高分求一篇工程热力学与传热学在汽车领域中的应用现状及发展趋势

【专家解说】：综述工程热力学和传热学在汽车领域中的应用及发展趋势

摘要：工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。而传热学是研究热量传递规律，研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。在机件的冷、热加工过程中包含有大量复杂的热传递过程。
Abstract: Engineering thermodynamics is one of the earliest development branch of thermodynamics, It mainly studies the heat energy and mechanical energy and other energy between the rule of their conversion to each other and their applications, is one of the important basic subject of mechanical engineering. And heat transfer is a subject which studys of heat transfer law, and the heat transfer law between the object with different temperature or different parts of the same one. In parts of the cold and hot working process contains a large number of complex heat transfer process. 关键词：工程热力学 传热学 应用 发展
1、什么是工程热力学和传热学
工程热力学是热力学的工程分支，也是热力学最先发展的一个分支，它主要研究能量转换，特别是热能转化成能的规律和方法，以及提高转化效率的途径。传热学是研究热量传递规律的科学，它和工程热力学一起组成热工理论的基础。
2、工程热力学和传热学的应用
2.1工程热力学在机械设计制造中的应用
18世纪，英国开始了产业革命，产生了对热机的巨大需求，各种蒸汽机应运而生。在蒸汽机的众多发明和改进者中，最有名的是英国人瓦特，他在1763-1784年间，主要凭借经验摸索对当时只能用于抽水和灌溉的纽克曼蒸汽机作了重大改进，且研制成功了应用高于大气压的蒸汽和配有独立凝汽器的单位缸蒸汽机，使蒸汽机能耗了75%；1782年，制造了联协式蒸汽机，1784年，发明了调速器并对蒸汽机进一步改进，使其能适用于各种机械运动的原动机。此后，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业等工业部门，都先后以蒸汽机作为原动机获得迅速的发展阶段。
活塞式内燃机起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的研究，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气，汽油和柴油等产生的热转化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。 2.2工程传热学在机械设计制造中的应用
工程热力学和传热学在机械制造中的应用主要体现在对机械工程材料的影响上。材料在加热和冷却的时候都会在微观上产生组织变化，从而引起宏观上的物理性质变化，而这些变化，都会给机械带来非常大的危害，因此，在机械加工制造的过程中，我们就要充分考虑到这些问题，在问题未产生
之前通过一些方式方法来避免问题的产生。
对于很多在高温下工作的零件，只考虑室温下的力学性能是不够的，因为热会自动由高温向低温传递，而随着零件温度的上升，零件材料的组织发生变化，从而引起材料的力学性质的改变。因此高温下材料的强度随温度升高和时间的延长而降低。评定材料高温力学性能指标有：蠕变极限和持久强度。建于某些在高温下时不考虑变形量的大小，只考虑在给定应力下使用寿命的零件，如锅炉管道等，持久强度应作为设计的主要依据。对于在高温下对塑性变形要求严格的零件，如燃气机叶片等，在长期工作中只能许有一定量的变形，设计时则必有用蠕变极限作主要依据。高温下零件的失效和室温下零件的失效相似，主要有过量塑性变形、断裂、磨损等。由于温度和应力的同时作用，更加速了塑性变形、裂纹形成和扩展过程，有时同一零件可同时产生几种失效形式。
另外一方面，空调，制冷机，北方供热系统等都是基于传热学的原理设计制造而成的。分别是制冷以及制热。以空调为例
制冷原理：压缩机将气态的氟利昂压缩为高温高压的气态氟利昂，然后送到冷凝器（室外机）散热后成为中温中压的液态氟利昂，所以室外机吹出来的是热风。 液态的氟利昂经 毛细管，进入蒸发器（室内机），空间突然增大，压力减小，液态的氟利昂就会汽化，（从液态到气态是个吸热的过程），吸收大量的热量，蒸发器就会变冷，室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，所以室内机吹出来的就是冷风；空气中的水蒸汽遇到冷的蒸发器后就会凝结成水滴，顺着水管流出去，这就是空调会出水的原因。 然后气态的氟利昂回到压缩机继续压缩，继续循环。 制热的时候有一个叫四通阀的部件，使氟利昂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反，所以制热的时候室外吹的是冷风，室内机吹的是热风。 其实就是用的初中物理里学到的液化（由气体变为液态）时要排出热量和汽化（由液体变为气体）时要吸收热量的原理，同时蒸发热量。
制热原理：热泵制热是利用制冷系统的压缩冷凝器来加热室内空气。空调器在制冷工作时，低压制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热而高温高压制冷剂在冷凝器内放热冷凝。热泵制热是通过电磁换向，将制冷系统的吸排气管位置对换。原来制冷工作蒸发器的室内盘管变成制热时的冷凝器，这样制冷系统在室外吸热向室内放热，实现制热的目的。 3、工程热力学和传热学的发展和趋势 3.1热力学的发展史
古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。
1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。
英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。
热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。
1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。
与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。
二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。 近20多年，现代技术的进步，特别是高参数大容量发电机组的发展，原子能、太阳能、地热能等新能源的开发利用，航天技术的飞速发展，超导、大规模集成电路、机械和生物工程等一系列现代科学技术的进步，推动了传热学科学的迅速发展，其理论体系日趋完善，已经成为现代科学技术中充满活力的基础学科之一。 3.2热力学的发展趋势
如今，人们将发展看作人的基本需求逐步得到满足、人的能力发展和人性自我实现的过程，形成了可持续发展观念并在便于取得共识。人类当今的发展需求，向热力学得出了能量发生，能量利用及能量回收诸多领域的新课题。热力学理论将在不断解决诸如确保自然资源可持续利用、相变传热、物体对外部能量选择性吸收、洁净能源利用技术等级新课题中不断充实、完善和发展。

参考文献：李长友 钱东平《工程热力学与传热学》
北京 中国农业大学出版社
相瑜才 孙维连 《工程材料及机械制造基础》 北京 机械工业出版社