)分别为参照温度下，P=0时的体弹性模量和体膨胀系数。

至此，由以上公式可以计算出纳米晶界面的焓、熵和吉布斯自由能，详细的表达式如下：

(17)

(18)

(19)

上式中：

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

四、内部热力学函数分析

将纳米晶粒内部晶体的性质等同于粗晶，可以根据块体材料的热力学函数表达式进行计算。由经典热力学理论，完整晶体中原子的自由焓、熵和吉布斯自由能表达式分别为：

(27)(28)(29)

式中下标i表示晶体内部，计算中完整晶体的等压热容（Cp）的数据取决于SGTE热力学数据库。

五、整体热力学函数分析

引入纳米晶界面上的原子分数xb作为权重，整体纳米材料的热力学函数可以表达为：(30)

(31)

(32)

这样就得到了整体纳米材料的热力学函数的表达式。焓、熵和吉布斯自由能是材料热力学研究中重要的参数，材料的制备，反应方向和材料相变的预测以及对复杂化合物及新材料的热力学性质的测定等都可以通过这3个参量的计算而得出，因此上述的计算结果对于纳米材料的研究具有十分重要的指导意义。

六、总结

本文在应用“界面膨胀模型”和普适状态方程研究纳米晶界面热力学特性的基础上，发展了纳米晶整体材料热力学函数的计算模型[4]，给出了纳米晶体单相材料的焓、熵、自由能随界面过剩体积、温度以及晶粒尺寸发生变化的明确表达式，由此可以定量预测纳米晶材料发生相变的特征温度和临界尺寸。

七、纳米晶材料热力学应用展望

纳米晶材料的特殊性能是由其化学组成、界面结构以及产生微细组织的制备过程等共同决定的，是与纳米结构和组织形成及转变的热力学和动力学紧密联系的。然而，相对于粗晶的大块多晶体材料，纳米材料的比热值升高、热膨胀系数成倍增大、以及与同成分块体材料具有明显差异的相变特征和相稳定性等特性，因此，应用于块体材料的传统热力学理论不能很好的合理解释纳米晶材料的相变行为[11]。因此发展纳米晶材料的热力学研究具有很重要的意义。

[1] 柯成 主编.金属功能材料词典.北京：冶金工业出版社.1999.第172-173页.[2] Fecht J H.Intrinsic instability and entropy stabilization of Grain boundaries.[J].Phys Rev Lett,1990,65:610-613.[3] Wagner M.Structure and thermodynamic properties of nanocrysralline metals.[J] Phys Rev B,1992,45:635-639.[4] 高金萍,张久兴,宋晓艳,刘雪梅.纳米晶材料热力学函数及其在相变热力学中的应用[A].第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C].2004 [5]D.Wolf.Phit.Mog.B59(1989),667.[6] 卢柯.金属纳米晶的界面热力学特性.[J].物理学报1995,44;1454.[7] Rose J H,Smith J R,Guinea F, et al.Universal features ofthe equation of state of metals..Phys Rev B.1984

[8] Dugdale J S,Macdonald D K C.The thermal expansion ofsolids..Phys Rev.1959

[9] Vinet P,Smith J R,Ferrante J, et al.Temperature effects onthe universal equation of state of solids..Phys Rev B.1987

[10] Dugdale J S,Macdonald D K C.The thermal expansion ofsolids..Phys Rev.1959

[11] 宋晓艳,张久兴,李乃苗,高金萍,杨克勇,刘雪梅.金属纳米晶和纳米粒子材料热力学特性的模拟计算与实验研究[A].2005年全国计算材料、模拟与图像分析学术会议论文集[C].2005