发动机原理课件-第一章 工程热力学基础.ppt

1、第一章是工程热力学的基础。热力学是研究能量(热能)的性质和转化规律的科学。工程热力学是其最早发展的一个分支。本章主要内容：1 .热力学状态，热力学过程，参数2。热力学基本定理：热力学第一定理和第二定理。3.典型的热力学过程和循环。4.发动机的理想循环。第一节是气体的状态和状态方程，重点是：1 .基本概念：热力学系统、工作介质、热力学状态、理想气体等。2.热力系统的分类；3.P-V图。1.热力系统1。定义：在热力学中，一定宏观尺寸范围内的工程体是特定的研究对象，称为热力系统；热力系统、外部环境、界面、工作介质：用于在热力设备中与其他形式的能量交换热能的物质。热机的工作介质一般是气体工作介质。与外

2、界的能量交换是通过工作介质状态的变化来实现的。除了研究对象之外的一切都被称为外部世界；热力系统与外界的界面称为界面。2.热力学状态和状态参数；1.热力学状态：热力学系统在某一时刻的宏观物理状态。热力学平衡状态：当外部条件不变时，系统中的状态将长期保持不变。(具有统一的p和t)；2.状态参数：是用来描述气体热力学状态的物理量；基本状态参数：可直接测量，包括压力(p)、比容()和温度(t)。主要状态参数：压力p、比容、温度t、内能、熵和焓。3.基本状态参数1。比容：以m3/kg表示。定义：单位质量物质所占的体积。即：v/m v-物质体积，m3。m-物质质量，kg。比容的倒数是多少？2.压力：表示为

3、p，单位为Pa、Mpa和kPa。定义：系统单位面积上的垂直力。也就是说，压力测量，3。温度：表示为t，单位为K.定义：代表物体的冷热程度(气体分子的平均动能越大)；4.理想气体的状态方程。理想气体：气体分子本身不占据体积，分子之间没有相互作用力的气体。2.理想气体的状态方程：空气为压强体积图，压强体积图，气体状态也可以用压强体积图上的一个点来表示，比较直观。在第二节中，主要掌握了热过程和过程量：1 .基本概念：热过程、功、热和熵；2.热力学状态参数和热力学过程参数的区别和联系；3.功和热的计算，正负调节；4.T-S图。功的计算：W=Fdx=APdx=PdV W12=12PdV每单位质量的工作介

4、质：W12=W/m=12PdV/m=12Pd，因此在P-V图上，W12是由过程线和水平轴包围的面积。1.热力学系统从一种平衡状态到另一种平衡状态的变化过程。在P-V图上，一个点代表气体的热力学状态；曲线代表热力学过程。第二，功()气体在热力学过程中由于体积变化所做的功(也称为体积功)，由W=PdV: dV0，膨胀，W0得到，系统对外做功；DV0，压缩，W0，系统外部工作；DV=0，W=0，系统与外界之间的无功功率转移。膨胀、W0、压缩、W0的可逆过程是一个无摩擦、无温差的平衡传热过程，这是实际过程的理想极限。除非另有说明，它可以被认为是一个可逆的过程。规定系统所做的功是正的，外部所做的功是负的

5、。第三，热的定义：具有恒定质量的热力学系统，能量通过边界传递而不做功的形式。它是一种通过温差在系统和外界之间传递能量的形式。用q=Q/m J/kg表示。它规定引入热系统的热量是正的，即吸热是正的；从热力系统传递出去的热量是负的，也就是说，热量释放是负的。热和功一样，是系统在热力学过程中与外界传递的一种能量形式。他们都在进行中熵和温熵的增量s等于系统在可逆过程中所交换的热量的商(无穷小的温差)除以传热过程中的绝对温度：ds=q/T 1Kg熵单位J/kgK mKg熵单位/K，比容的变化表示做功与否，熵s的变化表示传热与否。熵s(导出量)是状态参数ds0，Q0，它吸收热量；Ds0，Q0，放热；Ds=

6、0，无热交换。吸热，Q0，放热Q0，热力学第一定律第三节，重点介绍：1。热力学第一定律的表达式；2.内能和温度的关系；3.封闭系统的能量方程；4.理想气体内能的计算。1.热力学第一定律的定义：当热能与其他形式的能量转换时，总能量保持不变。可以这样表述：第一种不消耗任何能量就能做功的永动机是不存在的。它可以表示为：对于任何热力学系统：进入系统的能量-离开系统的能量=系统内部储存能量的变化。热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学中的具体应用。它表达了工质受热做功时热量、功和内能之间的平衡关系。2.内能工作介质中的各种能量。宏观能量包括：微观能量是系统的内能U，包括：动能势能，机械能E，宏观能量

7、微观能量，内部势能内部动能，它与分子间的距离和吸引力有关，是比容的函数；内部动能，包括运动动能、旋转动能和振动动能，是温度的单值函数。内能也称为热力学能或热能，只考虑内部势能和内部动能。对于理想气体，不考虑分子间的势能，所以内能只是分子的内部动能，它只与温度有关，是温度的单值函数，用j中的符号u表示。封闭系统的能量方程1。将：定义为不与外界进行大量交换的系统。2.能量方程Q-W=U，所以Q=U W，对于微元过程：Q=dU W，对于1kg工作介质：q=u w (/Kg)封闭系统能量方程，以上所有项都是代数值，可以是正的或负的或零的，不受过程和工作介质性质的限制。理想气体的比热。比热和单位热容的定

8、义：加热(或取热)一个热力系统使其温度升高(或降低)1K所需的热量，用C表示。比热：每单位质量工作介质的热容，用C表示。也就是说，c=C/m单位J/(kgK)或：c=dq/dT(即单位质量物质随单位温度变化时吸收/释放的热量)。2.比热与过程的关系功和热都是过程量，所以比热与过程有关。热力学过程中最常见的加热过程是保持压力和体积不变，因此比热相应地分为恒压质量比热和定容质量比热，分别用符号cP和C表示。绝热指数(恒熵指数或比热比):K=cP/c 3，比热与气体性质和温度的关系实验表明，大多数气体的比热随着温度的升高而增加，但为了使计算简单，没有考虑比热随温度的变化，即采用固定比热(或恒比热)。

9、在保持系统体积不变的加热过程中，加热量是：因为c=dq/dT dq=cdT q=12cdT q=c(T2-T1)，对于定容过程：q=c(T2-T1)，推导出u=cv(T2-T1)，内能是状态量，w=0，从热力学第一定律：q=w u，理想气体热力学过程的第四节，关键点是：1。典型热力过程过程量的计算：2.典型热力学过程在P-V图和T-S图上的表示；3.相图上典型热力学过程的比较；4.可变过程的概念。在工程热力学中，热机循环被概括为热力学循环典型的热力学过程：恒定体积、恒定压力、恒定温度和绝热被称为基本热力学过程。热力学过程分析的一般方法是研究理想气体的可逆过程，导出过程方程，根据热力学第一定律计

10、算热量、内能和功，然后引入经验修正系数将其转化为实际气体的不可逆过程。可逆过程：如果状态1通过平衡过程到达状态2，并且在外部起作用；如果外部世界应用相同的压缩功，原始过程曲线返回到状态1，外部世界返回到原始状态。可逆过程是一个没有摩擦和温差的内部平衡过程，是一个没有任何损失的理想过程。1.定容过程1。定义：系统的体积(比容)在过程中保持不变的过程。2.过程方程：=常数3。参数之间的关系：P1/P2=T1/T2，P1/T1=P2/T2。4.过程量的计算：W12=12PdV，dV=0 w=0，q=u，即加入到工作介质中的所有热量都转化为工作介质的内能。和q=u w，q=q=u=c(T2-T1)，已

11、知由PV=RT，P/T=常数，所以：5，过程曲线，恒定加热温度增加，恒定放热温度降低，2，恒定压力过程1，定义：系统压力在过程中保持不变。2.过程方程：P=常数；3.参数之间的关系：从/T=常数，1/t1=2/t21/2=t1/T2；4.工序数量计算：qp=cp(T2-T1) w=12Pd=P(2-1)。qp=u w=u 12pd=u 12rdt=u R(T2-t1)CP(T2-t1)=c(T2-t1)R(T2-t1)，得到迈耶公式：cp=c R，此外，cp/c=k，绝热指数，5，过程曲线等3。恒温过程1。定义：过程中系统温度保持不变的过程。2.过程方程：T=常数3。参数之间的关系：P=室温=

12、常数，P11=P22。4.过程量的计算：T=常数，所以u=0。从q=w u，我们可以得到q=w，所有加到系统中的热量都转化为系统对外界所做的功。5。过程曲线，等温压缩放热，等温膨胀吸热，2，2，4。绝热过程1。定义：在此过程中，系统与外界之间没有热传递(q=0 s=q/T=0，因此也称为恒熵过程)。2.过程方程：Pvk=常数(省略演绎)，K=cp/c:绝热指数；3.参数之间的关系：Pvk=常数P1v1k=P2v2k P1/P2=(v2/v1)k和Pv=RT P=RT/v Tvk-1=常数t1/T2=(v2 5)。过程曲线：绝热压缩温度升高，绝热膨胀温度降低；5.多元过程在实际的热力学过程中，P

13、、T和热交换的变化都是存在的，不能用上述特殊的热力学过程来分析，而应该用一个一般的、更一般的过程来描述，即多变过程。1.过程方程：Pvn=常数，n:多变指数。等压过程；n=1，Pv=常数，等温过程；n=k，Pvk=常数，绝热过程；n=，v=常数，等体积过程。n=0，P=常数，2。P-v图上各过程的比较，等压线：压力上升部分，压力下降部分，等压线3360，膨胀部分，压缩部分，等温线3360，温度上升部分，温度下降部分，绝缘线：吸热部分，放热部分，n从0。等温线的右边能量增加，左边能量减少。例如，压缩机的压缩过程：Kn，第二个问题：1。热容和比热是什么？单位是什么？2.如何表达热力学第一定律？封闭

14、系统的能量方程是什么形式？3.什么是恒定体积、恒定压力、恒定温度和绝热的过程？他们的过程方程式是什么？在P-V图上画出他们的过程曲线。4.当多变指数n为时，过程是定容、恒温、恒压和绝热的。5.系统经历了膨胀、减压、吸热和降温的过程，确定了n的范围。第五节是热力学第二定律，重点是：1 .热力学第二定律的表达式；2.概念和公式：热循环和热循环的热效率；3.热机循环的热效率；4.热力学过程的组成和卡诺循环的热效率。(1)热力学第二定律的表述(1)热量不可能不付出任何代价就自发地从低温物体传递到高温物体。热量不可能自发地从冷物体传递到热物体。2.要制造一台循环运转的热机是不可能的，热机只从一个单一的高

15、温热源获取热量，将其完全转化为有用的功(第二类永动机)，而不向低温热源(冷源)释放热量。没有单一的热源发动机。能量传递(热能转换)过程的方向、条件和极限，即热力学过程是否能发生，应该用热力学第二定律来回答。热力学第二定律的本质是所有自发过程都是不可逆的。热力循环系统从某一状态(初始状态)开始，经过一系列中间状态，回到初始状态。这种封闭的热力学过程称为热力学循环。(在P-V图上，热力循环是一条闭合曲线。)将热能转化为机械能的正向循环。反向循环是一种循环，其中热量通过消耗机械功从低温热源传递到高温热源。(或称热泵循环)，1。循环的净功，1-2-3-4-1:顺时针方向进行的热力学过程，过程曲线所包围

16、的区域为正，称为正循环。w，1-4-3-2-1:逆时针方向进行的热力学过程。过程曲线所包围的区域是负的，这称为负循环。循环网功W=Q1-Q2，Q1为1-2-3，工质从高温热源Q2吸热为3-4-1，工质从低温热源放热，定义为循环网功与高温热源吸热之比t=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1 W3360。Q1:循环中吸收的总热量；Q2:循环中释放的总热量。角色：评估循环经济。2.热机循环的热效率；3.卡诺循环(最理想的热机循环)是由两个恒温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。1.卡诺循环的热效率取决于高温热源和低温热源的温度。当高温热源温度上升，低温热源温度下降时，卡诺循环的热效率将增加。卡诺循环的热效率总是小于1。也就是说，在循环工作的发动机中，不可能将所有吸收的热量转化为功，必须将一些热量传递给低温热源。3.当T1=T2时，卡诺循环的热效率为0。也就是说，在温度平衡系统中，不可能将热量转化为功(不可能通过单一热源循环功)。4.在T1和T2之间的某一温度范围内，无论工作介质和循环如何，都不可能制造出热效率超过1-T2/T1的热机。也就是说，最高热效率只能接近1-T2/T1。这些结论具有普遍性，适用于所有热机。卡