第1章 熱機(jī)與熱功轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律(2003版)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理

(第二版)韓同群主編同濟(jì)大學(xué)鄧鐘明主講北京大學(xué)出版社第一篇熱力工程基礎(chǔ)第1章熱機(jī)與熱功轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律▼▼▼▼熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的過(guò)程1.1

熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)及其參數(shù)1.2

熱功轉(zhuǎn)換的效率1.4

理想氣體的熱力過(guò)程1.31.1熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的過(guò)程熱機(jī)

將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械裝置,是原動(dòng)機(jī)的一種。熱機(jī)的形式

蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)活塞往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)

點(diǎn)燃式汽油機(jī)

壓燃式柴油機(jī)工質(zhì)

實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體1.1熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的過(guò)程熱機(jī)

將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械裝置。是原動(dòng)機(jī)的一種。工質(zhì)

實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體。熱機(jī)的形式

蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)：點(diǎn)燃式或壓燃式1.2熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)及其參數(shù)

1.2.1

狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)

狀態(tài)

熱力系統(tǒng)在某一瞬間呈現(xiàn)的全部宏觀性質(zhì)稱為狀態(tài)

狀態(tài)參數(shù)

描述宏觀狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。平衡狀態(tài)熱力系統(tǒng)在沒有外界作用情況下宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，只有平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)。1.2.1

狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)壓力比體積溫度熱力學(xué)能焓熵基本狀態(tài)參數(shù)①壓力

氣體壓力是組成氣體的大量分子在紊亂的熱運(yùn)動(dòng)中對(duì)容器壁碰撞的結(jié)果，是單位表面積上的垂直作用力。p=F/A式中：p為壓力；F為垂直作用力；A為面積。國(guó)際單位中壓力的單位為Pa,中文名稱為帕。1MPa=106Pa1bar=105Pa（1-1）1.2.1狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)②比體積(比容)

單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的體積稱為比體積。用v表示。單位為m3/kgv=V/m

密度和比體積互為倒數(shù)。③溫度系統(tǒng)溫度表示物體的冷熱程度，描述分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的參數(shù)。（1-4）（1-2）1.2.1狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)④熱力學(xué)能（內(nèi)能）

宏觀靜止的物體，其內(nèi)部的分子、原子等微粒仍在不停地運(yùn)動(dòng)著，這種運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)。物體因物體熱運(yùn)動(dòng)而具有的能量稱為熱力學(xué)能。用符號(hào)U表示，其單位為焦耳(J)。

1kg工質(zhì)所具有的熱力學(xué)能稱為比熱力學(xué)能。用符號(hào)u表示。(1-6)⑤焓

H=U+pV

比焓：1公斤工質(zhì)的焓，用h(J/kg)表示。

h=u+pv

焓是工質(zhì)在某一狀態(tài)下所具有的總能量，它是內(nèi)能U和推動(dòng)功ＰＶ之和，是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，其單位為J或kJ。焓是由狀態(tài)參數(shù)u、p、v組成的綜合量，對(duì)工質(zhì)的某一確定狀態(tài)，u、p、v均有確定的數(shù)值，因而u＋pv的數(shù)值也就完全確定。

熱機(jī)中工質(zhì)流動(dòng)，隨著工質(zhì)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)換的能量不等于熱力學(xué)能而對(duì)于焓。(1-8)（1-7）⑥熵傳熱與否的標(biāo)志，是狀態(tài)參數(shù)

熵是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過(guò)程與外界交換的熱量。其變化可以判斷熱量的正負(fù)。

熵用S（J/K）表示：

s（J/kg.K）為單位質(zhì)量熵，稱為比熵。（1-14）(1-13)熵:熱力系中工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)之一。在可逆微變化過(guò)程中，熵的變化等于系統(tǒng)從熱源吸收的熱量與熱源的熱力學(xué)溫度之比，可用于度量熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ某潭取?/p>

(百度定義)1.2.2狀態(tài)參數(shù)的坐標(biāo)圖

為了分析問(wèn)題的方便，工程上通常采用兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)組成坐標(biāo)圖來(lái)表示工質(zhì)所處的狀態(tài)。p–v圖壓容圖（P16圖1.5，

狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖）T–s圖溫熵圖（p16圖1.5）熱量符合規(guī)定：工質(zhì)從外界吸熱，熱量為正Q＞0，熵增加dS＞0工質(zhì)對(duì)外界放熱，熱量為負(fù)Q＜0，熵減少dS＜0與外界沒熱量交換，熱量等于零，熵不變dS=0熱力過(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)的總和。如果熱力系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)無(wú)摩擦地連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)，這樣的過(guò)程稱可逆過(guò)程。

熱力循環(huán)是封閉的熱力過(guò)程。（P16圖1.6b）1.2.2熱力過(guò)程和循環(huán)

可逆過(guò)程：系統(tǒng)經(jīng)歷一過(guò)程后，如能在過(guò)程逆向進(jìn)行后使外界和系統(tǒng)同時(shí)回復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何變化，則稱該過(guò)程為可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程是無(wú)耗散效應(yīng)（如摩擦、電阻、磁滯等等）的恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過(guò)程。1.2.3

功和熱量

工質(zhì)的能量交換用功和熱量表示功是指熱力系統(tǒng)通過(guò)邊界和外界進(jìn)行的機(jī)械能的交換量。膨脹功，壓縮功，容積功

（單位質(zhì)量氣體做功）(1-9)(1-10)1.2.3功和熱量

熱量是指僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量。Q(J)熱量的特點(diǎn)熱量是兩物體通過(guò)微觀的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。工質(zhì)與外界不通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)而交換能量的表現(xiàn)為熱量交換。

傳熱與否的標(biāo)志用狀態(tài)參數(shù)熵S(J/K)表示。

1.2.3功和熱量

熱量與功的異同：1.都是通過(guò)邊界傳遞的能量；2.都是過(guò)程量；3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫度差推動(dòng),比熵變化是傳熱的標(biāo)志；4.功是物質(zhì)間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量；

熱是物系間通過(guò)紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。熱力過(guò)程中工質(zhì)的能量交換用功和熱量表示熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的應(yīng)用，可以描述為：熱能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，且在相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的總量保持守恒。

（加入熱力系統(tǒng)的能量的總和）-（離開熱力系統(tǒng)能量的總和）=（熱力系統(tǒng)總能量的增量）1.2.4熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式(1-15)熱力系統(tǒng)

熱力學(xué)所研究的對(duì)象。熱力系統(tǒng)可以是一個(gè)物體，一群物體或物體的一部分。外界

與熱力系統(tǒng)有作用關(guān)系的周圍物體。邊界

系統(tǒng)與外界的分界面。閉口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。1.閉口系統(tǒng)（1）公式可用于任何過(guò)程，任何工質(zhì)。（2）Q、W、U為代數(shù)值。當(dāng)熱力學(xué)能增加時(shí)，U>0，當(dāng)熱力學(xué)能減少時(shí)，U<0。（3）對(duì)可逆循環(huán)，因dw=pdv，或du=0，故：

或

對(duì)1kg工質(zhì)而言，有：對(duì)微元過(guò)程而言，有：P19（圖1.9）分析閉口系統(tǒng)的能量方程(1-18)（1-17）得出：在閉口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)和外界交換的熱量等于工質(zhì)熱力學(xué)能的變化與系統(tǒng)所做膨脹功的代數(shù)和。1.閉口系統(tǒng)的能量方程(1-17)2.開口系統(tǒng)加入熱力系統(tǒng)的能量總和：dQ（系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)與外界的熱量交換）+E1（流入工質(zhì)帶入系統(tǒng)的總能量）+（工質(zhì)帶入系統(tǒng)的推動(dòng)功）離開熱力系統(tǒng)能量的總和：dWs（系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)與外界的功量交換）+E2（流出工質(zhì)帶出系統(tǒng)的總能量）+（工質(zhì)帶出系統(tǒng)的推動(dòng)功）熱力系統(tǒng)總能量的增量：dE

式（1-19）是開口系統(tǒng)任何流動(dòng)形式能量普遍關(guān)系式的微元形式。將（1-19）兩邊同時(shí)除以dt,得能量方程的流量表示，如下所示：對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)：

（1）任何截面上所有參數(shù)不隨時(shí)間變化。（2）流入質(zhì)量等于流出質(zhì)量，即（3）系統(tǒng)和外界交換的熱和功等一切能量不隨時(shí)間變化，即

（1-20）（1-19）（4）系統(tǒng)本身能量不隨時(shí)間變化，。將上述條件代入（1-20），對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)：兩邊除以，得單位時(shí)間內(nèi)流入或流出1kg工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)的能量方程式：設(shè)為技術(shù)功

在開口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)與外界交換是熱量等于工質(zhì)比焓的變化與系統(tǒng)所做技術(shù)功的代數(shù)和。（1-21）（1-22）（1-24）開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：（1）（1-24）適應(yīng)任何過(guò)程，任何工質(zhì)。（2）可逆過(guò)程中，

或?qū)ξ⒃^(guò)程p,＞0,系統(tǒng)對(duì)外做功p,＜0,外界對(duì)系統(tǒng)做功或系統(tǒng)消耗功p不變化，=0

（1-24）（1-25a）（1-25b）（4）閉口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)與外界交換的是膨脹功，

開口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)與外界交換的是軸功（即技術(shù)功減去動(dòng)能增量和位能增量的剩余部分）①技術(shù)功與軸功的關(guān)系：②動(dòng)能和位能變化較小時(shí)：③技術(shù)功與膨脹功的關(guān)系：實(shí)際氣體是考慮了分子本身體積和分子間的作用力的氣體。（比體積不很大）理想氣體是指氣體的分子本身不具有體積，分子間也沒有作用力。理想氣體是實(shí)際氣體在低壓高溫時(shí)的抽象。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)壓力不很高時(shí)，很多氣體（如O2、H2）均可按理想氣體進(jìn)行分析和計(jì)算。使問(wèn)題簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果精度符合要求。1.3理想氣體的熱力性質(zhì)

1.3.1理想氣體的熱力過(guò)程1.理想氣體

2.理想氣體狀態(tài)方程式

平衡狀態(tài)下氣體的壓力、溫度及比體積三者之間的關(guān)系式稱為氣體狀態(tài)方程式。1kg氣體mkg氣體nkmol氣體1kmol氣體(1-29)(1-30)（1-26）（1-27）摩爾氣體常數(shù)3.理想氣體的比熱容、熱力學(xué)能和焓

比熱容c（J/kgK）是單位質(zhì)量的物質(zhì)在可逆過(guò)程中溫度升高1℃（或1K）所吸收或放出的熱量定容比熱容定壓比熱容

定容比熱容、定壓比熱容是溫度的單值函數(shù)。(1-32)(1-33)(1-34)4.理想氣體的熵

熵是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過(guò)程與外界交換的熱量.理想氣體定值比熱容過(guò)程熵的變化(1-42)(1-43)（1-39）定容比熱容定壓比熱容

由式（1-42）和（1-43）可見：

理想氣體熵的變化僅與初始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān)，而和它變化所經(jīng)過(guò)的過(guò)程無(wú)關(guān)

理想氣體的熵是狀態(tài)參數(shù)。1.3.2理想氣體的熱力過(guò)程及參數(shù)計(jì)算1.多變過(guò)程與基本熱力過(guò)程

熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程中熱量、熱力學(xué)能、功量的定量計(jì)算有賴于過(guò)程的性質(zhì)，不同的熱力過(guò)程狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律不同導(dǎo)致熱力學(xué)能變化及熱功轉(zhuǎn)換數(shù)量上的不同。

基本熱力過(guò)程：定容過(guò)程、定壓過(guò)程、定溫過(guò)程及定熵過(guò)程（又稱：絕熱過(guò)程）。2.多變過(guò)程參數(shù)計(jì)算（1）滿足方程pvn=常數(shù)的過(guò)程，其中n為常數(shù)（2）狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系：比熱容為定值(1-47)（3）比熵變化：（4）功和熱量的計(jì)算

稱為多變過(guò)程比熱。3.四種基本熱力過(guò)程參數(shù)的計(jì)算通過(guò)分析多變過(guò)程（pvn=常數(shù)），四種基本熱力過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題就迎刃而解了，對(duì)應(yīng)不同的基本熱力過(guò)程問(wèn)題的各種形式只需將不同的n值代入或按照多變過(guò)程的類似的分析方法分析即可。例如對(duì)定溫過(guò)程，已知它是當(dāng)n=1時(shí)的多變過(guò)程，所有相應(yīng)的公式只需將多變過(guò)程中的n換成1即可。

定容過(guò)程定壓過(guò)程定溫過(guò)程絕熱過(guò)程多變指數(shù)n01k

定壓過(guò)程：n=0，斜率

定容過(guò)程：n=，斜率

定溫過(guò)程：n=1，斜率

等熵過(guò)程：n=k，斜率1.3.3四種基本熱力過(guò)程的p-v圖及T-s圖(1-48)多變過(guò)程在p-v圖上的斜率：

定壓過(guò)程：n=0，斜率

定容過(guò)程：n=，斜率

定溫過(guò)程：n=1，斜率

等熵過(guò)程：n=k，斜率1.3.3四種基本熱力過(guò)程的p-v圖及T-s圖Cn:多變過(guò)程比熱多變過(guò)程在T-s圖上的斜率：(1-49)多變過(guò)程在p-v圖和T-s圖的規(guī)律定性分析

定容定壓定溫絕熱(1-21)由圖1.21能分析一熱力過(guò)程轉(zhuǎn)換及比較不同熱力過(guò)程功量及熱量的大?。海?）熱力學(xué)能及焓的增減依定溫線為分界線：在定溫線上方（T-s圖）或右上方（p-v圖）

＞0,則＞0

,

△h＞0

在定溫線下方（T-s圖）或右下方（p-v圖）

＜0，則＜0，△h＜0（2）功量的正負(fù)依定容線為分界線：

在定容線右方（p-v圖）或右下方（T-s圖）

△V＞0，則W＞0，工質(zhì)對(duì)外做功在定容線右方（p-v圖）或右下方（T-s圖）

△V＜0，則W＜0，外界對(duì)工質(zhì)做功（3）熱量的正負(fù)依絕熱線為分界線：

在絕熱線右方（T-s圖）或右上方（p-v圖）

△s＞0，則q＞0,工質(zhì)從外界吸熱在絕熱線左方（T-s圖）或左下方（p-v圖）

△s＜0，則q＜0,工質(zhì)對(duì)外界放熱1.4熱功轉(zhuǎn)換的效率1.4.1熱機(jī)循環(huán)熱力學(xué)第一定律說(shuō)明了熱量和功量?jī)烧咧g可以相互轉(zhuǎn)換，且在數(shù)量上有一定的當(dāng)量關(guān)系，即規(guī)定了熱能與機(jī)械能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中量的守恒關(guān)系。熱力學(xué)第二定律則是從另一個(gè)角度研究熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題，它是關(guān)于解決過(guò)程進(jìn)行的方向、條件和限度等問(wèn)題的規(guī)律熱力循環(huán)

工質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的狀態(tài)變化，重新回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的全部過(guò)程，稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)熱力循環(huán)。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，循環(huán)的全部過(guò)程一定構(gòu)成一個(gè)閉合曲線，整個(gè)循環(huán)可看作一個(gè)閉合過(guò)程。熱機(jī)循環(huán)

將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的循環(huán)稱為熱機(jī)循環(huán)，也稱為正向循環(huán)、熱動(dòng)力循環(huán)。

以1kg工質(zhì)在封閉汽缸中進(jìn)行的正向循環(huán)為例，分析熱機(jī)循環(huán)性質(zhì)。P34頁(yè)圖1.24熱機(jī)循環(huán)Wo:工質(zhì)完成一循環(huán)對(duì)外做出的凈功（循環(huán)功）qo:吸熱量與放熱量之差（循環(huán)凈熱量）由p-v圖可知，熱機(jī)不僅有對(duì)外做功過(guò)程，還必須有耗功過(guò)程。由T-s圖可知，熱機(jī)不僅有吸熱過(guò)程，還必須有放熱過(guò)程。完成一個(gè)正向循環(huán)后全部效果為：1）高溫?zé)嵩捶懦隽藷崃縬1（或熱機(jī)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰醧1）。2）低溫?zé)嵩传@得了熱量q2（或熱機(jī)中工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧醧2）。3）熱機(jī)將(q1－q2)=q0(1-51)的熱量轉(zhuǎn)化為功。4）工質(zhì)與機(jī)器設(shè)備回復(fù)到原來(lái)狀況，沒有變化。1.4.1熱機(jī)循環(huán)結(jié)論

熱機(jī)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩吹玫降臒崮躴1，其中只有部分可以轉(zhuǎn)化為功，在部分熱能（q1－q2）轉(zhuǎn)化為功的同時(shí)，必有另一部分q2傳向低溫?zé)嵩?，后者是使熱能?jīng)過(guò)熱循環(huán)轉(zhuǎn)化成為功的必要條件。因此，一切熱動(dòng)力裝置都只能將從熱源得到的熱量中的一部分轉(zhuǎn)化成為功，這是熱動(dòng)力循環(huán)根本特性。正向循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性用熱效率t來(lái)衡量，即ηt↑，表明吸入同樣的熱量q1時(shí)得到的循環(huán)功w0↑，表明循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性越好。（1.52）熱力學(xué)第二定律的幾種典型表述1.克勞修斯敘述——熱量不可能自發(fā)地不花代價(jià)地從低溫物體傳向高溫物體。（熱量傳遞）2.開爾文—普朗克敘述——不可能制造循環(huán)熱機(jī)，只從一個(gè)熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而不在外界留下任何影響。（熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的方向性）1.4.2熱力學(xué)第二定律卡諾循環(huán)及熱效率

卡諾循環(huán)是指兩個(gè)可逆定溫過(guò)程和兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程組成的封閉循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)卡諾循環(huán)及熱效率等熵等溫圖1.25卡諾循環(huán)及熱效率（卡諾循環(huán)的熱效率公式）(1-53)2）3）第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成；1）卡諾循環(huán)及熱效率利用熱能產(chǎn)生動(dòng)力，一定要有溫度差。（1-53）4）實(shí)際循環(huán)不可能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因：

a）一切過(guò)程不可逆；

b）氣體實(shí)施等溫吸熱，等溫放熱困難；5）卡諾循環(huán)指明了一切熱機(jī)提高熱效率的方向。決定循環(huán)熱效率的根本因素是工質(zhì)吸熱時(shí)溫度和放熱時(shí)溫度?？ㄖZ循環(huán)及熱效率卡諾定理

定理1：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無(wú)關(guān)，與采用哪種工