第1章 基本概念

1、第一章第一章 基本概念基本概念Basic Concepts and Definition1-1 1-1 热能在热机中转变为机热能在热机中转变为机 械能的过程械能的过程奥迪奥迪( (进口进口)-)-奥迪奥迪A8A8发动机发动机电动机总功率电动机总功率( (kW)kW)排量排量( (mL)mL)最大功率最大功率( (kW)kW)进气形式进气形式缸径缸径( (mm)mm)行程行程( (mm)mm)奥迪奥迪A8 2016A8 2016款款 A8L 30 A8L 30 FSI FSI 舒适型舒适型2.5L 2042.5L 204马力马力 V6V6- -24982498150150自然吸气自然吸气- -

2、-奥迪奥迪A8 2016A8 2016款款 A8L 40 A8L 40 hybridhybrid2.0T 2112.0T 211马力马力 L4L4404019841984155155涡轮增压涡轮增压- - -奥迪奥迪A8 2016A8 2016款款 A8L 45 A8L 45 TFSI quattroTFSI quattro时尚型时尚型3.0T 2903.0T 290马力马力 V6V6- -29952995213213机械增压机械增压84.584.58989奥迪奥迪A8 2016A8 2016款款 A8L 60 A8L 60 TFSI quattroTFSI quattro豪华型豪华型4.0T

3、 4354.0T 435马力马力 V8V8- -39933993320320双涡轮增双涡轮增压压- - -奥迪奥迪A8 2016A8 2016款款 A8L 6.3 A8L 6.3 FSI W12 quattroFSI W12 quattro旗舰型旗舰型6.3L 5006.3L 500马力马力 W12W12- -62996299368368自然吸气自然吸气868690.490.4活塞活塞曲柄连杆机构曲柄连杆机构气缸气缸四冲程内燃机工作过程四冲程内燃机工作过程进气排气2.压缩3.燃烧、膨胀1.吸气4.排气 研究热机（内燃机）中将热能（燃油燃烧释放的研究热机（内燃机）中将热能（燃油燃烧释放的化学能）

4、转化成机械能（输出动力）的过程，首化学能）转化成机械能（输出动力）的过程，首先要建立一个研究对象先要建立一个研究对象-热力系统热力系统，要有热能的来，要有热能的来源（燃料燃烧）和去处（尾气等中的热能排到环源（燃料燃烧）和去处（尾气等中的热能排到环境）境）-热源热源，要有热能转化成机械能的媒介物（燃，要有热能转化成机械能的媒介物（燃气）气）-工质工质 工质工质: 热源热源:工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。 高温热源（热源高温热源（热源-heatsource） 低温热源（冷源低温热源（冷源heatsink） 恒温热源恒温热源(constantheatre

5、servoir) 变温热源变温热源1-2 热力系统（或称热力系）热力系统（或称热力系）热力系统：热力系统：人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统系统，简称为简称为系统系统或或热力系热力系。外界：外界：系统以外的一切物质系统。系统以外的一切物质系统。边界：边界：系统与外界的界面。系统与外界的界面。系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移系统与外界之间，通过边界进行能量的传递与物质的迁移。一、热力系统一、热力系统二、热力系统分类二、热力系统分类（一）以系统与外界关系划分：（一）以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口

6、系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传功是否传功 非绝功系非绝功系 绝功系绝功系是否传热、功、质是否传热、功、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系 注意：注意：1、系统与外界的人为性；、系统与外界的人为性； 2、边界可以是：、边界可以是： a）刚性的或可变形的或有）刚性的或可变形的或有 弹性的弹性的 b）固定的或可移动的）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的）实际的或虚拟的 边界特性边界特性真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动系系 统统系系 统统热力系、界面、外界热力系、界面、外界例例研究气缸中的气体研究气缸中的气体(打开阀门打开阀门)。是什么热力系？。是什么

7、热力系？1234mQW1 开口系开口系非孤立系相关外界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系物理化学性质物理化学性质 均匀系均匀系 非均匀系非均匀系工质种类工质种类多元系多元系单元系单元系相态相态多相多相单相单相（二）热力系统其它分类：（二）热力系统其它分类：思考题思考题结论结论： 1、不计恒外力场影响不计恒外力场影响； 2、多相系未必不均匀多相系未必不均匀湿蒸汽；湿蒸汽； 单元系未必均匀单元系未必均匀气液平衡分离状态气液平衡分离状态； 1、多相系一定不均匀。、多相系一定不均匀。2、单元系一定是均匀的。、单元系一定是均匀的。

8、简单可压缩系统简单可压缩系统 simplecompressiblesystem体积变化功体积变化功压缩功压缩功膨胀功膨胀功定义：定义：由可压缩物质组成，无化学反应、与外界只由可压缩物质组成，无化学反应、与外界只有交有交 换体积变化功的有限物质系统换体积变化功的有限物质系统。1-3 1-3 状态和状态参数状态和状态参数状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：状态参数的特征：1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然2、状态参数的积分特征状态参数的积分

9、特征：状态参数的变化量：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征状态参数的微分特征：全微分：全微分状态参数的积分特征状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。初终态有关。数学上：数学上：点函数、态函数点函数、态函数1 2ab 0dz212, 12, 112abzzdzdzdz例：温度变化例：温度变化山高度变化山高度变化状态参数的微分特征状态参数的微分特征设设 z z =z z (x , y)dz z是全微分是全微分yxzzdzdxdyxy充要条件：充要条件：22zzx yy x 可判断是否可判

10、断是否是状态参数是状态参数状态参数的分类状态参数的分类 基本状态参数基本状态参数 能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为能够用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。 导出状态参数导出状态参数不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为不能用仪器仪表直接或间接测量的参数称为。如如 ：温度、压力、比容：温度、压力、比容如：热力学如：热力学（内能）、焓、熵。内能）、焓、熵。 按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分3m /kgVvm3kg/mmV3N/mGmgVV. .压力压力 热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。2N/mFpA表

11、达式表达式或或Pa上式计算出的是热力系的真实压力称为上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力绝对压力 p p。3561kPa10 Pa1bar10 Pa1MPa=10 Pa常用的压力单位间的关系常用的压力单位间的关系测量的压力测量的压力一般是一般是工质绝对压力与环境压力的工质绝对压力与环境压力的相对值相对值相对压力相对压力注：注：barometricpressure（atmosphere）bppbppvpbpbppp真空度ebppppevbppp表压力例题例题1-l某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装有压力计，如图同部位安装有压力计，如图1-

12、2所示，设大气压力为所示，设大气压力为97 kPa97 kPa。 (1)若压力表若压力表B、表、表C的读数分别的读数分别为为75 kPa，011 MPa，试确定，试确定压力表压力表A上的读数，及容器两部上的读数，及容器两部分内气体的绝对压力。分内气体的绝对压力。(2)若表若表C为真空计，读数为为真空计，读数为24 kPa，压力表，压力表B的读数为的读数为36 kPa36 kPa，试问表试问表A A是什么表是什么表? ?读数是多少读数是多少? ?解: (1)因 由上式得由上式得 则则 或或 eBeAbeBeCbppppppp p)(35kPa75110pppeBeCeAeBeAeCppp207k

13、Pa11097pp peCb132kPa3597pppeAb132kPa75207ppp eB(2)(2)由表由表B B为压力表知，为压力表知，p pI I p p；又由表；又由表C C为真空计知为真空计知 所以，表所以，表A一定是真空计。于是一定是真空计。于是则则 ppp beBvAbeBvCbppppppp p)(60kPa3624pppeBvCvA讨论(1)需要注意的是，不管用什么压力计，测需要注意的是，不管用什么压力计，测得的都是工质的绝对压力得的都是工质的绝对压力p和环境压力之和环境压力之间的相对值，而不是工质的真实压力。间的相对值，而不是工质的真实压力。(2)这个环境压力是指测压计

14、所处的空间压这个环境压力是指测压计所处的空间压力，可以是大气压力力，可以是大气压力pb，如题目中的表，如题目中的表A、表表C C。也可以是所在环境的空间压力，如。也可以是所在环境的空间压力，如题目中的表题目中的表B B，其环境压力为，其环境压力为pp。1)温度温度T 的一般定义的一般定义传统：冷热程度的度量。传统：冷热程度的度量。微观：衡量分子平均动能的量度微观：衡量分子平均动能的量度 2 c m 0.5 T3.3.温度温度2)热力学第零定律热力学第零定律温度的热力学定义温度的热力学定义热力学第零定律热力学第零定律（R.W. Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于如果两个系统分别与第三

15、个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的温度测量的理论基础理论基础B 温度计温度计3)温度的热力学定义温度的热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系，处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量此宏观特征的物理量 温度温度。 温度是确定一个系统是否与其它系温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量统处于热平衡的物理量4)温度的测量温度的测量温度温度计计物质物质 （水银，铂电阻）（水银，铂电阻）特性特性 （体积膨胀，阻值）（体积膨胀，阻值）基准点基准点刻度刻

16、度温标温标热力学温标热力学温标5)5)常用的温标常用的温标摄氏温标摄氏温标 t 基基 准准 点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准点：标准大气压力下纯水的冰点和沸点温度为基准 点，规定冰点温度为点，规定冰点温度为0。沸点温度为。沸点温度为100。分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性分度方法：认定测温物质的测温属性随温度的变化是线性 的。的。00与与100100这两个基准点之间分成这两个基准点之间分成100100等分等分, , 每一等分为每一等分为1 1度。度。基基 准准 点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点( (三相三相 点点)

17、)为基准点，并规定它的温度为为基准点，并规定它的温度为273.16K。 常用的温标常用温标（常用温标（temperaturescale）绝对绝对K摄氏摄氏 华氏华氏 朗肯朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点冰熔点水三相点水三相点盐水冰点盐水冰点发烧发烧水沸点水沸点559.67摄氏温标（摄氏温标（Celsiustemperaturescale）摄氏温标是瑞典物理学家、天文学家，瑞典科学院院士安德斯摄氏温标是瑞典物理学家、天文学家，瑞典科学院院士安德斯摄尔修斯（摄尔修

18、斯（AndersCelsius，17011744）在在1742年首先提出的一种经验温标。年首先提出的一种经验温标。安德斯安德斯摄尔修斯在总结前人经验的基础上，摄尔修斯在总结前人经验的基础上，1742年创立了摄氏温标。这是年创立了摄氏温标。这是摄尔修斯对热学不可磨灭的贡献。他把水银温度计插人正在熔解的雪中，定摄尔修斯对热学不可磨灭的贡献。他把水银温度计插人正在熔解的雪中，定为冰点作为一个标准温度点；然后又把温度计插入沸腾的水中，定为沸点作为冰点作为一个标准温度点；然后又把温度计插入沸腾的水中，定为沸点作为另一个标准温度点（这其中实际上暗含了正常大气压这个条件）。并把冰为另一个标准温度点（这其中实

19、际上暗含了正常大气压这个条件）。并把冰点和沸点之间等分点和沸点之间等分100度，所以摄氏温标又叫百分温标。为了避免测量低温度，所以摄氏温标又叫百分温标。为了避免测量低温时出现负值，他把水的沸点定为零度，而冰点定为时出现负值，他把水的沸点定为零度，而冰点定为100度。到度。到1750年根据他年根据他的同事的同事M.施勒默尔的建议，把这种标度倒转过来，以冰点为零度，沸点为施勒默尔的建议，把这种标度倒转过来，以冰点为零度，沸点为100度。开始人们称它为度。开始人们称它为“瑞典温度计瑞典温度计”，大约在，大约在1800年人们才称它为摄氏年人们才称它为摄氏温度计。温度计。1948年在巴黎召开的第九届国际

20、计量大会根据年在巴黎召开的第九届国际计量大会根据“名从主人名从主人”的惯例的惯例，把百分温标正式命名为，把百分温标正式命名为“摄氏温标摄氏温标”，以纪念摄尔修斯。摄氏温标的单位，以纪念摄尔修斯。摄氏温标的单位是是“摄氏度摄氏度”，用，用表示。摄氏温度现在仍然是世界通用的温度数值表示方表示。摄氏温度现在仍然是世界通用的温度数值表示方法。摄尔修斯对温度计的制作和改进，对促进热学的研究和发展做出了贡献法。摄尔修斯对温度计的制作和改进，对促进热学的研究和发展做出了贡献。华氏温标（华氏温标（Fahrenheittemperaturescale） 华氏度是以其发明者德国人华氏度是以其发明者德国人Gabri

21、elD.Fahrenheit（华伦华伦海特海特16811736）命名的。）命名的。 1714年，他制成了第一支玻璃水银温度计。这种温度计年，他制成了第一支玻璃水银温度计。这种温度计的刻度是按历史上最早出现的温标的刻度是按历史上最早出现的温标(华氏温标华氏温标)来划分的。来划分的。最初，华氏温标选用最初，华氏温标选用NH4Cl(氯化铵氯化铵)和水的混合物的凝固和水的混合物的凝固点温度为点温度为0，而以人，而以人(他妻子他妻子)的体温为的体温为96。此后，改。此后，改为水的冰点为为水的冰点为32，而以水沸点的温度为，而以水沸点的温度为212，这就是，这就是华氏温标，用符号华氏温标，用符号 表示。表

22、示。温标的换算温标的换算15.2730CtKT325900CtFt67.45900RtFt例题例题l-2 定义一种新的线性温度标尺定义一种新的线性温度标尺牛顿温标牛顿温标(单位为牛顿度，符号为单位为牛顿度，符号为oN)，水的，水的冰点和汽点分别冰点和汽点分别为为100100o oN N和和200200o oN N。 (1)试导出牛顿温标试导出牛顿温标TN与热力学温度与热力学温度T的关系式。的关系式。(2)(2)热力学温度为热力学温度为0K0K时，牛顿温度为多少时，牛顿温度为多少o oN?N? 解解: (1): (1)若任意温度在牛顿温标上的读数为若任意温度在牛顿温标上的读数为T TN N，而在

23、，而在热力学温标上的读数为热力学温标上的读数为T T，则，则 (2)当当T=0 K时，由上面所得的关系式有时，由上面所得的关系式有1-4 1-4 平衡状态平衡状态, ,状态方程状态方程, ,坐标图坐标图 定义：定义：若无外界影响系统保持状态参数值若无外界影响系统保持状态参数值 不随不随时间而改变的状态。时间而改变的状态。 温差温差 热不平衡势热不平衡势 压差压差 力不平衡势力不平衡势 化学反应化学反应 化学不平衡势化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势一、平衡状态一、平衡状态热平衡热平衡thermal equilibrium： 在无外界作用的条件下，系统内部系统在无外

24、界作用的条件下，系统内部系统与外界处处温度相等。与外界处处温度相等。力平衡力平衡mechanical equilibrium： 在无外界作用的条件下，系统内在无外界作用的条件下，系统内 部，系部，系统与外界处处压力相等。统与外界处处压力相等。热力平衡的充要条件热力平衡的充要条件系统同时达到热平系统同时达到热平 衡和力平衡。衡和力平衡。平衡与稳定平衡与稳定稳定：稳定：参数不随时间变化参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡与均匀平衡平衡：时间上：时间上均匀均匀：空间上：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的平衡不一定均匀，单相平衡态则一定

25、是均匀的为什么引入平衡概念？为什么引入平衡概念？ 如果系统平衡，可用一组确切如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换能量交换状态变化状态变化破坏平衡破坏平衡如何描述如何描述二、状态方程二、状态方程对于简单可压缩系统对于简单可压缩系统, ,状态方程状态方程: :( , )vf T p( , , )0f T p v 或或三三、状态参数坐标图状态参数坐标图pv11p1v反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，反映工质处于平衡状态时基本状态参数之间的关系式，称为状态方程。称为状态方程。Tv1v

26、11T平衡状态平衡状态状态不变化状态不变化能量不能转换能量不能转换非平衡状态非平衡状态无法简单描述无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程热力学引入准静态（准平衡）过程12v21p一、准静态过程一、准静态过程(准平衡过程准平衡过程)2系统随时接近于平衡态系统随时接近于平衡态针阀的开度非常小（p0）准静态过程有实际意义吗？准静态过程有实际意义吗？疑问：疑问：理论上理论上准静态准静态应无限应无限缓慢，工程上怎样处理？缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）

27、有足够时间恢复新平衡有足够时间恢复新平衡 准静态过程准静态过程准静态过程的工程应用准静态过程的工程应用例：例：活塞式内燃机活塞式内燃机 2000转转/分分 曲柄曲柄 2冲程冲程/转，转，0.15米米/冲程冲程活塞运动速度活塞运动速度=2000 2 0.15/60=10 m/s压力波恢复平衡速度（声速）压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间（外部作用时间）（外部作用时间）恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间（驰豫时间）（驰豫时间）一般的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程具体工程问题具体分析。具体工程问题具体分析。“突然突然”“”“缓慢缓慢

28、”可逆过程的描述：可逆过程的描述： 系统经历一个过程后，如令过程系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而始状态而不留下任何痕迹不留下任何痕迹，则此过程，则此过程称为可逆过程称为可逆过程可逆过程的描述可逆过程的描述注意：注意：可逆过程只是指可能性，并不可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程二、可逆过程可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 + 无耗散效应无耗散效应 = 可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电

29、阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等） 不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应典型的不可逆过程典型的不可逆过程不等温传热不等温传热节流过程节流过程 ( (阀门）阀门）自由膨胀自由膨胀混合过程混合过程可逆过程与准平衡过程的区别：可逆过程与准平衡过程的区别：1.1.可逆过程一定是准平衡过程；可逆过程一定是准平衡过程；2.2.准平衡过程不准平衡过程不一定是可逆过程。一定是可逆过程。实际过程都是不可逆过程！工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又工质从一个状态出发经过一系列的状态变化又回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。回到了原来的状态称之经历了一个热力循环。v1pvp1可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环循环过程及在坐标图上的表示一、功的定义一、功的定义 定义定义: :力和力的方向上位移的乘积力和力的方向上位移的乘积. . 2121FdxWFdxW 对于过程对于过程1-2:1-2: 符号约定符号约定: :热力系统对外输出功为正热力系统对外输出功为正, ,外界对系统外界对系统作功为负作功为负. . 二、可逆过程的功二、可逆过程的功 pdVpAdxFdxW212121)(dVVfpdVW212121)( dvvfpdvw功有何性质功有何性质? ?1.1.是过程量是过程量, ,不是状态量不是状态量2.2.其大小与初其大小与初