单元热力学基础

1、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，主要包括动、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。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、维修及本课程是一门专业课，为发动机的使用、维修及发动机实验研究打基础。本课程在整个课程体系中起发动机实验研究打基础。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。承上启下的作用，对今后

2、的实际工作起指导作用。三、课程的特点、要求、学时分配、考核三、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，课堂上的讲本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主。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5050，根据情况做抽查考试。，根据情况做抽查考试。考核：本课程为考试课，平时成绩考核：本课程为考试课，平时成绩20%20%；考试成绩；考试成绩80%80%。汽车拖拉机发动机汽车

3、拖拉机发动机 董敬董敬机械工业出版社机械工业出版社2001汽车构造汽车构造（上册）（上册） 陈家瑞陈家瑞机械工业出版社机械工业出版社2001工程热力学工程热力学华自强华自强高等教育学高等教育学1998内燃机学内燃机学周龙保周龙保机械工业出版社机械工业出版社2004内燃机原理内燃机原理蒋德明蒋德明中国农业机械出版中国农业机械出版社社1988内燃机原理内燃机原理刘永长刘永长华中理工出版社华中理工出版社1992四、主要参考书目四、主要参考书目 发动机：将某种形式的能量转化为机械（发动机：将某种形式的能量转化为机械（Engine） 能的一种机器。能的一种机器。 发动机基本流程发动机基本流程第一章第一章

4、 工程热力学基础工程热力学基础本章要求：本章要求：n了解：热力系统、工质、了解：热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环念，理想气体和卡诺循环等。等。n理解：热力学第一和第二理解：热力学第一和第二定律，图和定律，图和T图，理想气体的热力过程图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。和发动机的理想循环。 一、热力系统一、热力系统1 1、在热力学中，从若干个物体、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；热力系统热力系统外界外界界面界面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

5、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宏观热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。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间不当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的变，即具有均匀一致的P P、V V、T

6、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：压力可直接测量的状态参数，包括：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、熵、内能、熵、焓。、焓。 温度温度T：Temperature 温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程度。与温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程度。与大量分子平均移动能的大小成正比。大量分子平均移动能的大小成正比。 其中：其中： B比例系数比例系数

7、m 分子的质量分子的质量 V分子直线运动的均方根速度分子直线运动的均方根速度 温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个热力温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个热力学状态参数。学状态参数。 什么是热平衡什么是热平衡212m vTB 温标：（测量温度的标尺）温标：（测量温度的标尺）（1）绝对温标（）绝对温标（K），单位是），单位是K，（也称热力学温度）。，（也称热力学温度）。 水的三相点水的三相点:273.15K 热力学推算的分子停止热运动的温度：热力学推算的分子停止热运动的温度：0K 注：只有热力学温度才可作为状态参数注：只有热力学温度才可作为状态参数 （2）摄氏

8、温标（）摄氏温标（ ） (T0 273.15K，水的三相点温度，水的三相点温度) 国际单位制国际单位制SI容许使用摄氏温度容许使用摄氏温度t， t与与T每一度间隔相等。每一度间隔相等。（3）华氏温标（）华氏温标（0F）3295Ftct0273.15tTTT 压力压力P： 单位面积上所受的垂直作用力称为压力。单位面积上所受的垂直作用力称为压力。 根据分子运动论，根据分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均结果。（统计量）气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均结果。（统计量） 单位：压力单位是单位：压力单位是“帕斯卡帕斯卡”，代号，代号Pa（N/m2）。）。 1KPa=103Pa 1

9、MPa=106Pa 在工程实际中，常使用的压力单位有：在工程实际中，常使用的压力单位有： 标准大气压，代号标准大气压，代号atm1atm=101325 Pa ； 巴，代号巴，代号bar1bar=105 Pa 工程大气压，工程大气压， 代号代号at(kgf/cm2) 1at=98.067kPa。 压力的测量：气体的压力通常使用压力表或真空计测量。 表压:因为压力表读数是气体的真实压力与大气压力的差值，称为“表压力”，用P表（Pg）表示。 气体的真实压力称“绝对压力”，用P绝（P）表示. 大气压力用P0表示。 当P绝P0时 P绝=P0+P表（P=P0+Pg） 当P绝00，膨胀，膨胀, ,WW00，

10、 系统对外界做功；系统对外界做功； dVdV00，压缩，压缩, ,WW00,W0压缩压缩,W0,W0,Q0,0,Q0,吸热吸热; ;dsds0,Q0,0,Q0放热放热Q0一、热力学第一定律一、热力学第一定律当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。对于一个热力系统：对于一个热力系统： Q-W= Q-W=U U； Q=W+Q=W+U U Q Q：系统与环境交换的热量系统与环境交换的热量 W W：系统与环境交换的功系统与环境交换的功 U U：系统内部储存能量的变化量：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

11、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。 第二节第二节 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能量微观能量内动能内动能内位能内位能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

12、容的函数；内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单值函内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单值函数数。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子的对于理想气体，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，是温度的单值函数，用符号内动能，仅与温度有关，是温度的单值函数，用符号u u表示，表示，单位单位J J。三、闭口系统的能量方程三、闭口系统的能量方程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：QQ= =dU+WdU

13、+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=q=u+wu+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，且不受过程的性质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。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、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（或降低）1K所需的热量,用C表示。比热：单位质量工质的热容量，用c表示。即c=C/m 单位J/(kgK）或c=dq/dT（单位质量的物质作单位温度变化时吸放的热量） 2、比热与过程的关系功 量 和 热 量 都 是 过 程 量 ， 故 比 热 与 过 程

14、 有 关 。热 力 过 程 中 最 常 见 的 加 热 过 程 是 保 持 压 力 不 变或容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热和定容质量比热。定压比热：cP 定容比热：c绝热指数：K= cP / c一般，cP c，所以K1.双原子分子K=1.4，气体分子中原子越多，K越小。 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，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） 4 4、理想气体内能的计算、理想气体内能的计算 在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为： q=c(T2-T1) 由热力学第一定律 q=w+

15、u推出：u=cv(T2-T1)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。度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且 w =0，5、定压比热与定容比热的换算关系、定压比热与定容比热的换算关系假设对闭口系统单位质量理想气体进行定压加热由能量方程可知：QUWV,pvdQC dT dUC dT()dWpdvd pvRdT其中：pvpvC dTC dTRdTCCRpvCCR第三节第三节 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；、过程的定义； 2 2、过程方程式；

16、、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。一、等容过程一、等容过程 定容过程中工质的压力和温度成正比定容过程中工质的压力和温度成正比 膨胀功膨胀功 热量热量 0constv RTvpTvp222111constvv21常数TpTpTp2211021pdvwdTCpdvdudqv122121TTCdTCuqvv 熵的变量熵的变量 （ 为定值）为定值） 在

17、在 图上，定容过程曲线为一条指数曲线。图上，定容过程曲线为一条指数曲线。 加热放热SvCTdTCTdqdsv12lnTTCsvST 21vscTeT二、等压过程二、等压过程定压过程比容与温度成正比定压过程比容与温度成正比 膨胀功膨胀功 热量热量或或constp 常数2211TvTvWq122112TTRvvppdvw2211ppqC dTCTT 212122211 1quwuup vvup vup v 熵的变量熵的变量 S加热放热TdTCTdqdsp1221lnTTCTdTCSppT-s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）。21psCT

18、eTV三、定温过程三、定温过程定温过程气体绝热压力与比容成反比定温过程气体绝热压力与比容成反比 膨胀功膨胀功 热量热量 WqconstT 常数pvvpvp2211膨胀压缩222111dvdvWpdvpvRTvv2112lnlnvpRTRTvpconstT 0u212121lnlnlnvpvqwRTRTpvvpvquw 熵的变量熵的变量 S加热放热Tdqds constT 21211dqTTdqs122112lnlnln1vvRppRvvRTT四、绝热过程四、绝热过程 （ 绝热指数）绝热指数） 对于可逆的绝热过程：对于可逆的绝热过程： 所以所以 将公式将公式2代入公式代入公式1为：为： 整理得：

19、整理得： 0(1)vCdTpdv 公式常数kpvvpCCk vdqdudwT dsCdTpdv0dsRTpv 1()pvpvdTdd p vdvdpRRRR （公式2）011dvpdpvRCdvpRCvv01dpvRCdvpRCvv 整理整理 ：积分上式得：积分上式得： 或或 即即 可逆绝热方程式可逆绝热方程式 注：绝热指数注：绝热指数 ，当，当 、 视为常数时，它们的数值则取决于气体的原子视为常数时，它们的数值则取决于气体的原子数，由数，由 、 决定的决定的 这时也是定值，同样取决于其他的原子数。这时也是定值，同样取决于其他的原子数。 01dpvRCdvpRCvv0vdpCpdvCvp0 v

20、dppdvCCvp0vpvdpvppdvk0pdpvdvk常数pvKlnln常数kvpln常数kvplnpCvCkpCvCk 单原子气体单原子气体 =1.67 双原子气体双原子气体 =1.4 三（多）原子气体三（多）原子气体 =1.3 从从 得得kconstpvkkvvpp211212112kvvTTkkppTT11212kk 热量热量 熵的变量熵的变量 功功 闭口系统：膨胀功闭口系统：膨胀功 可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。 0dq0q0dqdsTwuq0q21uuuw2121TTCuuwv1kRCv221111vpvpk2

21、11TTkRwwuq 热量热量 熵的变量熵的变量 功功 闭口系统：膨胀功闭口系统：膨胀功 可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。 0dq0q0Tdqds0q21uuuw四、多变过程四、多变过程 定义：压力、比容的关系符合定义：压力、比容的关系符合 的过程（的过程（ ） 多变指数多变指数这是一般化公式这是一般化公式多变过程方程式多变过程方程式 当当 则则 定压过程定压过程 则则 定温过程定温过程 则则 绝热过程绝热过程 则则 定容过程定容过程可见：当可见：当 为某一定值时，为某一定值时， 就代表一个特定过程，此式可将就代表一个特定过程

22、，此式可将许多有规律的热力过程包括在内，具有相当的普遍性，讨论多变许多有规律的热力过程包括在内，具有相当的普遍性，讨论多变过程得到的结论，对其他特殊过程具有原则性指导意义。过程得到的结论，对其他特殊过程具有原则性指导意义。 constpvnconstn n0n1nkn nconstp constpv constpvkconstv nnpv 由于多变过程方程式的数学形式与绝热过程相同，因此多变由于多变过程方程式的数学形式与绝热过程相同，因此多变过程中的初、终态参数之间的关系，以及求膨胀功（技术功）的过程中的初、终态参数之间的关系，以及求膨胀功（技术功）的公式，在形式上均与绝热过程的公式完全相同，

23、只是以代替各式公式，在形式上均与绝热过程的公式完全相同，只是以代替各式中的值。中的值。 nvvpp2112nnnppvvTT11212112 在在 、 图上的表示图上的表示 vpST 一、热力学第二定律的几种表述一、热力学第二定律的几种表述 热力学第二定律是人们根据无数经验总结出来的有关热现象的热力学第二定律是人们根据无数经验总结出来的有关热现象的第二个经验定律，并被大量经验和事实说明它的正确性。热力学第第二个经验定律，并被大量经验和事实说明它的正确性。热力学第二定律的实质就是指出一切过程的不可逆性。二定律的实质就是指出一切过程的不可逆性。 第一种说法第一种说法：克劳修斯说法（：克劳修斯说法（

24、1950年），年），“不可能把热从低温不可能把热从低温物物 体传至高温物体，而不引起其它变化。体传至高温物体，而不引起其它变化。”即即“热不可能自动（热不可能自动（自发）地、不付代价地从低温物体传至高温物体。自发）地、不付代价地从低温物体传至高温物体。” 第二种说法第二种说法：开尔文说法（：开尔文说法（1951年），年），“不可能从单一热源取不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其它影响。热使之完全变为有用功而不产生其它影响。”即即“只冷却一个热源只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。”第四节 热力学第二定律二、热力循环二、热力循

25、环系统从某一状态（初始状态）出发，经系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态历一系列的中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力过程称为一个热，这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。（在力循环。（在P-VP-V图上，热力循环是一封图上，热力循环是一封闭的曲线。）闭的曲线。）正向循环正向循环把热能转变为机械功的循环把热能转变为机械功的循环。逆向循环逆向循环靠消耗机械功将热量从低温靠消耗机械功将热量从低温热源传向高温热源的循环。（或称热泵热源传向高温热源的循环。（或称热泵循环）循环）1 1、循环净功量、循环净功量1-2-3-4-11-2-3-4-1：顺时针：顺时针进

26、行的热力过程，过进行的热力过程，过程曲线所围成的面积程曲线所围成的面积为正，称为正循环。为正，称为正循环。w 1-4-3-2-11-4-3-2-1：逆：逆 时时针进行的热力过程，针进行的热力过程，过程曲线所围成的过程曲线所围成的面积为负，称为负面积为负，称为负循环。循环。循环净功 W=Q1-Q2Q1为1-2-3，工质从高温热源吸热Q2为3-4-1，工质从向低温热源放热定义：定义：循环净功与从高温热源吸收热循环净功与从高温热源吸收热量的比值量的比值T T=W/Q=W/Q1 1=(Q=(Q1 1-Q-Q2 2)/Q)/Q1 1=1-Q=1-Q2 2/Q/Q1 1 W: W: 对外作出的循环净功；对外作出的循环净功；Q Q1 1: : 循环中吸收的总热量循环中吸收的总热量; ;Q Q2 2: : 循环中放出的总热量。循环中放出的总热量。 作用：作用： 评价循环的经济性。评价循环的经济性。三三、热机循环的热效率热机循环的热效率三、卡诺循环三、卡诺循环（最理想的热机循环）（最理想的热机循环） 由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环