《工程热力学》讲义

1、课课 程程 概概 述述一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务 1、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括动力性、经济性、排放性等。动力性、经济性、排放性等。 2、分析影响发动机性能指标的因素。、分析影响发动机性能指标的因素。 3、找出提高发动机性能指标的途径。、找出提高发动机性能指标的途径。二、课程的地位和作用二、课程的地位和作用 本课程是一门专业课，为发动机的使用、维本课程是一门专业课，为发动机的使用、维修打基础。本课程在整个课程体系中起承上启修打基础。本课程在整个课程体系中起承上启下的作用，对今后的实际工作起指导作用。下的作用，对今后的实际工作

2、起指导作用。 三、课程主要内容三、课程主要内容 课程的主要内容分两大部分，课程的主要内容分两大部分，工程热力工程热力学基础知识学基础知识部分的重点是发动机的理想循环。部分的重点是发动机的理想循环。发动机原理发动机原理部分的重点是内燃机的燃烧过部分的重点是内燃机的燃烧过程和特性。程和特性。 主要内容包括：工程热力学基础、发动机主要内容包括：工程热力学基础、发动机示功图和性能指标、燃料和燃烧、发动机换气、示功图和性能指标、燃料和燃烧、发动机换气、汽油机混合气的形成与燃烧过程、柴油机混合汽油机混合气的形成与燃烧过程、柴油机混合气的形成与燃烧过程、发动机特性、发动机的气的形成与燃烧过程、发动机特性、发

3、动机的排放与控制等。排放与控制等。四、课程的特点、要求、学时分配、考核四、课程的特点、要求、学时分配、考核特点特点:本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主讲授以理论分析和推导为主。要求要求:要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。对重点章节要熟练掌握。对重点章节要熟练掌握。学时分配：学时分配：总学时总学时4040考核：本课程为考试课，平时考核：本课程为考试课，平时20%20%；考试；考试80%80%。参考书：参考书： 1.汽车发动机原理汽车发动机原理徐兆坤徐兆坤 主编主

4、编 清华大学出版社清华大学出版社 2.汽车发动机拖拉机汽车发动机拖拉机（第（第3版）董敬等主编版）董敬等主编 机械工业出版社机械工业出版社第一章第一章 工程热力学基础工程热力学基础本章要求：本章要求： 了解：热力系统、工质、了解：热力系统、工质、功、热量、内能和熵等功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺概念，理想气体和卡诺循环等。循环等。 理解：热力学第一和第理解：热力学第一和第二定律，图和二定律，图和T图，理想气体的热图，理想气体的热力过程和发动机的理想力过程和发动机的理想循环。循环。 第一节第一节 气体的状态及状态方程气体的状态及状态方程一、热力系统一、热力系统1 1、在热力学中，从若干

5、个物体、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称中规划出所要研究的对象，称为为热力系统热力系统；热力系热力系外界外界界面界面2 2、工质：在热力设备中用来实现热能与其它、工质：在热力设备中用来实现热能与其它形式的能量交换的物质。形式的能量交换的物质。热力设备通过工质状态的变化实现与外界的热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。能量交换。研究对象以外的一切物质，称为外界；研究对象以外的一切物质，称为外界；热力系统和外界的分界面，称为界面。热力系统和外界的分界面，称为界面。二、热力状态与状态参数二、热力状态与状态参数1 1、热力状态：、热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的热力系统

6、在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。宏观物理状况。热力平衡状态：热力平衡状态：当外界条件不变系统内状态长时当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的间不变，即具有均匀一致的P P、V V、T T。2 2、状态参数：、状态参数：用来描述气体热力状态的物理量用来描述气体热力状态的物理量基本状态参数：基本状态参数：可直接测量的状态参数，包括：可直接测量的状态参数，包括：压力压力(P)(P)、比容、比容()()、温度、温度(T)(T)。主要状态参数：主要状态参数：压力压力P P、比容、比容、温度、温度T T、内能、内能、熵、焓。熵、焓。基本状态参数：基本状态参数：1 1、比容：用、比容：用表示，

7、单位是表示，单位是m m3 3/kg/kg 。定义：单位质量的物质所占的容积。即：定义：单位质量的物质所占的容积。即： =V/M=V/MV-V-物质的容积物质的容积,m,m3 3; M-; M-物质的质量，物质的质量， kgkg。比容的倒数是？比容的倒数是？2 2、压力：用、压力：用P P表示，单位是表示，单位是PaPa，MpaMpa、kPakPa。定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。即：即：P=F/A P=F/A 3 3、温度：用、温度：用T T表示，单位是表示，单位是K K。定义：表征物体的冷热程度定义：表征物体的冷热程度（气体分子的平均气体分子的平

8、均动能越大）动能越大）三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程 1 1、理想气体：气体分子本身不占有体积，分、理想气体：气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。子之间无相互作用力的气体。 2 2、理想气体的状态方程：、理想气体的状态方程： P=RT PV= mRT V= m P=RT PV= mRT V= m 对空气，对空气，R=0.287kJ/kgR=0.287kJ/kgK K 3 3、压容图、压容图 气体的状态也可用气体的状态也可用P-P-V V图上的一个点表示，比图上的一个点表示，比较直观。较直观。第二节第二节 热力过程及过程量热力过程及过程量 功：功：dW=Fdx=AP

9、dx=PdVdW=Fdx=APdx=PdV W=PdVW=PdV 故故P-VP-V图上图上, , W W为过程线与横轴围为过程线与横轴围成的面积。成的面积。 一、热力过程一、热力过程 热力系统从一个平衡状热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变态到另一个平衡状态的变化历程。化历程。 P-VP-V图上图上, ,一个点表示一个点表示气体的一个热力状态气体的一个热力状态; ;一条曲线表示一个热一条曲线表示一个热力过程。力过程。二、膨胀功二、膨胀功（）（）气体在热力过程中由于体气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又积发生变化所做的功（又称为容积功）称为容积功）规定：规定：热力系统对外界做功为正

10、，外界对热热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。力系统做功为负。由由W=PdVW=PdV得：得： dV0dV0，膨胀，膨胀,W0,W0， 系统对外界做功；系统对外界做功； dV0dV0，压缩，压缩,W0,W0,W0压缩压缩,W0,W0,Q0,ds0,Q0,吸热吸热; ;ds0,Q0,ds0,Q0放热放热Q0一、热力学第一定律一、热力学第一定律表述为表述为：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。量保持不变。对于一个热力系统：对于一个热力系统： 进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量 = =系统内部储存能量的

11、变化量系统内部储存能量的变化量热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。 它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平衡关系。衡关系。第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律二、内能二、内能- -工质内部所具有的各种能量总称工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的内能，包括：微观能量即系统的内能，包括：宏观能量宏观能量微观

12、能量微观能量内动能内动能内位能内位能内位能与分子间的距离、吸引力有关内位能与分子间的距离、吸引力有关, ,是比容的函数；是比容的函数；内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单值函数。值函数。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子的内动能，仅与温度有关，是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函是温度的单值函数数，用符号，用符号u u表示，单位表示，单位J J。系统本身所具有的能量包括：系统本身所具有的能量包括：动能动能位能位能机械能机械能三、闭口系统的能量方程三、闭口系统的能量方程

13、1 1、定义、定义: : 与外界没有质量交换的系统。与外界没有质量交换的系统。 2 2、能量方程式、能量方程式 Q-W=UQ-W=U故故Q=U+WQ=U+W对于微元过程：对于微元过程：Q=dU+WQ=dU+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=u+w q=u+w （/Kg)/Kg)闭口系统能量方程闭口系统能量方程以上各项均为代数值，可正可负或零，且以上各项均为代数值，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。不受过程的性质和工质性质的限制。 四、理想气体的比热四、理想气体的比热1 1、比热的定义和单位、比热的定义和单位热容量：向热力系统加热（或取热）使之温度升高热容量：向热力系统加热（或

14、取热）使之温度升高（或降低）（或降低）1K1K所需的热量所需的热量, ,用用C C表示。表示。比热：单位质量工质的热容量，用比热：单位质量工质的热容量，用c c表示。即表示。即c=C/m c=C/m 单位单位J/(kgKJ/(kgK）或）或c=dq/dTc=dq/dT（单位质量的物质作单位温度变化时吸（单位质量的物质作单位温度变化时吸放的热量）放的热量） 2 2、比热与过程的关系、比热与过程的关系 功量和热量都是过程量，故比热与过程有关。功量和热量都是过程量，故比热与过程有关。 热 力 过 程 中 最 常 见 的 加 热 过 程 是 保 持 压 力 不 变热 力 过 程 中 最 常 见 的 加

15、 热 过 程 是 保 持 压 力 不 变 和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热和定和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热和定容质量比热，分别以符号容质量比热，分别以符号cP cP 和和c c 表示。绝热指数：表示。绝热指数：K= cP / cK= cP / c 3 3、比热与气体性质、温度的关系、比热与气体性质、温度的关系 实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定值比热（或定比热）。值比热（或定比热）。 五、理想气体内能的计算五、理想气体

16、内能的计算 在保持系统容积不变的加热过程中，单位质量工质在保持系统容积不变的加热过程中，单位质量工质的加热量为：的加热量为： q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由热力学第一定律由热力学第一定律 q=w+uq=w+u推出：推出：u=cu=cv v(T(T2 2-T-T1 1) )内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且且 w =0w =0，第四节第四节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程要求掌握：要求掌握： 1 1、过程的定义；、过

17、程的定义； 2 2、过程方程式；、过程方程式； 3 3、过程中各基本参数之间的关系；、过程中各基本参数之间的关系； 4 4、过程量的计算；、过程量的计算； 5 5、过程曲线，重点掌握、过程曲线，重点掌握P-VP-V曲线，对曲线，对T-ST-S 曲线作一般了解；曲线作一般了解； 6 6、多变过程的概念。、多变过程的概念。工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个典型的热力过程典型的热力过程定容、定压、定温和绝热定容、定压、定温和绝热称为基本热力过程。称为基本热力过程。一、定容过程一、定容过程1 1、定义：、定义：过程进行中

18、系统的容积（比容）保持不变过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式：=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：P P1 1/P/P2 2=T=T1 1/T/T2 2, , P P1 1/T/T1 1=P=P2 2/T/T2 24 4、过程量的计算：、过程量的计算： 由由 W=PdVW=PdV，且且 dV=0 dV=0 w=0w=0 q=u q=u即：加入工质的热量全即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。部转变为工质的内能。又又 q=u+wq=u+w， q=qq=q=u=u =c=c(T(T2 2-T-T1 1) )由由 PV=RT PV=RT

19、 知，知，P/T=P/T=常数，常数，所以：所以：5 5、过程曲线、过程曲线等容加热等容加热温度升高温度升高等容放热等容放热温度降低温度降低二、定压过程二、定压过程 1 1、定义：过程进行中系统的压力保持不变。、定义：过程进行中系统的压力保持不变。 2 2、过程方程式：、过程方程式：P=P=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：由由/T=/T=常数常数 1 1/T/T1 1=2 2/T/T2 2 1 1/2 2=T=T1 1/T/T2 24 4、过程量的计算：、过程量的计算： q qp p=c=cp p(T(T2 2-T-T1 1) )w=Pd=P(w=Pd=P(2 2-1 1) )又

20、又 u u =c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由热力学第一定律：由热力学第一定律： q qp p= =u+pdv=u+pdv=u+du+d（pvpv）= =u+du+d（RT)=RT)=u+RdTu+RdTc cp p(T(T2 2-T-T1 1)=c)=c(T(T2 2-T-T1 1)+R(T)+R(T2 2-T-T1 1) )得得:c cp p=c=c+ R+ R 迈耶公式迈耶公式另外：另外： c cp p/c/c=K=K绝热指数绝热指数5 5、过程曲线、过程曲线等压加热等压加热对外做功对外做功温度升高温度升高21等压放热等压放热对内做功对内做功温度降低温度降低2T-s图上，等压

21、曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。三、定温过程三、定温过程1 1、定义：过程进行中系统的温度保持不变、定义：过程进行中系统的温度保持不变的过程。的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式： T=T=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系： P=RT=P=RT=常数常数P P1 11 1=P=P2 22 2 4 4、过程量的计算、过程量的计算： T=常数常数 所以所以 u=0由由 q=w+ u可得：可得： q=w加入系统的热量全部转换为系统对外界

22、做的功。加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。5 5、过程曲线、过程曲线等温压缩等温压缩对外放热对外放热等温膨胀等温膨胀 吸热吸热22四、绝热过程四、绝热过程 1 1、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递（ q=0 s= q/T=0，故也称定熵过程，故也称定熵过程 ）。）。 2 2、过程方程式：、过程方程式：PvPvk k= =常数常数（推导略）（推导略） K= c cp p/c/c：绝热指数：绝热指数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：由由 PvPvk k= =常数常数 P P1 1v v1 1k k=P=P2 2v v2 2k k P P

23、1 1/P/P2 2=(v=(v2 2/v/v1 1) )k k又又 Pv=RT P=RT/vPv=RT P=RT/v Tv Tvk-1k-1= =常数常数 T T1 1/T/T2 2=(v=(v2 2/v/v1 1) )k-1k-1 T T2 2=T=T1 1(v(v1 1/v/v2 2) )k-1k-1 =T =T1 1k-1k-14 4、过程量的计算：、过程量的计算： q=w+ u q=0推出：推出： w=- u 即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。5 5、过程曲线、过程曲线绝热压缩绝热压缩温度升高温度升高绝热膨胀绝热膨胀温度降低温度降低 五、多变过程五、多变过程 在实际的热力过程中，在实际的热力过程中，P P、T T的变化的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即多变过程来描述。的过程即多变过程来描述。 1 1、过程方程式：、过程方程式：PvPvn n= =常数常数n:n:多变指数