第0章工程熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、第第0 0章章 工程熱力學(xué)基礎(chǔ)工程熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)：熱力學(xué)：研究熱能以及熱能和其它能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科。研究熱能以及熱能和其它能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科。工程熱力學(xué)：工程熱力學(xué)：研究和熱能工程有關(guān)的熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的研究和熱能工程有關(guān)的熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。規(guī)律。基本任務(wù)：通過對熱力系統(tǒng)、熱力平衡、熱力狀態(tài)、熱力過程、熱力循環(huán)和工質(zhì)的基本任務(wù)：通過對熱力系統(tǒng)、熱力平衡、熱力狀態(tài)、熱力過程、熱力循環(huán)和工質(zhì)的分析研究，改進和完善熱力發(fā)動機、制冷機和熱泵的工作循環(huán)，不斷提高熱能分析研究，改進和完善熱力發(fā)動機、制冷機和熱泵的工作循環(huán)，不斷提高熱能利用率和熱功轉(zhuǎn)換利用率和熱功轉(zhuǎn)換效率效率。 本章學(xué)習(xí)發(fā)動

2、機基本理論所必須的熱力學(xué)知識。其主要內(nèi)容有：1. 常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)；常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)；2. 熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，熱力學(xué)第一定律、第二定律；熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，熱力學(xué)第一定律、第二定律；3. 熱力狀態(tài)變化過程、基本熱力參數(shù)之間的關(guān)系和變化；熱力狀態(tài)變化過程、基本熱力參數(shù)之間的關(guān)系和變化；4. 發(fā)動機理想循環(huán)，探討提高發(fā)動機性能、提高熱效率的方法發(fā)動機理想循環(huán)，探討提高發(fā)動機性能、提高熱效率的方法和途徑，為學(xué)習(xí)發(fā)動機原理提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。和途徑，為學(xué)習(xí)發(fā)動機原理提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。v1. 1. 基本概念及定義基本概念及定義v2. 2. 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)

3、第一定律v3. 3. 氣體的熱力過程氣體的熱力過程v4. 4. 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律v5. 5. 發(fā)動機理論循環(huán)（教材發(fā)動機理論循環(huán)（教材1.11.1）主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、熱力學(xué)系統(tǒng)一、熱力學(xué)系統(tǒng) 熱力學(xué)系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)、熱力系、系統(tǒng)）熱力學(xué)系統(tǒng)（熱力系統(tǒng)、熱力系、系統(tǒng)）人為選定的某些人為選定的某些確定的物質(zhì)或某個確定空間中的物質(zhì)確定的物質(zhì)或某個確定空間中的物質(zhì) 。 外界外界系統(tǒng)之外與系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的一切其他物質(zhì)。系統(tǒng)之外與系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的一切其他物質(zhì)。 邊界邊界分割系統(tǒng)與外界的界面。分割系統(tǒng)與外界的界面。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念及定義基本概念及定義工質(zhì)工質(zhì) 用以實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的

4、工作物質(zhì)。用以實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)。熱源熱源具有無限熱量儲存能力的假想熱力系統(tǒng)，其作用只具有無限熱量儲存能力的假想熱力系統(tǒng)，其作用只是與其他系統(tǒng)交換熱量。一般情況下，交換熱量后其溫度不發(fā)是與其他系統(tǒng)交換熱量。一般情況下，交換熱量后其溫度不發(fā)生變化。生變化。 高溫?zé)嵩矗焊邷責(zé)嵩矗合蚱渌到y(tǒng)供熱的熱源；向其他系統(tǒng)供熱的熱源； 低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩矗何掌渌到y(tǒng)放出熱量的熱源。：吸收其他系統(tǒng)放出熱量的熱源。系統(tǒng)的分類：系統(tǒng)的分類：閉口系統(tǒng)閉口系統(tǒng)與外界無質(zhì)量交換的系統(tǒng)（控制質(zhì)量）。與外界無質(zhì)量交換的系統(tǒng)（控制質(zhì)量）。開口系統(tǒng)開口系統(tǒng)與外界有質(zhì)量交換的系統(tǒng)（控制容積、控制體）。與外界有質(zhì)量交換的系統(tǒng)（控

5、制容積、控制體）。絕熱系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)與外界無熱量交換的系統(tǒng)。與外界無熱量交換的系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)與外界既無能量（功量、熱量）交換，又無質(zhì)量與外界既無能量（功量、熱量）交換，又無質(zhì)量交換的系統(tǒng)。交換的系統(tǒng)。系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便。二、熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)二、熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)基本狀態(tài)參數(shù)：基本狀態(tài)參數(shù)：可以直接測量得到的狀態(tài)參數(shù)（可以直接測量得到的狀態(tài)參數(shù)（p、v、T）。導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)：導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)：由基本狀態(tài)參數(shù)計算得到的狀態(tài)參數(shù)（由基本狀態(tài)參數(shù)計算得到的狀態(tài)參數(shù)（u、h、s等）。等）。v狀態(tài)參

6、數(shù)的特點：狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)。對應(yīng)某一確狀態(tài)參數(shù)的特點：狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)。對應(yīng)某一確定狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之，一組確定的狀態(tài)參定狀態(tài)，就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之，一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個狀態(tài)。數(shù)就可以確定一個狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值僅決定于狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值僅決定于狀態(tài)，而與達到該狀態(tài)的所經(jīng)歷的途徑無關(guān)。而與達到該狀態(tài)的所經(jīng)歷的途徑無關(guān)。1. 熱力學(xué)狀態(tài)：熱力學(xué)狀態(tài)：熱力學(xué)系統(tǒng)所處的宏觀狀況。熱力學(xué)系統(tǒng)所處的宏觀狀況。2. 狀狀態(tài)參數(shù)：態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)的宏觀物理量。描述系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)的宏觀物理量。一、比體積一、比體積v 單位質(zhì)量物質(zhì)占有的體積。單位質(zhì)量物質(zhì)占有的體積。

7、描述系統(tǒng)內(nèi)部描述系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)分布物質(zhì)分布狀況的參數(shù)。狀況的參數(shù)。3. 基本狀態(tài)參數(shù)：基本狀態(tài)參數(shù)：m3/kgmVv 密度和比體積互為倒數(shù)，即密度和比體積互為倒數(shù)，即vVm1kg/m3ebppp 絕對壓力絕對壓力p：流體的真實壓力。流體的真實壓力。 相對壓力相對壓力(表壓力表壓力pe、真空度、真空度pv)：壓力計壓力計(真空表真空表)顯示的壓力。顯示的壓力。二、壓力二、壓力(壓強壓強)p流體在單位面積上的垂直作用力流體在單位面積上的垂直作用力 。 描述流體物質(zhì)組成的熱力系統(tǒng)內(nèi)部描述流體物質(zhì)組成的熱力系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)狀況力學(xué)狀況的參數(shù)。的參數(shù)。vbppp 壓力的單位：壓力的單位：Pa，工程上常用，工程

8、上常用MPa(1 MPa106 Pa)。其他還。其他還在應(yīng)用的壓力單位有在應(yīng)用的壓力單位有bar (巴巴)、 atm (標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)、 mmHg (毫米汞毫米汞柱，柱，0)及及mmH2O (毫米水柱，毫米水柱，4)等等 t T273.15 K三、溫度三、溫度T表征表征物物體的冷熱程度體的冷熱程度 ， 是描述系統(tǒng)是描述系統(tǒng)熱狀況熱狀況的參數(shù)的參數(shù) 。 按氣體分子運動學(xué)說，氣體的溫度為氣體分子平均移動動能的按氣體分子運動學(xué)說，氣體的溫度為氣體分子平均移動動能的量度。量度。 熱力學(xué)溫標(biāo)的基本溫度為熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫標(biāo)的基本溫度為熱力學(xué)溫度T，采用水的固相、液相，采用水的固相、液相和汽相三相

9、共存狀態(tài)的溫度作為定義熱力學(xué)溫標(biāo)的固定點，規(guī)定該和汽相三相共存狀態(tài)的溫度作為定義熱力學(xué)溫標(biāo)的固定點，規(guī)定該點的熱力學(xué)溫度為點的熱力學(xué)溫度為273.16K。 熱力學(xué)溫標(biāo)也用攝氏溫度熱力學(xué)溫標(biāo)也用攝氏溫度t來表示。單位為來表示。單位為(攝氏度攝氏度)。攝氏溫。攝氏溫度的定義為度的定義為4. 平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 平衡狀態(tài)：平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下，熱力系統(tǒng)的宏觀在沒有外界影響的條件下，熱力系統(tǒng)的宏觀狀況不隨時間變化的狀態(tài)。狀況不隨時間變化的狀態(tài)。平衡條件平衡條件：熱平衡熱平衡系統(tǒng)內(nèi)具有均勻一致的溫度。系統(tǒng)內(nèi)具有均勻一致的溫度。力平衡力平衡系統(tǒng)內(nèi)具有確定不變的壓力

10、分布系統(tǒng)內(nèi)具有確定不變的壓力分布 ?；瘜W(xué)平衡化學(xué)平衡 系統(tǒng)狀態(tài)變化，取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。狀態(tài)公理表系統(tǒng)狀態(tài)變化，取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。狀態(tài)公理表明，確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參明，確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)目等于系統(tǒng)和外界間進行能量傳遞數(shù)的數(shù)目等于系統(tǒng)和外界間進行能量傳遞方式的數(shù)目。對于常見的氣態(tài)物質(zhì)組成的方式的數(shù)目。對于常見的氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，沒有化學(xué)反應(yīng)時，它和外界間傳遞系統(tǒng)，沒有化學(xué)反應(yīng)時，它和外界間傳遞的能量只有熱量和系統(tǒng)容積變化功，因此的能量只有熱量和系統(tǒng)容積變化功，因此只要有兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)即可確定系統(tǒng)只要有兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)即可確定系統(tǒng)的狀態(tài)

11、。的狀態(tài)。 熱力過程熱力過程熱力學(xué)狀態(tài)連續(xù)變化的歷程。熱力學(xué)狀態(tài)連續(xù)變化的歷程。非準(zhǔn)靜態(tài)過程非準(zhǔn)靜態(tài)過程由一系列不平衡狀態(tài)組成的過程。由一系列不平衡狀態(tài)組成的過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程由一系列無限接近平衡狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)組成的過程。由一系列無限接近平衡狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)組成的過程。 準(zhǔn)靜態(tài)過程進行的條件：準(zhǔn)靜態(tài)過程進行的條件：推動過程進行的作用推動過程進行的作用無限小。無限小。三、熱力過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程三、熱力過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程 實際過程是否可以作為準(zhǔn)靜態(tài)過程來處理取決于實際過程是否可以作為準(zhǔn)靜態(tài)過程來處理取決于弛豫時間弛豫時間。 弛豫時間：氣體平衡狀態(tài)被破壞后恢復(fù)平衡所需的時間。弛豫時

12、間：氣體平衡狀態(tài)被破壞后恢復(fù)平衡所需的時間。 大部分實際過程可近似看做準(zhǔn)靜態(tài)過程。大部分實際過程可近似看做準(zhǔn)靜態(tài)過程。因為氣體分子熱運動因為氣體分子熱運動平均速度可達每秒數(shù)百米以上，氣體壓力傳播速度也達每秒數(shù)百米，平均速度可達每秒數(shù)百米以上，氣體壓力傳播速度也達每秒數(shù)百米，因而在一般工程設(shè)備的有限空間內(nèi)，氣體的平衡狀態(tài)被破壞后恢復(fù)因而在一般工程設(shè)備的有限空間內(nèi)，氣體的平衡狀態(tài)被破壞后恢復(fù)平衡所需的時間，即弛豫時間非常短。平衡所需的時間，即弛豫時間非常短。 例如，內(nèi)燃機的活塞運動速度僅每秒十余米，與其中的氣體分例如，內(nèi)燃機的活塞運動速度僅每秒十余米，與其中的氣體分子熱運動的平均速度相比相差一個數(shù)

13、量級，機器工作時氣體工質(zhì)內(nèi)子熱運動的平均速度相比相差一個數(shù)量級，機器工作時氣體工質(zhì)內(nèi)部能及時地不斷建立平衡狀態(tài)，因而工質(zhì)的變化過程很接近準(zhǔn)靜態(tài)部能及時地不斷建立平衡狀態(tài)，因而工質(zhì)的變化過程很接近準(zhǔn)靜態(tài)過程。過程。 準(zhǔn)靜態(tài)過程應(yīng)用的條件準(zhǔn)靜態(tài)過程應(yīng)用的條件可逆過程可逆過程熱力學(xué)系統(tǒng)進行一個熱力過程后，熱力學(xué)系統(tǒng)進行一個熱力過程后，能沿原過程逆向進行，使系統(tǒng)和有關(guān)的外界都返能沿原過程逆向進行，使系統(tǒng)和有關(guān)的外界都返回原來的初始狀態(tài)，不留下任何變化的熱力過程?；卦瓉淼某跏紶顟B(tài)，不留下任何變化的熱力過程。 摩擦、渦流以及溫差傳熱等均為不可逆因素。摩擦、渦流以及溫差傳熱等均為不可逆因素。 可逆過程可逆過

14、程= =無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程，即無溫差，無摩擦無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程，即無溫差，無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程的準(zhǔn)靜態(tài)過程四、功四、功1、 定義：定義： 功的定義（力學(xué)）：功的定義（力學(xué)）：WF x 功的熱力學(xué)定義：功的熱力學(xué)定義：熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。 功是過程量；功是傳遞的能量（瞬時量）。功是過程量；功是傳遞的能量（瞬時量）。2 2、容積變化功：、容積變化功：直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳遞的功（膨脹功或壓縮功）。傳遞的功（膨脹功或壓縮功）。3 3

15、、功的計算：、功的計算：由氣缸和活塞所包圍的熱力系統(tǒng)進行一個由氣缸和活塞所包圍的熱力系統(tǒng)進行一個微元過程，如活塞所受推力微元過程，如活塞所受推力F，位移，位移dx, ,則系統(tǒng)對外界作的膨脹功為：則系統(tǒng)對外界作的膨脹功為：xFWd功的符號：系統(tǒng)對外作功（膨脹功，dv0）為正；外界對系統(tǒng)作功（壓縮功,dv0）為負。p-v圖上過程曲線與橫坐標(biāo)所夾的面積表示功。圖上過程曲線與橫坐標(biāo)所夾的面積表示功。4 4、功量在、功量在p-v圖上的表示圖上的表示5 5、功是過程量，與路徑、功是過程量，與路徑( (過程）有關(guān)過程）有關(guān) /對可逆過程對可逆過程，F(xiàn)=pA, ,所以所以wddvpA xp221 211wdv

16、wp，五、熱量五、熱量一、熱量的定義：一、熱量的定義：熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量通過邊界傳遞的能量。二、熱量是過程量；熱量是傳遞的能量（瞬時量）。二、熱量是過程量；熱量是傳遞的能量（瞬時量）。 熱量是物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的熱量是物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量；而功則是物體間通過有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動發(fā)生能量；而功則是物體間通過有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。相互作用而傳遞的能量。三、熱量符號：三、熱量符號：系統(tǒng)吸熱時熱量為正，系統(tǒng)放熱時熱量為負。系統(tǒng)吸熱時熱量為正

17、，系統(tǒng)放熱時熱量為負。 1 1、熱量與功量的類比熱量與功量的類比： 勢（勢參數(shù)）：推動能量傳遞的作用力，如勢（勢參數(shù)）：推動能量傳遞的作用力，如p, T。 狀態(tài)坐標(biāo)：其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標(biāo)志，如狀態(tài)坐標(biāo)：其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標(biāo)志，如v。四、熵的導(dǎo)出及定義：四、熵的導(dǎo)出及定義： 功量：功量： 勢勢：p 狀態(tài)坐標(biāo)狀態(tài)坐標(biāo): :V 熱量：熱量： 勢：勢：T 狀態(tài)坐標(biāo)狀態(tài)坐標(biāo): : ？ 取描述熱量傳遞的狀態(tài)坐標(biāo)為熵：取描述熱量傳遞的狀態(tài)坐標(biāo)為熵：S,單位為單位為J/K。VpWdVpWd2121STQdSTQd2121sTmSTmSTmQqddd2121dsTq因此有因此有對

18、對1kg工質(zhì)工質(zhì)：和和 ，2 2、熵及溫熵圖（熵及溫熵圖（T-sT-s圖）圖）1）熵的定義：熵的增量等于系統(tǒng)在可逆過程中交換的熱量除以傳熱時的絕對溫度所得的商。2）熵是工質(zhì)的一個狀態(tài)參數(shù)3）熵的變化可判斷熱量傳遞的方向。4）T-s圖T-s圖中過程曲線與橫坐標(biāo)所夾的面積表示熱量。revds()qTds0,ds0,系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱六、工質(zhì)的比熱容六、工質(zhì)的比熱容2、影響比熱容的因素、影響比熱容的因素物量單位物量單位質(zhì)量熱容質(zhì)量熱容(比熱容比熱容)c 1kg物質(zhì)溫度升高物質(zhì)溫度升高1K(或或1)所需的熱量，所需的熱量，摩爾熱容摩爾熱容1 mol物質(zhì)溫度升高物質(zhì)溫度升高1 K(或或1 )所需要的熱量，

19、用所需要的熱量，用Cp,m及及Cv,m表示表示 ，單位為，單位為J/(molK)。容積熱容容積熱容標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3的氣體溫度升高的氣體溫度升高1K(或或1)所需所需要的熱量，用要的熱量，用Cp及及Cv表示表示 ，單位為，單位為J/(m3K) 。1 1、定義：、定義： 1 1kg物質(zhì)溫度升高物質(zhì)溫度升高1K(或或1)所需的熱量。所需的熱量。熱力過程性質(zhì)熱力過程性質(zhì)熱量是過程量。比熱容與熱力過程有關(guān)。熱量是過程量。比熱容與熱力過程有關(guān)。定容過程的比熱容稱為定容過程的比熱容稱為比定容熱容比定容熱容cv ,定壓過程的比熱容稱為定壓過程的比熱容稱為比定壓熱容比定壓熱容cp .設(shè)設(shè)比熱比比熱比

20、 k= cp / cv . k又稱絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)。230123caaTa Ta T211 2mt21tqctt比熱容是隨著溫度的升高而增大的。1）真實比熱容 考慮溫度對比熱容的影響2）平均比熱容 考慮溫度對比熱容的影響3）定值比熱容 不考慮溫度對比熱容的影響，把比熱容作為常量。加熱時工質(zhì)的狀態(tài)加熱時工質(zhì)的狀態(tài)七、理想氣體狀態(tài)方程式七、理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝龍方程）：理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝龍方程）： 對對1mol理想氣體：理想氣體： pVmRT R8.314 510 J/(molK) 摩爾氣體常數(shù)；摩爾氣體常數(shù)；Vm摩爾容積，摩爾容積，m3/mol 。 對對1kg理想

21、氣體理想氣體： pvRg T RgR/M氣體常數(shù)氣體常數(shù) ，M摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量 。 對對n (mol)理想氣體理想氣體： pVnRT 對對m (kg)理想氣體理想氣體： pVmRgT 理想氣體狀態(tài)方程式表示了三個基本狀態(tài)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。狀態(tài)方程式：狀態(tài)方程式：三個基本狀態(tài)參數(shù)三個基本狀態(tài)參數(shù)(p,v,T )之間的函數(shù)關(guān)系，之間的函數(shù)關(guān)系， 即即：F(p,v,T)0 顯函數(shù)形式：顯函數(shù)形式：Tf1(p，v)，pf2(v，T)，vf3(p，T) 理想氣體：理想氣體：相互之間相互之間沒有作用力沒有作用力的的質(zhì)點質(zhì)點組成的可壓縮流體。組成的可壓縮流體。第二節(jié)第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律一、

22、熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律熱能可以轉(zhuǎn)換為機械能。機械能也能轉(zhuǎn)換為熱能。轉(zhuǎn)換中能量的總量守恒。即 W = Q J W-功 Q-熱量熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用。二、熱力學(xué)能二、熱力學(xué)能U熱力學(xué)能U是系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和。包括內(nèi)動能（是溫度的函數(shù)）和內(nèi)位能（是壓力或比體積的函數(shù)）。熱力學(xué)能也是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。對理想氣體，熱力學(xué)能僅是溫度的單值函數(shù)。U=f(T)系統(tǒng)的總能量系統(tǒng)的總能量E（J）：UEEEpk宏觀動能宏觀動能宏觀位能宏觀位能三、閉口系統(tǒng)能量方程式三、閉口系統(tǒng)能量方程式 閉口系統(tǒng)與外界間可能發(fā)生的能量交換：閉口系統(tǒng)與外界間可能發(fā)生的能量交換：Q和和W 一

23、般不作整體位移一般不作整體位移，Ek與與Ep的變化均為零，因此與外界交換能的變化均為零，因此與外界交換能量（功量量（功量W、熱量、熱量Q）的結(jié)果只是導(dǎo)致熱力學(xué)能）的結(jié)果只是導(dǎo)致熱力學(xué)能U 的變化。的變化。WUQd 對于熱力過程對于熱力過程1-2, ,有有211221)(WUUQ 對對1kg工質(zhì)，有工質(zhì)，有wuqd211221)(wuuq 正、負號規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負；系統(tǒng)對外作正、負號規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負；系統(tǒng)對外作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負。功為正，外界對系統(tǒng)作功為負。 上式既適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程，也適用于非準(zhǔn)靜態(tài)過程。上式既適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程，也適用于非準(zhǔn)靜態(tài)過程。 對于微元過程

24、，有對于微元過程，有 閉口系統(tǒng)能量方程式說明：閉口系統(tǒng)在熱力過程中從外界接受的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的熱力學(xué)能，另一部分用于對外界作功。v閉口系統(tǒng)能量方程式的應(yīng)用：定容過程的加熱量或放熱量的計算；發(fā)動機壓縮、燃燒、膨脹過程能量計算等。 對可逆過程對可逆過程:vpwd211221d)(vpuuq211221)(wuuq四、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式及焓四、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式及焓1 1、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式整個系統(tǒng)各點的熱力狀態(tài)和流速、流量均不隨時間而變化的流整個系統(tǒng)各點的熱力狀態(tài)和流速、流量均不隨時間而變化的流動稱為穩(wěn)定流動。動稱為穩(wěn)定流動。上式說明：

25、穩(wěn)定流動過程中，系統(tǒng)接受的熱量，一部分用于對上式說明：穩(wěn)定流動過程中，系統(tǒng)接受的熱量，一部分用于對外輸出外輸出軸功軸功及凈及凈推動功推動功，另一部分則用于使流過系統(tǒng)的工質(zhì)，另一部分則用于使流過系統(tǒng)的工質(zhì)增加熱力學(xué)能、宏觀動能及重力位能。增加熱力學(xué)能、宏觀動能及重力位能。v軸功：一般為通過機器軸所傳遞的功。軸功：一般為通過機器軸所傳遞的功。v推動功：在進、出口界面上為推動工質(zhì)進、出系統(tǒng)所傳遞的推動功：在進、出口界面上為推動工質(zhì)進、出系統(tǒng)所傳遞的功。功。2221221 1f2f121s1()()()()2quup vp vccg zzw2 2、焓、焓1）焓的定義焓也是工質(zhì)的一個狀態(tài)參數(shù)。理想氣體的

26、焓也是溫度的單值函數(shù)。(pv=RgT)2）引入焓之后的穩(wěn)定流動能量方程式2221f2f121s1()()()2qhhccg zzwpvuh2221221 1f2f121s1()()()()2quup vp vccg zzw 3）焓的物理意義：焓并不能看作是工質(zhì)儲存的能量，而是隨工質(zhì)流動跨越邊界而轉(zhuǎn)移的能量。熱力學(xué)能是工質(zhì)內(nèi)部儲存能量的唯一形式。mhmpvmudU0由vpuqddpvuh，有vppvhvph-pvqd)(ddd)d(即pvhqdd熱力學(xué)第一定律的另一主要形式。熱力學(xué)第一定律的另一主要形式。，3 3、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用氣體在噴管中的流

27、動；發(fā)動機進氣、排氣過程等。氣體在噴管中的流動；發(fā)動機進氣、排氣過程等。第三節(jié)第三節(jié) 氣體的熱力過程氣體的熱力過程在發(fā)動機中熱能向機械能的轉(zhuǎn)換是通過工質(zhì)狀態(tài)的變化及熱力過程來實現(xiàn)的，因此對熱力過程基本規(guī)律進行分析是很重要的。分析熱力過程的目的是：1、確定熱力過程中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律；2、揭示出熱力過程中能量變換的特性。假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，熱力過程為可逆過程，比熱容為定值比熱容。一、定容過程一、定容過程1、過程方程式 v=常量常量2、 p-v圖、 T-s圖在p-v圖上，定容過程曲線為一條垂直于v軸的鉛垂線。在T-s圖上，定容過程曲線為一條對數(shù)曲線。3、狀態(tài)參數(shù)的變化4、能量的變化（略）121

28、2ppTT 比體積保持不變時系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化所經(jīng)歷的過程。二、定壓過程二、定壓過程1、過程方程式 p=常量常量2、 p-v圖、 T-s圖在p-v圖上，定壓過程曲線為一條平行于v軸的水平線。在T-s圖上，定壓過程曲線為一條較為平坦的對數(shù)曲線。3、狀態(tài)參數(shù)的變化4、能量的變化（略）/1212vvTT 壓力保持不變時系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化所經(jīng)歷的過程三、定溫過程三、定溫過程1、過程方程式 T=常量常量2、 p-v圖、 T-s圖在p-v圖上，定溫過程曲線是一條等邊雙曲線。在T-s圖上，定溫過程曲線是一條平行于s軸的水平線。3、狀態(tài)參數(shù)的變化4、能量的變化（略）2112pvpv 溫度保持不變時系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化

29、所經(jīng)歷的過程四、絕熱過程（定熵過程）四、絕熱過程（定熵過程）1、過程方程式2、 p-v圖、 T-s圖在p-v圖上，絕熱過程曲線是一條高次雙曲線。在T-s圖上，絕熱過程曲線是一條平行于T軸的垂直線。pv常量 系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱量交換時所經(jīng)歷的過程。 無功耗散的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程即為定熵過程，因此有0dTqs3、狀態(tài)參數(shù)的變化4、能量的變化（略）2112pvpv常量12112TvTv常量(1)/2211TpTp常量五、多變過程五、多變過程 (1)過程方程式 各種熱力過程，其過程方程式通常都可以表示為下述形式： 11nnpvp v常量式中，n為多變指數(shù)，- n0, 功量為正。功量為正。 ds0, 熱量為

30、正。熱量為正。/ dT0du0，dh0。3、狀態(tài)參數(shù)的變化4、能量的變化（略）常量常量 nvvpp2112常量常量 12112nvvTT常量常量 nnppTT/ )1(1212第四節(jié)第四節(jié) 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律說明了熱能向機械能轉(zhuǎn)換時過程的方向性、條件及限度問題。一、熱力學(xué)第二定律的兩種表述方法一、熱力學(xué)第二定律的兩種表述方法說法1：開爾文開爾文- -普朗克說法（針對熱功轉(zhuǎn)換問題，說明熱功轉(zhuǎn)普朗克說法（針對熱功轉(zhuǎn)換問題，說明熱功轉(zhuǎn)換條件）：換條件）： “不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只是從單一熱不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只是從單一熱源吸熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣υ次?/p>

31、熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α薄?“第二類永動機（單熱源熱機）是造不成的第二類永動機（單熱源熱機）是造不成的” 。 “熱機的熱效率不可能達到熱機的熱效率不可能達到100%100%” 。即熱機工作時除了有高溫?zé)嵩刺峁崃客?，同時還必須有低溫?zé)嵩?，把一部分來自高溫?zé)嵩吹臒崃颗沤o低溫?zé)嵩?，作為實現(xiàn)把高溫?zé)嵩刺峁┑臒崃哭D(zhuǎn)換為機械功的必要補償 。 說法2：克勞修斯說法（針對傳熱問題，說明克勞修斯說法（針對傳熱問題，說明熱量傳遞過程的方向性。）熱量傳遞過程的方向性。）“不可能使熱量由低溫物體向高溫物體傳遞而不引起不可能使熱量由低溫物體向高溫物體傳遞而不引起其他的變化其他的變化”。即當(dāng)利用制冷機實現(xiàn)由低溫物體向高溫物體

32、傳遞熱量時，還必須消耗一定的機械功，并把這些機械功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃糠懦觯源俗鳛橛傻蜏匚矬w向高溫物體傳遞熱量的補償。 熱力學(xué)第二定律的概括性概括性表述：一切自發(fā)地實現(xiàn)的涉一切自發(fā)地實現(xiàn)的涉及熱現(xiàn)象的過程都是不可逆的。及熱現(xiàn)象的過程都是不可逆的。二、熱力循環(huán)二、熱力循環(huán)使工質(zhì)經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化重新回到原來狀態(tài)的全部過程，稱為熱力循環(huán)。重復(fù)這些循環(huán)就能連續(xù)不斷地把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。循環(huán)又分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。正向循環(huán)正向循環(huán)( (熱機循環(huán)）：熱機循環(huán)）：將燃料燃燒放出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)。逆向循環(huán)（制冷循環(huán)）：逆向循環(huán)（制冷循環(huán)）：消耗一定的機械功，實現(xiàn)熱量由低溫物體向高溫物體

33、傳遞的循環(huán)。1 1、熱機循環(huán)、熱機循環(huán) 吸熱量吸熱量1q 放熱量放熱量2q循環(huán)凈功循環(huán)凈功210qqw 熱機循環(huán)熱效率熱機循環(huán)熱效率1212110t1qqqqqqw 實實踐證明：企圖不向溫度較低的環(huán)境放熱而把高溫物體的熱能踐證明：企圖不向溫度較低的環(huán)境放熱而把高溫物體的熱能連續(xù)地完全轉(zhuǎn)換為機械能是不可能的。連續(xù)地完全轉(zhuǎn)換為機械能是不可能的。 2 2、制冷循環(huán)、制冷循環(huán)吸熱量吸熱量放熱量放熱量耗功耗功制冷系數(shù)制冷系數(shù)2q1q210qqw21202qqqwqv實踐證明，企圖不消耗機械功而實現(xiàn)由低溫物體向高溫物體實踐證明，企圖不消耗機械功而實現(xiàn)由低溫物體向高溫物體傳遞熱量是不可能的。傳遞熱量是不可能

34、的。三、卡諾循環(huán)和卡諾定理三、卡諾循環(huán)和卡諾定理1 1、卡諾循環(huán)的組成、卡諾循環(huán)的組成卡諾循環(huán)：利用兩個熱源，由兩個可逆定溫過程和兩卡諾循環(huán)：利用兩個熱源，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱組成的熱機循環(huán)。個可逆絕熱組成的熱機循環(huán)。2 2、卡諾循環(huán)的熱效率、卡諾循環(huán)的熱效率2r2t,c1r111qTqT 3 3、卡諾定理、卡諾定理在兩個給定的熱源間工作的所有熱機，不可能具有比可逆熱機更在兩個給定的熱源間工作的所有熱機，不可能具有比可逆熱機更高的熱效率。高的熱效率。推論：在兩個給定的熱源間工作的熱機，其循環(huán)熱效率的最大限推論：在兩個給定的熱源間工作的熱機，其循環(huán)熱效率的最大限度等于卡諾循環(huán)的熱效率

35、。度等于卡諾循環(huán)的熱效率?？ㄖZ循環(huán)及卡諾定理的理論指導(dǎo)意義在于它揭示了在一定溫差間工作的熱機循環(huán)的最高極限，指出了提高熱效率的方向即提高工質(zhì)吸熱時的溫度和降低工質(zhì)放熱時的溫度。但提高工質(zhì)吸熱時的溫度往往受金屬材料耐溫性質(zhì)的限制，降低工質(zhì)放熱時的溫度又受限于自然環(huán)境的溫度。所有發(fā)動機的熱效率就必須有一個理論上的極限值。實際循環(huán)由于有摩擦、節(jié)流、渦流以及溫差傳熱等影響因素的存在，其熱效率必低于相應(yīng)的可逆循環(huán)。四、孤立系統(tǒng)的熵增原理四、孤立系統(tǒng)的熵增原理1、孤立系統(tǒng)的熵增原理孤立系統(tǒng)的熵增原理 dSiso0即孤立系統(tǒng)的熵變不可能減小，不可逆過程中孤立系即孤立系統(tǒng)的熵變不可能減小，不可逆過程中孤立系統(tǒng)

36、的熵總是不斷增大，可逆過程中孤立系統(tǒng)的熵保統(tǒng)的熵總是不斷增大，可逆過程中孤立系統(tǒng)的熵保持不變。上述原理稱為孤立系統(tǒng)熵增原理。持不變。上述原理稱為孤立系統(tǒng)熵增原理。2、熵是孤立系統(tǒng)內(nèi)過程方向性的判據(jù)用以判斷過程實現(xiàn)的可能性。凡是符合熵增原理的就能實現(xiàn)，反之，兩者熵的總和減少的過程是不可能實現(xiàn)的。推論：孤立系統(tǒng)內(nèi)過程的方向只能朝著熵增加的方向進行。（因為可逆過程實際是不存在的。）熵增原理給熱力學(xué)分析帶來了很大方便。1 1）以空氣為工質(zhì)，并視為）以空氣為工質(zhì)，并視為理想氣體理想氣體，在整個循環(huán)中工質(zhì)物，在整個循環(huán)中工質(zhì)物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變，理及化學(xué)性質(zhì)保持不變，比熱容為常數(shù)比熱容為常數(shù)。2 2）忽

37、略發(fā)動機進排氣過程忽略發(fā)動機進排氣過程，將實際的，將實際的開口循環(huán)簡化為閉口開口循環(huán)簡化為閉口循環(huán)循環(huán)。3 3）把）把壓縮和膨脹過程壓縮和膨脹過程簡化成理想的簡化成理想的絕熱等熵可逆過程絕熱等熵可逆過程，忽，忽略工質(zhì)與外界的熱量交換及其泄漏對循環(huán)的影響。略工質(zhì)與外界的熱量交換及其泄漏對循環(huán)的影響。4 4）將）將燃燒過程燃燒過程簡化為簡化為等容、等壓或混合加熱過程等容、等壓或混合加熱過程，將，將排氣排氣過程過程 簡化為簡化為等容放熱過程等容放熱過程。5 5）所有過程為可逆過程）所有過程為可逆過程一一、實際循環(huán)向理論循環(huán)簡化的假設(shè)條件實際循環(huán)向理論循環(huán)簡化的假設(shè)條件第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)動機理論循環(huán)發(fā)動

38、機理論循環(huán)（見教材第一章第一節(jié) ）二、理論循環(huán)的評價指標(biāo)二、理論循環(huán)的評價指標(biāo)1、循環(huán)熱效率、循環(huán)熱效率t定義：工質(zhì)所做循環(huán)功與循環(huán)加熱量之比。定義：工質(zhì)所做循環(huán)功與循環(huán)加熱量之比。式中：式中：Wmkg工質(zhì)的循環(huán)凈功工質(zhì)的循環(huán)凈功JQ1、Q2 mkg工質(zhì)在循環(huán)中吸收、放出的熱量工質(zhì)在循環(huán)中吸收、放出的熱量Jt用來評定循環(huán)中的經(jīng)濟性。用來評定循環(huán)中的經(jīng)濟性。2、循環(huán)平均壓力、循環(huán)平均壓力pt定義：單位氣缸工作容積所做的循環(huán)功。定義：單位氣缸工作容積所做的循環(huán)功。式中：式中：Vs氣缸工作容積氣缸工作容積LPt用來評定循環(huán)的動力性。用來評定循環(huán)的動力性。1221111tQQQWQQQ tSWpV (

39、a)(a)等容加熱循環(huán)等容加熱循環(huán) (b)(b)等壓加熱循環(huán)等壓加熱循環(huán) (c)(c)混合加熱循環(huán)混合加熱循環(huán)三、四沖程內(nèi)燃機的理論循環(huán)三、四沖程內(nèi)燃機的理論循環(huán)三、三種理論循環(huán)1、三種理論循環(huán)的p-v圖混合加熱循環(huán)的p-v圖定容加熱循環(huán)的p-v圖定壓加熱循環(huán)的p-v圖 /循環(huán)特性參數(shù)定義：aczczzv壓縮比 = vp壓力升高比 =pv預(yù)脹比 =v 實際循環(huán)：實際循環(huán)： 0 0- -1 1 進氣過程（由于進氣阻力，氣缸內(nèi)壓力稍低于環(huán)境壓力）進氣過程（由于進氣阻力，氣缸內(nèi)壓力稍低于環(huán)境壓力） 1 1- -2 2 壓縮過程（由于傳熱作用，多變指數(shù)變化）壓縮過程（由于傳熱作用，多變指數(shù)變化） 2

40、2- -3 3- -4 4 燃燒過程（燃燒需要時間）燃燒過程（燃燒需要時間） 4 4- -5 5 膨脹膨脹( (作功作功) )過程（由于傳熱，多變指數(shù)變化）過程（由于傳熱，多變指數(shù)變化） 5 5- -0 0 自由排氣過程強制排氣過程自由排氣過程強制排氣過程（一）、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）（一）、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)） 理想化： 1. 熱力過程的理想化熱力過程的理想化 進氣過程0-1大氣壓力下定壓進氣 壓縮過程1-2定熵（絕熱）壓縮 燃燒過程2-3定容加熱3-4定壓加熱（外熱源加熱） 膨脹過程4-5定熵（絕熱）膨脹 排氣過程5-1定容放熱1-0定壓線2 2. .工工質(zhì)以理想氣體對待質(zhì)以理想

41、氣體對待3.3. 開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)（進排氣功近似相等，相互抵消）得到如下理論循環(huán)。（進排氣功近似相等，相互抵消）得到如下理論循環(huán)。)()()(1340230150112tTTcTTcTTcqqqpVV 混合加熱循環(huán)的熱效率：混合加熱循環(huán)的熱效率：利用內(nèi)燃機的特性參數(shù)來表示熱效率：利用內(nèi)燃機的特性參數(shù)來表示熱效率： 壓縮比：壓縮比：21vv壓力升高比：壓力升高比：112112112TTvvTT23pp1-2為絕熱過程2-3為定容過程3-4為定壓過程11232323TTTppTT預(yù)脹比：預(yù)脹比：34vv4-5為絕熱過程11343434TTTvvTT11213411415

42、445vvvvvvvvTT1111145TTTT混合加熱循環(huán)熱效率混合加熱循環(huán)熱效率將各點溫度與特性參數(shù)的關(guān)系代入熱效率表達式，得到將各點溫度與特性參數(shù)的關(guān)系代入熱效率表達式，得到) 1() 1(1111tt const, const,t, const,可見：。；混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功：混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功：)()()()(1503402302110TTcTTcTTcqqqwppV 利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到)1()1() 1(1100TcwV)1()1() 1(1111vp0 , ,w可見：。（二）、定容加熱循環(huán)和定壓加熱循環(huán)（二）、定容加熱循環(huán)和定壓加熱循環(huán)定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)）定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)） 特點：特點：1，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將1代入混合加熱循環(huán)的熱效代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)