工程熱力學(xué)基礎(chǔ)及理論循環(huán)

1、第一章工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)熱力學(xué)是研究能量（特別是熱能）性質(zhì)及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最早發(fā)展起來(lái)的一個(gè) 分支。它的主要內(nèi)容包括三部分：（）介紹構(gòu)成工程熱力學(xué)理論基礎(chǔ)的兩個(gè)基本定律一熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。（）介紹常用工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。（）根據(jù)熱力學(xué)基本定律，結(jié)合工質(zhì)的熱力性質(zhì)，分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的各種熱力過(guò)程和熱力循環(huán)，闡明提高轉(zhuǎn)換效率的正確途徑。本章僅就工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)作一簡(jiǎn)要闡述，為學(xué)習(xí)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理提供必要的理論基礎(chǔ)和分析計(jì)算方法。氣體的熱力性質(zhì)一、氣體的熱力狀態(tài)及其基本參數(shù)熱機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是靠氣態(tài)工質(zhì)及在特定的條件下不斷地改變它的熱力狀態(tài)（簡(jiǎn)稱狀態(tài)），執(zhí)行

2、某一具體 的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的氣態(tài)工質(zhì)基本上可分為兩類(lèi)：氣體和蒸氣。氣體是指遠(yuǎn)離液態(tài)，不易 液化的氣態(tài)，而蒸氣則是指液態(tài)過(guò)渡過(guò)來(lái)或者比較容易液化的氣態(tài)。內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)是氣體（包括空氣、 燃?xì)夂蜔煔猓?，所以我們僅討論氣體的性質(zhì)。標(biāo)志氣體熱力狀態(tài)的各個(gè)物理量叫做氣體的狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)主要有個(gè)，即壓力、溫度、 比體積、內(nèi)能、始、嫡。其中、可以直接用儀表測(cè)量。且其物理意義易被理解，所以稱為描述工質(zhì) 狀態(tài)最常用的基本狀態(tài)參數(shù)。（一） 壓力氣體對(duì)單位面積容器壁所施加的垂直作用力稱為壓力，按照分子運(yùn)動(dòng)論，氣體的壓力是大量分子向 容器壁面撞擊的統(tǒng)計(jì)量。壓力的單位為，或記作，工程上亦常用與。容器

3、內(nèi)氣體壓力的大小有兩種不同的表示方法。一種是指明氣體施加于器壁上的實(shí)際數(shù)值，叫絕對(duì) 壓力，記作；另一種是測(cè)量時(shí)壓力計(jì)的讀數(shù)壓力，叫表壓力，記作 。由圖可知，表壓力是絕對(duì)壓力高 出于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Φ臄?shù)值。 表壓力、真空度與第對(duì)壓力的關(guān)系其關(guān)系式為:()如果容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力低于外界大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)數(shù)，僅取其數(shù)值，稱之為真空度，記作。即（）真空度的數(shù)值愈大，說(shuō)明愈接近絕對(duì)真空。表壓力、真空度都只是相對(duì)于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Χ缘?。顯然，只有絕對(duì)壓力才是真正說(shuō)明氣體 狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。（二）溫度溫度表示氣體冷熱的程度。按照分子運(yùn)動(dòng)論，氣體的溫度是氣體內(nèi)部分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的 量度，是與

4、氣體分子平均速度有關(guān)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。氣體的溫度愈高，表明氣體分子的平均動(dòng)能愈大。熱力學(xué)溫度（習(xí)慣上稱為絕對(duì)溫度） 是國(guó)際單位制 制中的基本溫度，單位為。選取水的三相點(diǎn) 溫度為基本定點(diǎn)溫度，規(guī)定其溫度為 。等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的， 容許使用攝氏溫度 ，并定 義（）式中： ，即水的冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度。在一般工程計(jì)算中，把 取作 已足夠精確，攝氏溫度每 一度間隔與熱力學(xué)溫度每一度間隔相等，但攝氏溫度的零點(diǎn)比熱容力學(xué)溫度的零點(diǎn)高。熱力學(xué)溫度不可能有負(fù)值。必須指出，只有熱力學(xué)溫度才是狀態(tài)參數(shù)。（三）比體積比體積是單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積：¥神一 或； V- JKV（1-4）m式中：比體積；容

5、積；質(zhì)重0比體積的倒數(shù)稱為密度P。密度是指單位容積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量；比體積的單位為；密度的單位為 。二、熱力系統(tǒng)、工質(zhì)及其平衡態(tài)和熱力過(guò)程（一）熱力系統(tǒng)在熱力學(xué)中，把某一宏觀尺寸范圍內(nèi)的工質(zhì)作為研究的具體對(duì)象，稱為熱力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)。與該 系統(tǒng)有相互作用的其他系統(tǒng)稱為外界。包圍系統(tǒng)的封閉表面就是系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界（或界 面）。邊界可以是真實(shí)的，也可以是假想的。 根據(jù)邊界上物質(zhì)和能量交換情況， 熱力系統(tǒng)分為下述幾類(lèi): （1）開(kāi)口系統(tǒng)，指與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)；（2）封閉系統(tǒng)，指與外界無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)；（3）絕熱系統(tǒng)，指與外界無(wú)熱交換的系統(tǒng)；（4）孤立系統(tǒng)，指與外界即無(wú)熱交換，也無(wú)能量

6、交換的系統(tǒng)。（二）工質(zhì)及其平衡態(tài)工程熱力學(xué)中，把實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互交換的工作物質(zhì)稱為“工質(zhì)”。內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)是空氣和燃 氣。因?yàn)闅怏w具有最好的流動(dòng)性和膨脹性，便于迅速引進(jìn)熱機(jī)，作功以后又能迅速排出熱機(jī)，在相同的 壓差或溫差下，其膨脹比最大，因而能夠更有效地作功。同時(shí)氣體的熱力性質(zhì)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化為理想氣 體。為了對(duì)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換情況進(jìn)行分析計(jì)算，系統(tǒng)中氣體各部分的溫度和壓力必須均勻一致（即處于 熱平衡和力平衡），且不隨時(shí)間而變化，這樣的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài)（簡(jiǎn)稱平衡態(tài)）。處于平衡態(tài)時(shí), 氣體的所有的參數(shù)都有確定的數(shù)值。只要知道兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)（如壓力和溫度）就可確定氣體所處 的狀態(tài)。（三）熱力

7、過(guò)程過(guò)程是指熱力系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總合。熱力系統(tǒng)從一個(gè)平衡（均勻）狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列（無(wú)數(shù)個(gè)）平衡的中間狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀 態(tài)，這樣的過(guò)程稱為內(nèi)平衡過(guò)程。否則便是內(nèi)不平衡過(guò)程。在熱力學(xué)中，常用兩個(gè)彼此獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成坐標(biāo)圖，例如以為縱坐標(biāo)、為橫坐標(biāo)組成的坐標(biāo)圖 （簡(jiǎn)稱壓容圖）來(lái)進(jìn)行熱力學(xué)分析，如圖所示。圖 內(nèi)平衡過(guò)程在 一圖上的表小圖中、分別代表、兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)所確定的兩個(gè)平衡狀態(tài)；曲線代表一個(gè)內(nèi)平衡過(guò)程。如果 工質(zhì)由狀態(tài)變化到狀態(tài)所經(jīng)歷的不是一個(gè)內(nèi)平衡過(guò)程，則該過(guò)程無(wú)法在 一圖上表示，僅可標(biāo) 出、兩個(gè)平衡態(tài)，其過(guò)程用虛線表示?？赡孢^(guò)程：假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷平

8、衡過(guò)程，由狀態(tài)變化到狀態(tài)，并對(duì)外作膨脹功，見(jiàn)圖。如果外界給以相同大小的壓縮功使系統(tǒng)從狀態(tài)反向循著原來(lái)的過(guò)程曲線經(jīng)歷完全相同的中間狀態(tài)回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，外界也回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，即沒(méi)有得到功，也沒(méi)有消耗功，這樣的平衡過(guò)程稱為可逆過(guò)程。只有無(wú)摩擦、無(wú)溫差的平衡過(guò)程才有可逆性，即可逆過(guò)程就是無(wú)摩擦、無(wú)溫差的平衡過(guò)程?？赡孢^(guò)程是沒(méi)有任何損失的理想過(guò)程，實(shí)際的熱力過(guò)程既不可能是絕對(duì)的平衡過(guò)程，又不可避免地會(huì)有摩擦。因此，可逆過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想極限。今后我們所討論的主要是可逆過(guò)程。三、理想氣體狀態(tài)方程式假設(shè)在氣體內(nèi)部其分子不占有體積，分子間又沒(méi)有吸引力，這樣的氣體稱為理想氣體。在熱力計(jì)算和分析中，常常把空

9、氣、燃?xì)?、煙氣等氣體都近似地看作理想氣體。因氣體分子之間的平均距離通常要 比液體和固體的大得多，所以，氣體分子本身的體積比氣體所占的容積小得多；氣體分子之間的相互吸 引力也很小。通常把實(shí)際氣體近似地看作理想氣體來(lái)進(jìn)行各種熱力計(jì)算，所以對(duì)理想氣體性質(zhì)的研究在理論上和實(shí)際上都是很重要的。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論和對(duì)理想氣體的假定，結(jié)合試驗(yàn)所得的一些氣體定律，并綜合表示成理想氣體狀態(tài) 方程式（或稱克拉貝隆方程式）。對(duì)于質(zhì)量為（單位為）的理想氣體，其狀態(tài)方程為：（）對(duì)于質(zhì)量為（單位為）的理想氣體，具總?cè)莘e其狀態(tài)方程為：（'）式中的稱為氣體常數(shù)，它的數(shù)值決定于氣體的種類(lèi)，其單位為：(JAg - K)對(duì)于千

10、摩爾（）理想氣體，其質(zhì)量為 艮（為氣體分子量），其容積為 K），按式（）可以得出 理想氣體的狀態(tài)方程式為：仙 仙（）即（）根據(jù)上式可得：以 （）根據(jù)阿佛加德羅定律：同溫同壓下，相同容積的任何氣體都具有相同數(shù)目的分子。因此，在同溫同 壓下任何氣體的千摩爾容積相等。在物理標(biāo)準(zhǔn)狀況（ 及）條件下，千摩爾容積的數(shù)值等于 22.4m3。 故對(duì)于任何理想氣體的數(shù)值都相同，并稱為通用氣體常數(shù)，將 、及值代入（）可得到：（'）或：（）理想氣體狀態(tài)方程式反映了理想氣體三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系：（），只要知道其中的兩個(gè)參數(shù)就可以通過(guò)該方程求出第三個(gè)參數(shù)。四、工質(zhì)的比熱容在熱力工程中，熱量的計(jì)算常利用比

11、熱容。工質(zhì)的比熱容就是單位量的物質(zhì)作單位溫度變化時(shí)所吸 收或放出的熱量。用符號(hào) 表示。按定義：一而（1-8）式中：一某工質(zhì)在某一狀態(tài)下溫度變化 時(shí)所吸收或放出的熱量。單位是（焦）或（千焦）。比熱容是物質(zhì)的一個(gè)重要的熱力學(xué)性質(zhì)。氣體比熱容數(shù)值與氣體的性質(zhì)、熱力過(guò)程的性質(zhì)和加熱的 狀態(tài)等有關(guān)。（一）比熱容與物量單位的關(guān)系因?yàn)楣べ|(zhì)的計(jì)量單位可用、，工質(zhì)的比熱容有如下三種：質(zhì)量熱容（比熱容），單位為（）摩爾熱容，單位為（）容積熱容，單位為（）（二）比定壓熱容和比定容熱容氣體在壓力不變或容積不變的條件下被加熱是的比熱容，分別叫做比定壓熱容和比定容熱容，通常用腳標(biāo) 和 來(lái)識(shí)別。如定壓千摩爾比熱容記作N （

12、）,定容千摩爾比熱容為 N （ ）等等定義比熱容比。氣體在定壓下受熱時(shí)，由于在溫度升高的同時(shí)，還要克服外界抵抗力而膨脹作功，所以同樣升高C, 比在定容下受熱時(shí)需要更多的熱量。試驗(yàn)表明，理想氣體的比定壓熱容值和比定容熱容值差是一個(gè)常數(shù), 即：jl jl jl()或設(shè)比熱容比和來(lái)表示 、（梅耶公式）又稱絕熱指數(shù),（'）它在工程熱力學(xué)中有很重要的作用，將在以后用到。如果以,由梅耶公式可得C =1,尢7()（三）真實(shí)比熱容和平均比熱容根據(jù)大量精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和比熱容的量子力學(xué)理論，理想氣體的比熱容與壓力無(wú)關(guān)，是溫度的函數(shù),可表示成下式：（）（）式中：、是常數(shù)，它們的數(shù)值隨氣體的種類(lèi)及加熱過(guò)程的不

13、同而異。這種相應(yīng)于每一溫度下的氣體比熱容就叫做真實(shí)比熱容。已知?dú)怏w的真實(shí)比熱容隨溫度變化的關(guān)系 （）時(shí)，氣體由1升到 所需的熱量可按下式計(jì)算:g=面積12才?。▓D1-3）二=面積 1,（圖 13） （1-11）q ”稱為該氣體在S到溫度范圍內(nèi)的“平均比熱*根1t據(jù)真實(shí)比熱編制由oc到七c的平均比熱q 的數(shù)據(jù)表（本書(shū)因限 口于篇幅，未列入），將給考慮變比熱的熱量計(jì)算帶來(lái)很大方便.S1-3真.實(shí)比熱與平均比熱（四）定比熱容在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)溫度變化不大或不要求很精確的計(jì)算時(shí)，常忽略溫度的影響而把理想氣體的比熱 容當(dāng)作常量，只按理想氣體的原子數(shù)確定比熱容，稱為定比熱容，如表所示。表理想氣體的定比熱容理

14、想氣體原子數(shù)定容千摩爾比熱容（）定壓千摩爾比熱容（）單原子氣體XX雙原子氣體XX多原子氣體XX熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。它主要表達(dá)：工質(zhì)經(jīng)歷受熱作功的熱 力過(guò)程時(shí)，工質(zhì)從外界接受的熱量、工質(zhì)因受熱膨脹而對(duì)外界所作出的功、同時(shí)間內(nèi)工質(zhì)部?jī)?chǔ)存或付出 的能量三者之間必須保持收支上的平衡，否則就不符合能量守恒的原則。因此在介紹熱力學(xué)第一定律解 析式之前，對(duì)功、熱量和內(nèi)能作必要的介紹。-、功、熱量和內(nèi)能 （一）工質(zhì)的膨脹功圖可逆過(guò)程的膨脹功圖表示質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)封閉在氣缸內(nèi)進(jìn)行一個(gè)可逆過(guò)程的膨脹作功情況。設(shè)活塞截面面積 為（），工質(zhì)作用在活塞上的力的，

15、活塞被推進(jìn)一微小距離，在這期間，工質(zhì)的膨脹極小，工質(zhì)的壓力近 乎不變，因而工質(zhì)對(duì)活塞作的功為：（）對(duì)可逆過(guò)程，工質(zhì)由狀態(tài)膨脹到狀態(tài)所作的膨脹功為：印二下如（1-13）如果已知工質(zhì)的初、終態(tài)參數(shù)，以及過(guò)程的函數(shù)關(guān)系（），則可求得工質(zhì)的膨脹功，其數(shù)值等于 一 圖上過(guò)程曲線下面所包圍的面積。因此壓容圖也叫示功圖。由圖可見(jiàn)，膨脹功不僅與狀態(tài)改變有關(guān)。而且與狀態(tài)變化所經(jīng)歷的過(guò)程有關(guān)。若氣缸中的工質(zhì)為（單位為），其總?cè)莘e為,膨脹功為:當(dāng)工質(zhì)也是負(fù)值,不是膨脹，而是受到外界壓縮時(shí)，則是外界對(duì)工質(zhì)作功。這時(shí)成為負(fù)值，由式（）算出的負(fù)的膨脹功實(shí)際上表明工質(zhì)接受了外界的壓縮功。（二） 熱力熱量和功一樣不是熱力狀態(tài)

16、的參數(shù)，而是工質(zhì)狀態(tài)改變時(shí)對(duì)外的效應(yīng)，即傳遞中的能量。因此不能說(shuō)：“工質(zhì)在該狀態(tài)下具有多少熱量?！睙崃亢凸Φ母緟^(qū)別在于：功是兩個(gè)物體間通過(guò)宏觀的運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量；熱量則是兩物體間通過(guò)微觀的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。按習(xí)慣， 規(guī)定外界加給系統(tǒng)的熱量為正，而系統(tǒng)放給外界的熱量為負(fù)。國(guó)際單位制規(guī)定功和熱量 的單位都用焦耳（）。（三）工質(zhì)的內(nèi)能工質(zhì)內(nèi)部所具有的各種能量，總稱為工質(zhì)的內(nèi)能。由于工程熱力學(xué)主要討論熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換，不考慮化學(xué)變化和原子核反應(yīng)的熱力過(guò)程，故可以認(rèn)為這兩部分能量保持不變，而認(rèn)為工質(zhì)內(nèi)能是分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和克服分子間作用力的分子位能的總和。分子動(dòng)能

17、是由分子直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、分子內(nèi)原子振動(dòng)能、原子內(nèi)的電子振動(dòng)能等組成，由于工質(zhì)內(nèi)動(dòng)能與位能都與熱能有關(guān)，故也稱工質(zhì)內(nèi)部的熱能。分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能是溫度的函數(shù)，分子間的位能是比體積的函數(shù)。因此工質(zhì)的內(nèi)能取決于工質(zhì)的溫度和比體積，即與工質(zhì)的熱力狀態(tài)有關(guān)。一旦工質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化，內(nèi)能也就跟著改變。 單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能也是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，其單位是 （） 或 （） 。 質(zhì)量為 （單位為）的工質(zhì)的總內(nèi)能（）或（）。工質(zhì)內(nèi)能變化值4只與工質(zhì)的初、終狀態(tài)有關(guān)，而與工質(zhì)由狀態(tài)到狀態(tài)所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)。在熱工計(jì)算中，通常只計(jì)算內(nèi)能變化值，對(duì)內(nèi)能在某一狀態(tài)下的值不感興趣。對(duì)于理想氣體，因假設(shè)其分子間沒(méi)有吸引力，故

18、理想氣體分子間的位能為零，其內(nèi)能僅是溫度的單值函數(shù)。二、封閉系統(tǒng)能量方程式熱力學(xué)第一定律應(yīng)用到不同熱力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中去，可得到不同的能量平衡方程式?，F(xiàn)在討論最簡(jiǎn)單的封閉系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換情況。封閉在氣缸中的定量工質(zhì)，可作為封閉系統(tǒng)的典型例子。假定氣缸中質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)，熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為：（）式中 : 外界加給每工質(zhì)的熱量，； 每工質(zhì)對(duì)外界所作的功，； 每工質(zhì)內(nèi)能的增加，。對(duì)于質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)來(lái)說(shuō)，則其總熱量有式（一）叫做熱力學(xué)第一定律解析式或封閉系統(tǒng)能量方程式。式中各項(xiàng)的值可以是正數(shù)、零或負(fù)數(shù)。若為負(fù)，表 明工質(zhì)對(duì)外界傳出熱量；為負(fù)，表明工質(zhì)接受了外界的壓縮功；為負(fù)，表明

19、工質(zhì)的內(nèi)能減少。以上公式是從熱力學(xué)第一定律直接用于封閉系統(tǒng)導(dǎo)出的，所以它們對(duì)于任何工質(zhì)和任何過(guò)程都是適用的。式（一）清楚地表明，熱量和功的轉(zhuǎn)換通過(guò)工質(zhì)來(lái)完成。如果讓熱機(jī)工質(zhì)定期回到它的初狀態(tài)，周而復(fù)始，循環(huán)不息，就可不斷地使熱量轉(zhuǎn)換為功。此時(shí)每完成一個(gè)閉合的熱力過(guò)程（熱力循環(huán)），工質(zhì)的內(nèi)能不變，即內(nèi)能。根據(jù)式（）,在該周期內(nèi)，工質(zhì)實(shí)際所得到的熱量將全部轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)量的功。這正是熱機(jī)工作的根本道理。由此可見(jiàn)，不消耗熱量，或少消耗熱量而連續(xù)作出超額機(jī)械功的熱機(jī)是不存在的。熱力學(xué)第一定律直接否定了這種創(chuàng)造能量的第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)”。在上面討論的封閉系統(tǒng)的能量平衡方程式中，如果系統(tǒng)經(jīng)歷的是比體積不變的等容過(guò)程，

20、則由式（）由式（）得即工質(zhì)在等容過(guò)程中的加熱或釋放熱量，全部變?yōu)楣べ|(zhì)內(nèi)能的增加或減少。同時(shí)根據(jù)比定容熱容的定義有：故即證明了，對(duì)于理想氣體，內(nèi)能 是溫度的單值函數(shù)。三、開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式與始實(shí)際上，許多熱機(jī)工作時(shí)，工質(zhì)通常都不是永遠(yuǎn)被封閉在熱機(jī)中，而是連續(xù)地（汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)） 或周期地（內(nèi)燃機(jī)、蒸氣機(jī)）將已作功的工質(zhì)排出，并重新吸入新工質(zhì)，工質(zhì)的熱力循環(huán)要在整個(gè)動(dòng)力 裝置內(nèi)完成。對(duì)于有工質(zhì)流入的熱力設(shè)備，作為開(kāi)口系統(tǒng)分析研究比較方便。工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中的流動(dòng)又可分為穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)。對(duì)工程上常見(jiàn)的各種熱功設(shè)備來(lái)說(shuō)，在 正常運(yùn)動(dòng)（即穩(wěn)定工況）時(shí)，工質(zhì)的連續(xù)流動(dòng)情況將不隨時(shí)間變化，表現(xiàn)

21、為流動(dòng)工質(zhì)在各個(gè)截面上的狀 態(tài)和對(duì)外熱量和功量的交換都不隨時(shí)間變動(dòng)，并且同時(shí)期內(nèi)流過(guò)任何截面上的工質(zhì)流量均保持相同。此 工況就叫做穩(wěn)定流動(dòng)。嚴(yán)格地說(shuō)。工質(zhì)出入內(nèi)燃機(jī)的氣缸并不是連續(xù)的，而是重復(fù)著同樣的循環(huán)變化， 每一循環(huán)周期出入氣缸的工質(zhì)數(shù)量相同，也可以按穩(wěn)定流動(dòng)的情況分析。Q圖 開(kāi)口系統(tǒng)工質(zhì)流過(guò)進(jìn)、出口時(shí)的情況Q. UPa如圖所示，質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)在開(kāi)口系統(tǒng)中作穩(wěn)定流動(dòng)，設(shè)系統(tǒng)在過(guò)程中從外界吸收熱量, 并對(duì)外輸出可被利用的機(jī)械功（技術(shù)功）。由圖可知：質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)流進(jìn)界面I I所攜帶進(jìn)去的能量為：動(dòng)能（）（為流速）、位能（為高度）（）、內(nèi)能（）、流動(dòng)功（）0系統(tǒng)從外界吸收的熱量

22、為（）0質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)流出界面n II所攜出的能量為：、，對(duì)外輸出功。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，輸入能量等于輸出能量，即+ 一+%+尸1匕=憶A +幽2+- +京2 +72 為經(jīng)整理后可得:q 二(町 +小為)-(% +pm)+5 一。；)+以乙-4)+網(wǎng)k >.I()或q =3 + A(尸7) + -(AC)2 + gAZ + 郎設(shè)2式()就是開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，它廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴管、鍋爐、泵、壓 縮機(jī)以及節(jié)流裝置等熱力設(shè)備的計(jì)算中。由于流動(dòng)工質(zhì)除了自身內(nèi)能之外，總隨帶推進(jìn)功一起轉(zhuǎn)移，熱力學(xué)中令兩者之和為始，即：()()質(zhì)量為(單位為)的工質(zhì)的始用表示：()

23、(')是質(zhì)量為(單位為)的工質(zhì)的內(nèi)能 和工質(zhì)在流動(dòng)時(shí)，由機(jī)械移動(dòng)而攜帶的功的總和，其中 又稱為流動(dòng)功或推進(jìn)功。既然、都是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，因此由、所決定的始也是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。始被稱為復(fù)合的狀態(tài)參數(shù)。將式()代入式()得：<?=回一句一C；)+g(4 4) + 町田L(fēng)-r= AA + gAZ + % &O由于熱工設(shè)備的進(jìn)口標(biāo)高相差很小， 可忽略不計(jì)。工質(zhì)流速在50m以下時(shí)， < ,也可忽略不 計(jì)，則得簡(jiǎn)化后的開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式：()四、嫡及溫嫡?qǐng)D在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律建立的各種能量平衡方程中，我們知道功和熱量都是能量，只不過(guò)是兩種不 同形式的能量，功量和熱量都是工質(zhì)在狀

24、態(tài)變化過(guò)程中與外界進(jìn)行能量交換的度量，工質(zhì)膨脹對(duì)外輸出 膨脹功在可逆過(guò)程中其大小為：在這里壓力起著動(dòng)力的作用，然而只有壓力，沒(méi)有位移，即沒(méi)有比體積的變化，則不可能有功的交 換。根據(jù)的增大或減小，則可以確定功量的正負(fù)?？梢?jiàn)功量的交換是通過(guò)工質(zhì)的兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)、 來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。并且可以在由、 坐標(biāo)組成的壓容圖上用一塊面積來(lái)圖示功量的大小。如圖（）上曲線下的面積所示。熱量與功量一樣同是過(guò)程量，它們有同一性，對(duì)比起來(lái)分析，系統(tǒng)與外界發(fā)生熱量交換時(shí)，起動(dòng)力作用的是溫度，沒(méi)有溫差就不可能發(fā)生實(shí)際的傳熱，在極限的情況下，系統(tǒng)與外界發(fā)生熱量交換的溫差為無(wú)窮小時(shí)，則屬于可逆的傳熱過(guò)程。顯而易見(jiàn)，有一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它

25、的變化可以判斷熱量的正負(fù)，并且與功量相仿可以構(gòu)成類(lèi)似的表達(dá)式和坐標(biāo)圖，并在類(lèi)似的坐標(biāo)圖上用一塊面積來(lái)圖示熱量。這個(gè)狀態(tài)參數(shù)就是熵。熵是一個(gè)導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)，它的定義式是：（）式中： 可逆過(guò)程中系統(tǒng)與外界交換的微元熱量；可逆過(guò)程時(shí)的溫度（可逆過(guò)程中工質(zhì)與外界的溫度隨時(shí)間保持相等）。熵的定義是：熵的增量等于系統(tǒng)在可逆過(guò)程中交換的熱量除以傳熱時(shí)的絕熱溫度所得的商。質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)的嫡的單位是（）。質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)的嫡的單位是（）。下面證明熵是工質(zhì)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。對(duì)任何工質(zhì)來(lái)說(shuō)，都可以嚴(yán)格地加以證明。這里僅針對(duì)理想氣體作如下證明：質(zhì)量為（單位為）的理想氣體在可逆過(guò)程中的能量平衡為：則:d(?

26、 CvdT + CvdT 尺drds = +T T T v當(dāng)理想氣體由狀態(tài)、經(jīng)歷可逆過(guò)程變化到狀態(tài)、時(shí)，積分上式得:=s2 -凡=,卻苧+血焉其中，第二項(xiàng)只與初、終態(tài)的比體積有關(guān)而與過(guò)程的性質(zhì)無(wú)關(guān)；第一項(xiàng)中是溫度的函數(shù)，故該項(xiàng)積 分也僅與初、終態(tài)的溫度、有關(guān)而與過(guò)程性質(zhì)無(wú)關(guān)。如取為比定容熱容，則上式更簡(jiǎn)化為:二用-用=1In馬Kin”()4 vi既然，參數(shù)從狀態(tài)到狀態(tài)的變化，只與初態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與中間所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)，這就說(shuō)明是狀態(tài)參數(shù)。同功量的圖示相仿，也可用兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù) 、構(gòu)成的狀態(tài)圖來(lái)表示熱量。在一圖上的一點(diǎn)表 示一個(gè)平衡狀態(tài)，一條曲線表示一個(gè)可逆過(guò)程，如圖（）的曲線。(a) P

27、 v 圖71T 56)12q = f -Ids/ / q 一 f * jas >(b) 7 S 圖圖可逆過(guò)程的一圖和一q =Td/面積12凡瓦因此一圖上曲線下的面積表示該過(guò)程中的傳熱量的大小，故一圖又稱為“小熱圖”，它在熱工分析中有重要的功用對(duì)于質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)的熱量 ，可按下式計(jì)算:從表的對(duì)比中,可以清楚地看到嫡與比體積是相互對(duì)應(yīng)的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。嫡是一個(gè)導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)，嫡有如下性質(zhì)：()嫡是一狀態(tài)參數(shù)，如已知系統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參 、數(shù)，即可求出嫡的值:()只有在平衡狀態(tài)下，嫡才有確定的值:()與內(nèi)能和始一樣，通常只需求嫡的變化量4,而不必求嫡的絕對(duì)值。表5W熱量表iA式, W -

28、 fa如,鈾能量傳遞 的方向>>,對(duì)外作功,不作功<<,外對(duì)內(nèi)作功>>，工質(zhì)吸熱 ,絕熱<<,工質(zhì)放熱圖示一圖一圖()嫡是可加性的量，質(zhì)量為(單位為)的工質(zhì)的嫡是質(zhì)量為(單位為)的工質(zhì)嫡的倍，()在可逆過(guò)程中，從嫡的變化中可判斷熱量的傳遞方向一 >系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)絕熱； <系統(tǒng)放熱。()嫡是判據(jù)，判斷自然界一切自發(fā)過(guò)程的嫡變，孤立系。這點(diǎn)性質(zhì)將在本章第四節(jié)中闡述， 讀者再進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)。氣體的熱力過(guò)程工程熱力學(xué)中把熱機(jī)的工作循環(huán)概括為工質(zhì)的熱力循環(huán)，把整個(gè)熱力循環(huán)分成幾個(gè)典型的熱力過(guò)程。并對(duì)熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析，確定過(guò)程中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律

29、，揭示出熱力過(guò)程能量轉(zhuǎn)換的特性。在這個(gè)基礎(chǔ)上總結(jié)出整個(gè)熱力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律。分析過(guò)程的方法是：首先研究理想氣體的可逆過(guò)程，導(dǎo)出過(guò)程方程式，利用過(guò)程方程和理想氣體狀態(tài)方程求出過(guò)程的初、終態(tài)參數(shù)（主要是、 ）之間的關(guān)系式，并按熱力學(xué)第一定律研究熱力過(guò)程中氣體吸收或放出的熱量、內(nèi)能的變化以及對(duì)外所作的功；然后將這種可逆過(guò)程的分析結(jié)果，換算成實(shí)際氣體的不可逆過(guò)程，并引進(jìn)各種有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。由于定容、定壓、定溫和絕熱過(guò)程中各有一個(gè)狀態(tài)參數(shù)（分別為、 和 ）保持不變，且這四個(gè)過(guò)程與實(shí)際熱力設(shè)備中工質(zhì)的狀態(tài)變化較為接近，故稱為基本的熱力過(guò)程。本節(jié)先討論理想氣體的基本熱力過(guò)程。然后討論理想氣體的一般過(guò)程

30、，即多變過(guò)程。一、 定容過(guò)程圖 （） 表示定容加熱過(guò)程，其中活塞不動(dòng)。(b) pf 圖.2(c) TS 圖圖 定容過(guò)程在一圖和一圖上的表示定容過(guò)程中，比體積 保持不變，其過(guò)程方程式為：常數(shù)定容過(guò)程曲線如圖中的曲線或所示。即在 一圖上是一條垂直于 軸的鉛垂線按照常數(shù)和狀態(tài)方程，可求得初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系為:即在定容過(guò)程中，氣體的絕對(duì)壓力與絕對(duì)溫度成正比定容過(guò)程的膨脹功兒 ，因，所以。c -電 q cv d7根據(jù)比熱容的定義，”一dT,可得 r ,若假定 為定值，故定容過(guò)程中工質(zhì)吸如(或放出)的熱量為：q = dT= % （兀-71）（1-25）根據(jù)（），可求得定容過(guò)程中內(nèi)能的變量為：（）（）

31、即定容過(guò)程中工質(zhì)吸入（或放出）的熱量全部轉(zhuǎn)換為工質(zhì)內(nèi)能的增加（或減少）根據(jù)嫡的定義式了 ,又 為定值，故嫡的變量 為：s=r 電= r*一 總 丁 Ji 7 丁方在一圖上（圖-7c）過(guò)程或?yàn)橐粭l對(duì)數(shù)曲線。定壓過(guò)程圖-8a）表示定壓加熱過(guò)程，活塞上的載質(zhì)量保持不變QG）定壓加熱過(guò)程v2V1v2 V(b) pv 圖.T(c) TS 圖圖 定壓過(guò)程在一圖和一圖上的表示在定壓過(guò)程中，壓力 保持不變，其過(guò)程方程為:常數(shù)在一圖上，定壓過(guò)程曲線為一條平行于 軸的水平線(見(jiàn)圖)。根據(jù)常數(shù)和 ，可求得定壓過(guò)程初、終態(tài)參數(shù)關(guān)系為:業(yè)二4()V Ti即在定壓過(guò)程中氣體的比體積與絕對(duì)溫度成正比。定壓過(guò)程中氣體所作的膨

32、脹功為:Cl-26)在一圖上，直線下的面積即為氣體所作的膨脹功。同理。直線下的面積為壓縮功C二甄根據(jù)比熱容的定義 A 一方及 常數(shù)，可求得定壓過(guò)程中的熱量為：*?力；匕八八力（匚73（27）根據(jù)嫡的定義式 及 常數(shù)，則嫡的變量 為：因?yàn)?，故在一圖上，定壓過(guò)程曲線與定容過(guò)程曲線相比較，它是一條較為平坦的對(duì)數(shù)曲線三、定溫過(guò)程在定溫過(guò)程中，溫度保持不變，即常數(shù)，按照狀態(tài)方程，可得定溫過(guò)程方程為:常數(shù)在一圖上定溫過(guò)程為一條等邊雙曲線，如圖-9a）中曲線或所示(b) 7T 圖圖定溫過(guò)程在定溫過(guò)程中，氣體初、終狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系為:()即在定溫過(guò)程中，氣體的絕對(duì)壓力與比體積互成反比。定溫過(guò)程中氣體所作的膨脹

33、功為：dv - ATln = ATln(1-29)匕 P2定溫過(guò)程中，因 ( );(),所以內(nèi)能和燎不變定溫過(guò)程中的熱量，根據(jù)能量平衡方程得：q - W -:五7 In =必片 In (1一30)可見(jiàn)，在定溫過(guò)程，外界加給工質(zhì)的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)對(duì)外所作的膨脹功；反之，外界對(duì)工質(zhì)所 作的壓縮功全部轉(zhuǎn)換為熱量放給外界。dS = 婀根據(jù)嫡的定義式一亍及 常數(shù)，則定溫過(guò)程中氣體嫡的變化為： 5 二廣姆=dq二及丁由"二五ln也二五In包Ji T 7J1 T vx 匕 p2在一圖上，定溫過(guò)程為一條水平線，圖中曲線下面的面積，表示了定溫過(guò)程中氣體所接受的熱量。四、絕熱過(guò)程在絕熱過(guò)程中的每一時(shí)刻

34、，工質(zhì)與外界均不發(fā)生熱交換，即。根據(jù)熱力學(xué)第一定律解析式、理想氣體的性質(zhì)和，可以導(dǎo)出絕熱過(guò)程方程為:對(duì)理想氣體狀態(tài)方程取全微分，則:把這個(gè)結(jié)果代入上式，整理后得：()令，對(duì)上式積分，可得:()即：常數(shù)或式（）即為絕熱過(guò)程方程式。為絕熱指數(shù)或比熱容比，其數(shù)值隨氣體的種類(lèi)和溫度而變。當(dāng)、取為常數(shù)時(shí)，也是定值。對(duì)于空氣和燃?xì)?，。絕熱過(guò)程曲線在一圖上是一條較定溫線斜率大的不等邊雙曲線（高次雙曲線），如圖 -10a）所示(a) *圖dr 2,一二一)(b) T-S 圖圖絕熱過(guò)程由絕熱過(guò)程方程式和理想氣體狀態(tài)方程式，可以得到絕熱過(guò)程氣體初終狀態(tài)參數(shù)的如下關(guān)系式:()(,)("),代入式(),得:

35、絕熱過(guò)程中氣體對(duì)外功量交換為：對(duì)于閉口系統(tǒng)，根據(jù)過(guò)程方程()，則兩'二尸S =%葉；廠，管=與y二卜尸廠巴公履)(1 - 33)1 無(wú)由于，功量公式()還可寫(xiě)成：()()()(')()()()(")在一圖上，絕熱過(guò)程得膨脹功可用曲線下面得面積表示。絕熱過(guò)程氣體內(nèi)能得變量為：A A 。絕熱過(guò)程中的變量為：，即絕熱過(guò)程是不變的過(guò)程，也稱為定過(guò)程，因此在 一圖上絕熱過(guò)程曲線是一條平行 軸的垂直線。五、多變過(guò)程()實(shí)際熱機(jī)中工質(zhì)進(jìn)行的各種熱力過(guò)程通常可表示為:常數(shù)式中 稱為多變指數(shù)，在某一多變過(guò)程中，為一定值，但不同多變過(guò)程的 值各不相同。前述的四種基本熱力過(guò)程都是多變過(guò)程的

36、特例。 例如當(dāng)指數(shù) 時(shí) 常數(shù)，為定壓過(guò)程當(dāng)常數(shù)，為定溫過(guò)程;當(dāng) 常數(shù)，為絕熱過(guò)程；當(dāng) 8"常數(shù)為定容過(guò)程。當(dāng)?shù)扔凇⒁酝獾哪骋粩?shù)值時(shí)，它表示了上述四種基本過(guò)程之外的熱力過(guò)程。的數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際過(guò)程的具體條件來(lái)確定。因此上面討論的絕熱過(guò)程初終狀態(tài)之間的關(guān)系式()、(、)(')、('、)，都將直接適用于多變過(guò)程。表列出的是經(jīng)將式()中的換成即變成式()， (、' )及計(jì)算對(duì)外功量交換的關(guān)系式()、 替換指數(shù)后的有關(guān)公式。表理想氣體的各種熱力過(guò)程（定比熱容）過(guò)程過(guò)程 方程式初終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系功量交換（）熱交換（）多變指 數(shù)比熱容（/（）定容常數(shù)（）±00r I

37、定壓常數(shù)（）或（）（）或定溫常數(shù)（）或（）OO絕熱常數(shù)（）（）（）（）（）（）或（）（）多變常數(shù)（）（）（）（）（）或（）（）（）（）（）()()多變過(guò)程對(duì)外熱量交換與絕熱過(guò)程有所不同，根據(jù)式（），既然多變過(guò)程的外功為:R取二一;一引（JAg）盟一 I同時(shí)，（）則g = c 一一7）出一篤）（J/kg）（1-35）如果用來(lái)表示多變過(guò)程定比熱容，則：二HR 二 C-?2 -1故;()由式()和可得：c = Cy 器用¥*F*(')上式說(shuō)明多變過(guò)程比熱容 的數(shù)值不僅取決于氣體本身（、），還和過(guò)程性質(zhì)（）有關(guān)。(a) P-f 圖Au<0n = too(b) 7一5 圖圖氣體的

38、多變過(guò)程曲線圖表示四種基本熱力過(guò)程曲線畫(huà)在同一個(gè)一圖和一圖上的情況。由圖可知，多變過(guò)程曲線在圖上都依照指數(shù) 的大小按順時(shí)針?lè)较蚺帕校绻鯌B(tài)相同，壓力下降或容積 增加也相同，則過(guò)程指數(shù)越小，所能獲得的膨脹功就越大；同時(shí)，隨著 從降到，氣體對(duì)外傳熱的熱 量也將減小到零。然后，隨著的繼續(xù)減小而需要從外界吸取更多的熱量。從一圖上可看出，以定容線為分解線，右邊的各過(guò)程膨脹功為正，即>；左邊的過(guò)程線<,從一圖上可看出，以定溫線為分解線，上方的各過(guò)程線內(nèi)能增加，A >下方的各過(guò)程線A <。從一圖 上可看出，以絕熱線為分界，右邊各過(guò)程線熱量為正，即 >,外界對(duì)系統(tǒng)加熱，左邊的各

39、過(guò)程線 < ,系統(tǒng)對(duì)外界放熱研究氣體的多變過(guò)程有突出的實(shí)際意義，例如氣體在空氣壓縮機(jī)中的壓縮過(guò)程就是 之間的某一多邊過(guò)程，過(guò)程指數(shù)越小，所需消耗的外功也越小，因此為了節(jié)省壓氣功量，就應(yīng)該設(shè)法加強(qiáng)氣缸 壁的冷卻。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律確定了熱功轉(zhuǎn)換之間的數(shù)量關(guān)系，熱力學(xué)第二定律則指明了實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的條件、限度 以及自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的方向性。一、熱力循環(huán)與熱效率（一）熱力循環(huán)熱變功的根本途徑是工質(zhì)的膨脹。為了連續(xù)不斷地將熱轉(zhuǎn)換為功，工程上是通過(guò)熱機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工 質(zhì)在熱機(jī)氣缸中僅僅完成了一個(gè)膨脹過(guò)程不可能連續(xù)作功。為了重復(fù)地進(jìn)行膨脹過(guò)程，工質(zhì)在每次膨脹 作功之后，必須進(jìn)行某種壓縮過(guò)程，使它恢

40、復(fù)到初態(tài)，以便重新膨脹做工，這種工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò) 一系列變化又回到初態(tài)的封閉過(guò)程，稱為熱力循環(huán)。根據(jù)效果的不同，將熱力循環(huán)分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)，把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的循環(huán)叫正向循 環(huán)；依靠消耗機(jī)械功而將熱量從低溫源向高溫源的循環(huán)叫逆向循環(huán)。(a)內(nèi)一圖(b) 7T 圖圖正向循環(huán)如圖所示，設(shè)質(zhì)量為(單位為)的工質(zhì)進(jìn)行一個(gè)可逆的正向循環(huán)。在一圖上可看出，膨脹過(guò)程線 曲線高于壓縮過(guò)程 曲線，即過(guò)程所作的膨脹功大于過(guò)程所消耗的壓縮功，整個(gè)循環(huán)中 工質(zhì)作出的靜功爐 為正，用表示靜功的絕對(duì)值，在 一圖上封閉曲線所包圍的面積表示的數(shù)值。 在一圖上看出，工質(zhì)的吸熱過(guò)程曲線高于工質(zhì)的放熱過(guò)程曲線，即過(guò)程種工

41、質(zhì)的吸熱量/ 1a大于過(guò)程中工質(zhì)放出的熱量/ ,整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩粗薪邮艿膬魺崃繝t為正，用表示循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩粗薪邮軣崃康慕^對(duì)值，用 表示工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃康慕^對(duì)值，則循環(huán)中工質(zhì)接受的 凈熱量為，它可用一圖上曲線所包圍的面積表示。按熱力學(xué)第一定律，循環(huán)中所接受的凈功 為：爐爐爐，因?yàn)闋t,所以循環(huán)凈功等于循環(huán)凈熱：即熱力循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩此邮艿臒崃?，只有一部分變成循環(huán)凈功，而另一部分熱量放出給低溫?zé)嵩?。（二）熱效率為了評(píng)價(jià)熱力循環(huán)在能源利用方面的經(jīng)濟(jì)性，通常采用熱力循環(huán)的凈功與工質(zhì)從高溫?zé)嵩唇邮艿臒崃康谋戎底鳛橹笜?biāo)，稱為循環(huán)熱效率，用”表示，即：=1-竺()%熱效率是衡量熱機(jī)性

42、的重要指標(biāo)之一，它說(shuō)明了工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃坑卸嗌俎D(zhuǎn)換為功,從式（）可以看出，越小，”越大，但因所以“總小于。二、熱力學(xué)第二定律的幾種表示長(zhǎng)期以來(lái)，人們通過(guò)無(wú)數(shù)熱機(jī)時(shí)間，對(duì)實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的條件有了比較深刻的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)任何熱機(jī)的熱效率不僅不 能超過(guò)，實(shí)際上永遠(yuǎn)達(dá)不到，在這個(gè)事實(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)的出熱力學(xué)第二定律，已被確定為自然界中另一條客觀規(guī)律熱力學(xué)第二定律有許多種表達(dá)式，其實(shí)質(zhì)都完全一致，即都是說(shuō)明實(shí)現(xiàn)某些具體熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程的必要條件的，以 卜兩種說(shuō)法具有普遍意義。（）根據(jù)長(zhǎng)期制造熱機(jī)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出：為了連續(xù)地獲得機(jī)械功，必須有兩個(gè)熱源，熱機(jī)工作時(shí)，從高溫?zé)嵩慈〉?熱量，把其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，把

43、另一部分熱量傳給低溫?zé)嵩础Ｒ虼诉@種表達(dá)方式是：不可能創(chuàng)造出只從熱源吸 熱作功而不向冷源放熱的熱機(jī)，或者說(shuō)單熱源機(jī)是不存在的。從單一熱源不斷吸取熱量而將它全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱機(jī)稱為第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)，因此又可以表述為第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是 不可能實(shí)現(xiàn)的。（）根據(jù)長(zhǎng)期制造制冷機(jī)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出：不管利用什么機(jī)器，都不可能不付出代價(jià)的實(shí)現(xiàn)把熱量由低溫物體轉(zhuǎn)移 到高溫物體。于是熱力學(xué)第二定律又可以表示為熱量不可能自發(fā)地從冷物體轉(zhuǎn)移到熱物體三、卡諾循環(huán)與卡諾定理前已述及，熱機(jī)循環(huán)的熱效率不可能達(dá)到，那么可能達(dá)到的高限究竟是多少？卡諾在年提出了最理 想的熱機(jī)工作方案，即卡諾循環(huán)。（一）卡諾循環(huán)(a) P一v 圖(b) TS

44、 圖圖正向卡諾循環(huán)()如圖所示，卡諾循環(huán)是由兩個(gè)定溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程交錯(cuò)組成的可逆循環(huán)。其中為在溫度較高的 恒溫?zé)嵩礈囟认露▎?wèn)膨脹，吸熱為絕熱膨脹；為在溫度較低的恒溫冷源溫度下定溫壓縮，放熱為絕熱壓 縮。卡諾循環(huán)的熱效率”為：4()()由上式可知：()卡諾循環(huán)的熱效率僅決定于高溫?zé)嵩春偷蜏乩湓吹臏囟?，提高及降低，可以提高卡諾循環(huán) 的熱效率。()由于不可能為無(wú)限達(dá)，不可能為零，所以卡諾循環(huán)的熱效率不可能達(dá)到。()當(dāng)時(shí)，卡諾循環(huán)的熱效率為零即不可能由單一熱源循環(huán)作功。()無(wú)論采用什么工質(zhì)和什么循環(huán)，也無(wú)論將不可逆損失減小到何種程度，在一定的溫度范 圍到之間，不能期望制造出熱效率超過(guò)()的熱機(jī)，最

45、高熱效率也只能接近()，而實(shí)際上是不能達(dá)到的(二)卡諾定理卡諾定理的內(nèi)容是：工作在兩個(gè)恒溫?zé)嵩粗g的循環(huán)，不管采用什么工質(zhì)，如果是可逆的， 其熱效率為()；如果是不可逆的，其熱效率恒小于()，即以卡諾循環(huán)的熱效率為最高?？ㄖZ定理告訴我們，兩個(gè)給定熱源之間的所有循環(huán)種，以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，一切實(shí) 際的循環(huán)都是不可逆循環(huán)，因此實(shí)際循環(huán)的熱效率必小于相同熱源條件下卡諾循環(huán)的熱效率，所以提高 熱效率的途徑是盡量減少過(guò)程的不可逆性，使實(shí)際循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)?？ㄖZ定理還指出了兩個(gè)給定 熱源之間所有的卡諾循環(huán)的熱效率相等，與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，因此影響熱效率的基本因素僅僅是熱源的 溫度。提高熱效率的另一

46、基本途徑是提高高溫?zé)嵩吹臏囟群芙档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟龋瑸榱颂岣邿嵝尸F(xiàn)代 熱機(jī)就是沿著這條途徑發(fā)展的。四、孤立系統(tǒng)的增原理對(duì)于孤立系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的變等于熱源，冷源和工質(zhì)三者嫡變的代數(shù)和，即， 系統(tǒng) /工質(zhì)/熱源 /冷 源。系統(tǒng)嫡變與過(guò)程進(jìn)行的方向之間有如下的關(guān)系，即孤立系統(tǒng)的熱力過(guò)程總是朝著系統(tǒng)的嫡有所增加 的方向進(jìn)行，不可能出現(xiàn)使系統(tǒng)嫡的總量減少的情況，在理想的可逆過(guò)程可以使系統(tǒng)嫡的總量保持不變。即：系統(tǒng) A這就是孤立系統(tǒng)的嫡增原理：“孤立系統(tǒng)的嫡可以增大，或者保持不變，但不可能減少”。嫡增原理可用來(lái)判斷要想實(shí)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的實(shí)際可行性，例如熱量自高溫物體傳到低溫物體，機(jī) 械能變?yōu)闊崮艿龋梢宰C明這

47、些過(guò)程其孤立系統(tǒng)的嫡都是增加的，因此可以自發(fā)進(jìn)行。嫡增原理也是熱力學(xué)第二定律的一種表述。因此熱力學(xué)第二定律也可稱為嫡定律，作為熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在這里，嫡的物理意義得到了更明確的顯示。內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)上節(jié)已經(jīng)指出，在相同的溫度范圍內(nèi)，卡諾循環(huán)的熱效率最高，然而內(nèi)燃機(jī)卻不能按卡諾循環(huán)進(jìn)行工作， 這是因?yàn)楣べ|(zhì)的定溫加熱和定溫放熱不易實(shí)現(xiàn)，且要提高熱效率就必須增大高、低溫?zé)嵩吹臏囟炔?，?使壓力差和壓縮比很大，致使最高極限壓力增高和氣缸長(zhǎng)度增長(zhǎng)，結(jié)果使機(jī)器龐大笨重，單位氣缸容積 的功率很小。一、內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的簡(jiǎn)化與評(píng)價(jià)（一）內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的簡(jiǎn)化內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨

48、脹及排氣等五個(gè)過(guò)程所組成的，在氣缸內(nèi)進(jìn)行非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化，其影響因素也很復(fù)雜（第二章中將闡述）。為了便于研究，在工程熱力學(xué)中通常將內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作循環(huán)加以抽象簡(jiǎn)化，忽略次要因素的影響，概括為由幾個(gè)基本熱力過(guò)程所組成的理想循環(huán)，研究這些理想循環(huán)，可以指明提高內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的方向。通常按以下條件進(jìn)行簡(jiǎn)化：（）假設(shè)工質(zhì)是在閉口系統(tǒng)中進(jìn)行熱力循環(huán)，不考慮進(jìn)、排氣過(guò)程，并忽略氣體流動(dòng)阻力的影響。（）假設(shè)壓縮與膨脹過(guò)程是絕熱過(guò)程，忽略氣缸壁傳熱、摩擦及漏氣等熱損失。（） 假設(shè)以等容過(guò)程、等壓過(guò)程或先等容后等壓過(guò)程向工質(zhì)加熱以代替燃燒過(guò)程；工質(zhì)的放熱過(guò)程則視為等容過(guò)程。（） 以空氣作為循環(huán)中的工質(zhì)

49、并假設(shè)其為理想氣體，其比熱容視為定值，忽略變比熱容的影響。（） 忽略實(shí)際過(guò)程中的各種損失，把循環(huán)的每一過(guò)程都假定為可逆過(guò)程。（二）評(píng)定循環(huán)過(guò)程中質(zhì)和量的指標(biāo).循環(huán)的熱效率”“（）式中：質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)的循環(huán)凈功，；質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)在循環(huán)中吸收的熱量； 質(zhì)量為（單位為）的工質(zhì)在循環(huán)中放出的熱量，。熱效率”可用來(lái)評(píng)定循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。.循環(huán)平均壓力（） 或（ ）式中：一氣缸工作容積循環(huán)平均壓力表示單位氣缸工作容積所作的循環(huán)功，用來(lái)評(píng)定循環(huán)的動(dòng)力性。二、內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)（一）混合加熱循環(huán)（薩巴德循環(huán)）高速柴油機(jī)的燃燒過(guò)程基本上由定容燃燒和定壓燃燒兩個(gè)階段組成，故其工作循環(huán)可以理想化為混合加熱

50、循環(huán)。圖為加熱循環(huán)的一圖和一圖，該循環(huán)由五個(gè)可逆過(guò)程組成：為絕熱壓縮過(guò)程；為定容加熱過(guò)程，吸熱量為；為定壓加熱過(guò)程，吸熱量為 ；為絕熱膨脹過(guò)程；為定容放熱過(guò)程，放熱量為混合加熱循環(huán)的熱效率定義下列循環(huán)特性參數(shù)：壓縮比e壓力升高比入膨脹比p ,表示絕熱膨脹過(guò)程前氣體膨脹程度。后脹比6根據(jù)定義：”。因?yàn)槠渲醒囟ㄈ葸^(guò)程線加入的熱量二冽，但一方）（那為燃?xì)赓|(zhì)量）（g為工質(zhì)的定容比熱）其中沿定壓過(guò)程線加入的熱量四=加.© - 4）（力為工質(zhì)的定比麴循環(huán)中放出熱量 是在定容過(guò)程中進(jìn)行的：?jiǎn)?amp;F令 一一絕熱指數(shù)，將各點(diǎn)溫度都以壓縮始點(diǎn) 的溫度表示：將以上各式代入公式得: 烏、 3F=I=

51、1615區(qū)-0+%(4-看)_ f 7 _碼17G -+灰看-4)小片-1) +牛/-1)1即-1#】鄧-1+口 3-1)()式（）說(shuō)明：混合加熱循環(huán)熱效率與壓縮比、壓力升高比、膨脹比以及工質(zhì)的絕熱指數(shù)有關(guān)。.混合加熱循環(huán)的平均壓力根據(jù)的定義式:因?yàn)镼l。卜+ 國(guó)二十周j一月）二版QE四+川看一篤）=吟研-1+%9-1）1+%8-川所以V* =K -v2 = vL(l-viJ-1二rA = 1 3（41）+林81）屈'；,（）可見(jiàn)，混合加熱循環(huán)平均壓力 隨壓縮始點(diǎn)壓力 、壓縮比e、壓力升高比 入、膨脹比p 及絕熱指數(shù)的增大而增加。（二）定容加熱循環(huán)汽油機(jī)中混合氣燃燒迅速，氣缸內(nèi)溫度、壓

52、力增長(zhǎng)很快，可以認(rèn)為其燃燒過(guò)程基本上是在溶劑不變的條件下進(jìn)行的，即可簡(jiǎn)化為定容加熱循環(huán)。圖為定容加熱循環(huán)一圖和一圖，對(duì)比混合加熱循環(huán)和定容加熱循環(huán)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合加熱的膨脹比p時(shí)，就得到定容加熱循環(huán)，所以定容加熱循環(huán)可以看作混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例。該循環(huán)包括四個(gè)可逆過(guò)程：為絕熱壓縮過(guò)程；為定容加熱過(guò)程，加熱量為； 為絕熱膨脹過(guò)程；為定容放熱過(guò)程，放熱量為。VCa） P v 圖（b） 7 一S g圖定容加熱循環(huán).定容加熱循環(huán)熱效率 由式（），當(dāng)p時(shí)得：()可見(jiàn)，定容加熱循環(huán)的熱效率4°隨壓縮比£及絕熱指數(shù)的增大而增加定容加熱循環(huán)平均壓力由式（），當(dāng)p時(shí)得:小二白（&一勵(lì)

53、二，L（）可見(jiàn)，定容加熱循環(huán)的平均壓力 與壓縮比e、壓力升高比入、進(jìn)氣終點(diǎn)（壓縮終點(diǎn)）壓力 及絕熱指數(shù)有關(guān)。（三）定壓加熱循環(huán)高增壓和低速大型柴油機(jī)中，由于受燃燒最高壓力的限制，大部分燃料是在上只點(diǎn)后壓力基本 上一定的情況下燃燒，其工作循環(huán)可以理想化為定壓加熱循環(huán)。V(a)一產(chǎn)圖0>) T S 革圖定壓加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)一圖和一圖如圖所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合循環(huán)中壓力升高比 入時(shí)，就成為定壓加熱循環(huán)，故定壓加熱循環(huán)也可看作混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，該循環(huán)由四個(gè)可逆過(guò)程組成：為絕熱壓縮過(guò)程；為定壓加熱過(guò)程，加熱量為 ；為絕熱膨脹過(guò)程；為定容放熱過(guò)程，放熱量為定壓加熱循環(huán)的熱效率”由式（），當(dāng)人時(shí)得:可見(jiàn)，定壓加熱循環(huán)熱效率()與壓縮比£、膨脹比p及絕熱指數(shù) 有關(guān)。定壓加熱循環(huán)的平均壓力由式（）當(dāng)人時(shí)得:()可見(jiàn)，定壓加熱循環(huán)平均壓力與壓縮比e、膨脹比p、進(jìn)氣終點(diǎn)壓力 及絕熱指數(shù) 有關(guān)。三、理想循環(huán)的分析和比較（一）理想循環(huán)影響因素的分析根據(jù)以上導(dǎo)出的三種循環(huán)的 “。和 公式，可以分析循環(huán)參數(shù) £入p和絕熱指數(shù)對(duì)循環(huán)熱 效率刀工和平均壓力的影響。.壓縮比£由三種循環(huán)的 4。式可見(jiàn)，隨著e增大，“都提高，提高£ ,可提高循環(huán)平均吸熱溫 度，降低循環(huán)平均放