第一章-工程热力学基础知识课件

工程热力学研究主要内容热力学基本定律常用工质的热力性质分析计算实现热能和机械能相互转换的各种热力过程和热力循环，阐明提高转换效率的正确途径工程热力学研究主要内容热力学基本定律1参考资料[1]陈培陵.汽车发动机原理[M].人民交通出版社,2004.[2]张西振,吴良胜.发动机原理与汽车理论[M].人民交通出版社,2004.[3]沈维道.工程热力学（第3版）[M].高等教育出版社,

2001.参考资料[1]陈培陵.汽车发动机原理[M].人民交通出版社,2第一节气体的热力性质

第二节热力学第一定律

第三节气体的热力过程

第四节热力学第二定律第一章工程热力学基础知识第一节气体的热力性质

第二节热力学第一定律

第三节3一、气体的基本状态参数二、热力系统、平衡态和热力过程三、理想气体的状态方程式四、工质的比热第一节气体的热力性质一、气体的基本状态参数第一节气体的热力性质4一、气体的基本状态参数

1.工质1）工质：热能机械能2）工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质。3）气态工质：气体和蒸气媒介物质一、气体的基本状态参数

1.工质1）工质：热能52.气体的状态参数

1）定义：标志气体热力状态的各个物理量

2)状态参数压力温度比容内能焓熵基本状态参数2.气体的状态参数1）定义：标志气体热力状态的各个物理量61)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。2)真空度：p0pgppvp大气压力线只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数！（1）压力p

表压力

绝对压力

gp1)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。p0pgp7表示气体冷热程度的物理量

摄氏温度：用t表示，单位为℃热力学(开尔文或绝对)温度：用T表示，单位为K

只有热力学温度才是状态参数！（2）温度T表示气体冷热程度的物理量摄氏温度：用t表示，单位为℃只81）比容：单位质量的物质所占有的体积。式中V——体积；m——质量。2）密度：单位容积的物质所具有的质量。（3）比容v1）比容：单位质量的物质所占有的体积。式中V——体积9二、热力系统、平衡态和热力过程1.热力系统1）热力系统：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象。2）外界：与该系统有相互作用的其它系统。3）边界：系统与外界的分界面。边界的性质：可以是真实的，也可以是假想的；可以固定也可以移动。二、热力系统、平衡态和热力过程1.热力系统1）热力系统：104）分类封闭系统：绝热系统：孤立系统：开口系统：系统与外界无物质交换系统与外界有物质交换系统与外界无热量交换系统与外界无任何相互作用，既无物质交换，也无能量交换

4）分类封闭系统：绝热系统：孤立系统：开口系统：系统与外界112.平衡态

系统中气体各部分的温度和压力必须均匀一致，并且不随时间的变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。3.热力过程1）热力过程：热力系统从一个状态向另外一个状态变化时所经历的全部状态的总和。2）内平衡过程：热力系统从一个平衡状态连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另外一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程。3）内不平衡过程2.平衡态系统中气体各部分的温度和压力必须均124）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。pv122´1´v2v1W可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程p1p24）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，13三、理想气体的状态方程理想气体：气体内部其分子不占有体积，分子间又没有吸引力的气体。1kg理想气体：mkg理想气体：R

——气体常数，大小取决于气体的种类。三、理想气体的状态方程理想气体：气体内部其分子不占有体积14四、工质的比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所

吸收或放出的热量。2.表达式：3.定容比热：气体在容积不变的条件下被加热时的比热，。

定压比热：气体在压力不变的条件下被加热时的比热，。四、工质的比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所2.表达154.比热比：（绝热指数）（等熵指数），5.梅耶公式：RKKCp1-=4.比热比：，5.梅耶公式：RKKCp1-=16能量转换与守恒定律第二节热力学第一定律热力学第一定律热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。

热能机械能相互转换能量转换与守恒定律第二节热力学第一定律热力学第一定17一切物质都具有能量，能量既不可能创造，也不可能消失，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式，而在转换中，能量的总量恒定不变。能量转换与守恒定律进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化一切物质都具有能量，能量既不可能创造，也不可能消18主要内容：一、功、热量和内能

二、封闭系统能量方程式

三、开口系统稳定流动能量方程式四、熵及温熵图

主要内容：一、功、热量和内能19一、功、热量和内能

1.功功不是热力状态的参数，是一个过程量。Aw一、功、热量和内能

1.功功不是热力状态的参数，Aw202.热量3.内能热量为正热量为负系统吸热系统放热过程量工质的内能：工质内部所具有的各种能量的总称。对于理想气体：内能是温度的单值函数，工质的内能是一个状态参数。mkg工质的内能：

1kg工质的内能：2.热量3.内能热量为正系统吸热过程量工质的内能：工质内21二、封闭系统能量方程式

已知：1kg工质封闭在气缸内进行一个可逆过程的膨胀作功。

二、封闭系统能量方程式

已知：22三、开口系统稳定流动能量方程式

已知：1kg工质在开口系统中作稳定流动，Ⅰ-Ⅰ界面为进口，Ⅱ-Ⅱ界面为出口，假设系统在该过程中从外界吸入的热量为q，对外输出功为wsh。ⅡⅡwshqZ1p1v1C1C2Z2p2v20三、开口系统稳定流动能量方程式

已知：ⅡⅡwshqZ1p1v232.焓：3.开口系统能量方程式：mkg工质的焓:

1kg工质的焓:

焓=内能+推进功

推进功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推进功等于pv。2.焓：3.开口系统能量方程式：mkg工质的焓:1kg24四、熵及温熵图

dw=pdvpv12v2v1dva）P-v图dq=TdsTs12s2s1dsb）T-S图四、熵及温熵图

dw=pdvpv12v2v1dv251.熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时绝对温度所得的比值。2.熵的性质1）熵是一个状态参数；2）只有在平衡状态下，熵才有确定值；3）与内能和焓一样，通常只求熵的变化量，而不必求熵的绝对值；4）熵是可加性的量；5）在可逆过程中，从熵的变化中可判断热量的传递方向；6）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可行性。1.熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传26第三节气体的热力过程热力过程基本一般定容过程定压过程绝热过程等温过程第三节气体的热力过程热力过程基本一般定容过程定压过程绝27一、定容过程

工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。pv12′2sT2′12一、定容过程

工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。pv128二、定压过程

pv122′Ts2′12

v＝定值

p＝定值工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。T2T1二、定压过程

pv122′Ts2′12v＝定值p＝定值29二、定压过程

pv122′Ts2′12定容定压工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。二、定压过程

pv122′Ts2′12定容定压工质在变化过30三、定温过程

pv122′Ts122′工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。三、定温过程

pv122′Ts122′工质在变化过程中温度保31四、绝热过程

pv122′Ts12′2系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。等熵过程：可逆的绝热过程。dq=0四、绝热过程

pv122′Ts12′2系统与外界没有热量交换32五、多变过程

凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程。n＝01K∞n−多变指数定压等温绝热定容五、多变过程

凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程。n＝33第四节热力学第二定律一、热力循环与循环热效率二、热力学第二定律的几种表达三、卡诺循环与卡诺定理四、孤立系统的熵增原理第四节热力学第二定律一、热力循环与循环热效率二、热力学34一、热力循环与循环热效率1)定义：工质从初态出发，经过一系列的变化又回到初态的封闭过程，简称循环。1.热力循环正向循环：把热能转变为机械能的循环（热机循环）。2)分类逆向循环：依靠消耗机械能而将热量从低温热源传向高温热源的循环（热泵循环）。一、热力循环与循环热效率1)定义：工质从初态出发，经过一系列35pv12Ts123)热机循环pv12Ts123)热机循环36pv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)热机循环Wpv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)372.循环热效率

2.循环热效率38二、热力学第二定律的几种表达

表述：1）不可能创造出只从热源吸热作功而不向冷源放热的热机。2）热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。根据长期制造热机的经验总结出：为了连续的获得机械能，必须有两个热源，热机工作时，从高温热源取得热量，把其中一部分转变为机械能，而另一部分传给低温热源，这是实现热功转换的必要条件。

根据长期制造制冷机的经验总结出：不管利用什么机器，都不可能不付代价的实现把热量由低温物体转移到高温物体。

二、热力学第二定律的几种表达

表述：根据长期制39三、卡诺循环与卡诺定理

1.卡诺循环三、卡诺循环与卡诺定理

1.卡诺循环401）卡诺循环的组成工作于两个热源间的，由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆正向循环。2）卡诺循环的热效率1）卡诺循环的组成工作于两个热源间的，412.卡诺定理定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。定理二：在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。2.卡诺定理定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作的一422）指出了热机实现热功转换的条件：必须具有两个或两个以上温度不同的热源。3）指出了提高热机热效率的根本途径：提高热源的温度，降低冷源的温度，尽可能减少或降低不可逆因素的影响。卡诺定理的意义：1）给出了循环热效率的极限值。2）指出了热机实现热功转换的条件：必须具有两个或两个以上温度43

在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着使系统熵增大的方向进行，在极限情况（即可逆过程）下，系统的熵保持不变。四、孤立系统的熵增原理

判断自然界一切自发过程实现的可行性在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都44总结2.热力学第一定律3.气体的热力过程4.热力学第二定律功、热量、内能；封闭系统能量方程式；开口系统能量方程式；熵及温熵图。4个基本热力过程。热力循环、循环热效率；卡诺循环、卡诺定理。1.气体的热力性质状态参数；热力系统；平衡态；热力过程；比热。总结2.热力学第一定律功、热量、内能；封闭系统能量方程式；开45作业1.名词解释：热力过程；内平衡过程；可逆过程；熵；比热；推进功；热力循环；循环热效率2.绘出四个基本热力过程所对应的图和图，并分别计算定压过程和定温过程下的w、q、△u、△s。3.复习：工程热力学基础知识。4.预习：第一节发动机理论循环。作业1.名词解释：2.绘出四个基本热力过程所对应的46工程热力学研究主要内容热力学基本定律常用工质的热力性质分析计算实现热能和机械能相互转换的各种热力过程和热力循环，阐明提高转换效率的正确途径工程热力学研究主要内容热力学基本定律47参考资料[1]陈培陵.汽车发动机原理[M].人民交通出版社,2004.[2]张西振,吴良胜.发动机原理与汽车理论[M].人民交通出版社,2004.[3]沈维道.工程热力学（第3版）[M].高等教育出版社,

2001.参考资料[1]陈培陵.汽车发动机原理[M].人民交通出版社,48第一节气体的热力性质

第二节热力学第一定律

第三节气体的热力过程

第四节热力学第二定律第一章工程热力学基础知识第一节气体的热力性质

第二节热力学第一定律

第三节49一、气体的基本状态参数二、热力系统、平衡态和热力过程三、理想气体的状态方程式四、工质的比热第一节气体的热力性质一、气体的基本状态参数第一节气体的热力性质50一、气体的基本状态参数

1.工质1）工质：热能机械能2）工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质。3）气态工质：气体和蒸气媒介物质一、气体的基本状态参数

1.工质1）工质：热能512.气体的状态参数

1）定义：标志气体热力状态的各个物理量

2)状态参数压力温度比容内能焓熵基本状态参数2.气体的状态参数1）定义：标志气体热力状态的各个物理量521)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。2)真空度：p0pgppvp大气压力线只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数！（1）压力p

表压力

绝对压力

gp1)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。p0pgp53表示气体冷热程度的物理量

摄氏温度：用t表示，单位为℃热力学(开尔文或绝对)温度：用T表示，单位为K

只有热力学温度才是状态参数！（2）温度T表示气体冷热程度的物理量摄氏温度：用t表示，单位为℃只541）比容：单位质量的物质所占有的体积。式中V——体积；m——质量。2）密度：单位容积的物质所具有的质量。（3）比容v1）比容：单位质量的物质所占有的体积。式中V——体积55二、热力系统、平衡态和热力过程1.热力系统1）热力系统：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象。2）外界：与该系统有相互作用的其它系统。3）边界：系统与外界的分界面。边界的性质：可以是真实的，也可以是假想的；可以固定也可以移动。二、热力系统、平衡态和热力过程1.热力系统1）热力系统：564）分类封闭系统：绝热系统：孤立系统：开口系统：系统与外界无物质交换系统与外界有物质交换系统与外界无热量交换系统与外界无任何相互作用，既无物质交换，也无能量交换

4）分类封闭系统：绝热系统：孤立系统：开口系统：系统与外界572.平衡态

系统中气体各部分的温度和压力必须均匀一致，并且不随时间的变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。3.热力过程1）热力过程：热力系统从一个状态向另外一个状态变化时所经历的全部状态的总和。2）内平衡过程：热力系统从一个平衡状态连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另外一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程。3）内不平衡过程2.平衡态系统中气体各部分的温度和压力必须均584）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。pv122´1´v2v1W可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程p1p24）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，59三、理想气体的状态方程理想气体：气体内部其分子不占有体积，分子间又没有吸引力的气体。1kg理想气体：mkg理想气体：R

——气体常数，大小取决于气体的种类。三、理想气体的状态方程理想气体：气体内部其分子不占有体积60四、工质的比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所

吸收或放出的热量。2.表达式：3.定容比热：气体在容积不变的条件下被加热时的比热，。

定压比热：气体在压力不变的条件下被加热时的比热，。四、工质的比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所2.表达614.比热比：（绝热指数）（等熵指数），5.梅耶公式：RKKCp1-=4.比热比：，5.梅耶公式：RKKCp1-=62能量转换与守恒定律第二节热力学第一定律热力学第一定律热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。

热能机械能相互转换能量转换与守恒定律第二节热力学第一定律热力学第一定63一切物质都具有能量，能量既不可能创造，也不可能消失，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式，而在转换中，能量的总量恒定不变。能量转换与守恒定律进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化一切物质都具有能量，能量既不可能创造，也不可能消64主要内容：一、功、热量和内能

二、封闭系统能量方程式

三、开口系统稳定流动能量方程式四、熵及温熵图

主要内容：一、功、热量和内能65一、功、热量和内能

1.功功不是热力状态的参数，是一个过程量。Aw一、功、热量和内能

1.功功不是热力状态的参数，Aw662.热量3.内能热量为正热量为负系统吸热系统放热过程量工质的内能：工质内部所具有的各种能量的总称。对于理想气体：内能是温度的单值函数，工质的内能是一个状态参数。mkg工质的内能：

1kg工质的内能：2.热量3.内能热量为正系统吸热过程量工质的内能：工质内67二、封闭系统能量方程式

已知：1kg工质封闭在气缸内进行一个可逆过程的膨胀作功。

二、封闭系统能量方程式

已知：68三、开口系统稳定流动能量方程式

已知：1kg工质在开口系统中作稳定流动，Ⅰ-Ⅰ界面为进口，Ⅱ-Ⅱ界面为出口，假设系统在该过程中从外界吸入的热量为q，对外输出功为wsh。ⅡⅡwshqZ1p1v1C1C2Z2p2v20三、开口系统稳定流动能量方程式

已知：ⅡⅡwshqZ1p1v692.焓：3.开口系统能量方程式：mkg工质的焓:

1kg工质的焓:

焓=内能+推进功

推进功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推进功等于pv。2.焓：3.开口系统能量方程式：mkg工质的焓:1kg70四、熵及温熵图

dw=pdvpv12v2v1dva）P-v图dq=TdsTs12s2s1dsb）T-S图四、熵及温熵图

dw=pdvpv12v2v1dv711.熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时绝对温度所得的比值。2.熵的性质1）熵是一个状态参数；2）只有在平衡状态下，熵才有确定值；3）与内能和焓一样，通常只求熵的变化量，而不必求熵的绝对值；4）熵是可加性的量；5）在可逆过程中，从熵的变化中可判断热量的传递方向；6）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可行性。1.熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传72第三节气体的热力过程热力过程基本一般定容过程定压过程绝热过程等温过程第三节气体的热力过程热力过程基本一般定容过程定压过程绝73一、定容过程

工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。pv12′2sT2′12一、定容过程

工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。pv174二、定压过程

pv122′Ts2′12

v＝定值

p＝定值工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。T2T1二、定压过程

pv122′Ts2′12v＝定值p＝定值75二、定压过程

pv122′Ts2′12定容定压工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。二、定压过程

pv122′Ts2′12定容定压工质在变化过76三、定温过程

pv122′Ts122′工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。三、定温过程

pv122′Ts122′工质在变化过程中温度保77四、绝热过程

pv122′Ts12′2系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。等熵过程：可逆的绝热过程。dq=0四、绝热过程

pv122′Ts12′2系统与外界没有热量交换78五、多变过程

凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程。n＝01K∞n−多变指数定压等温绝热定容五、多变过程

凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程。n＝79第四节热力学第二定律一、热力循环与循环热效率二、热力学第二定律的几种表达三、卡诺循环与卡诺定理四、孤立系统的熵增原理第四节热力学第二定律一、热力循环与循环热效率二、热力学80一、热力循环与循环热效率1)定义：工质从初态出发，经过一系列的变化又回到初态的封闭过程，简称循环。1.热力循环正向循环：把热能转变为机械能的循环（热机循环）。2)分类逆向循环：依靠消耗机械能而将热量从低温热源传向高温热源的循环（热泵循环）。一、热力循环与循环热效率1)定义：工质从初态出发，经过一系列81pv12Ts123)热机循环pv12Ts123)热机循环82pv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)热机循环Wpv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)832.循环热效率

2.循环热效率