发动机原理课件-第一章工程热力学基础

1、第一章第一章 工程热力学基础工程热力学基础热力学热力学是研究能量（热能）性质和转换规律的科学。是研究能量（热能）性质和转换规律的科学。工程热力学工程热力学是其最早是其最早 发展的一个分支。发展的一个分支。本章主要内容：本章主要内容：1、热力状态、热力过程、参数、热力状态、热力过程、参数2、热力学的基本定理：热力学第一定理和第二定理。、热力学的基本定理：热力学第一定理和第二定理。3、典型热力过程和热力循环。、典型热力过程和热力循环。4、发动机的理想循环。、发动机的理想循环。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 重点掌握：重点掌握： 1 1、基本概念：热力系统、工质、热力状态、基

2、本概念：热力系统、工质、热力状态、理想气体等；理想气体等； 2 2、热力系统分类；、热力系统分类； 3 3、P-V图图。一、热力系统一、热力系统1 1、定义：、定义：在热力学中，把某一宏在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质体为研究观尺寸范围内的工质体为研究的具体对象，称为热力系统；的具体对象，称为热力系统；热力系热力系外界外界界面界面2 2、工质工质：在热力设备中用来实现热能与其它形式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。的能量交换的物质。热机的工质一般都是气体工质。热机的工质一般都是气体工质。通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。研究

3、对象以外的一切物质，称为研究对象以外的一切物质，称为外界外界；热力系统和外界的分界面，称为热力系统和外界的分界面，称为界面界面。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。间不变。 （具有均匀一致的（具有均匀一致的P P、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

4、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、熵、焓焓。三、基本状态参数三、基本状态参数1 1、比容：、比容：用用表示，单位是表示，单位是m m3 3/kg/kg 。定义：定义：单位质量的物质所占的容积。即：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、压力：用用P P表示，单位是表示，单位是PaPa，MpaMpa、kPakPa。定义：定义：系统单位面积上受到的

5、垂直作用力。系统单位面积上受到的垂直作用力。即：即：P=F/A P=F/A 压力的测量压力的测量3 3、温度：、温度：用用T T表示，单位是表示，单位是K K。定义：定义：表征物体的冷热程度表征物体的冷热程度（气体分子的平均气体分子的平均动能越大）动能越大）四、理想气体的状态方程四、理想气体的状态方程 1 1、理想气体：、理想气体：气体分子本身不占有体积，分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= mP=RT PV= mRT V= m 对空气，对空气，R=0.287kJ/k

6、gKR=0.287kJ/kgK 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 重点掌握：重点掌握： 1 1、基本概念：热力过程、功、热量、熵；、基本概念：热力过程、功、热量、熵； 2 2、热力状态参数与热力过程参数的区分与联系；、热力状态参数与热力过程参数的区分与联系； 3 3、功、热量的计算，正负的规定；、功、热量的计算，正负的规定； 4、T-S图图。功的计算功的计算：W=Fdx=APdx=PdVW=Fdx=APdx=PdV W W1 12 2=1 12 2PdVP

7、dV对单位质量的工质对单位质量的工质： w w1 12 2=W/m=W/m=1 12 2PdV/m=PdV/m=1 12 2Pd Pd 故故P-VP-V图上图上,W,W1 12 2为过程线与横轴围成的面积。为过程线与横轴围成的面积。一、热力过程一、热力过程热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程。热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程。 P-VP-V图上图上, ,一个点表示气体的一个热力状态一个点表示气体的一个热力状态; ; 一条曲线表示一个热力过程。一条曲线表示一个热力过程。二、功二、功（）（）气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功

8、（又称为（又称为容积功容积功）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第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律 重点掌握：重点掌握： 1 1、热力学第一定律的表述；、热力学第一定律的表述；2 2、内能与温度的关系；、内能与温度的关系；3 3、闭口系统能量方程；、闭口系统能量方程；4 4、理想气体内能的计算。、理想气体内能的计算。一、热力学第一定律一、热力学第一定律定义：定义：当热能与其它形式的

9、能量相互转换时，能的总量保当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。持不变。可表述为：不花费任何能量就产生功的可表述为：不花费任何能量就产生功的第一类永动机是第一类永动机是不存在的不存在的。可表述为：对于任何一个热力系统：可表述为：对于任何一个热力系统： 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系统内部储存能量的变化量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

10、之间的平衡关系。衡关系。二、内能（二、内能（U U）- -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：微观能量即系统的微观能量即系统的内能内能U U，包括：，包括：动能动能位能位能：机械能：机械能E E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内位能内位能与分子间的距离、吸引力有关与分子间的距离、吸引力有关, ,是比容的函数是比容的函数；内动能内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单是温度的单 值函数。值函数。 内能也称内能也称热力学能热力学能或或热能热能，仅考虑内位能和内动能。，仅考虑内位能和内

11、动能。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子对于理想气体，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，的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函数是温度的单值函数，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：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：Q=dU+WQ=dU+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=u+w q=u+w （/Kg

12、)/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。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：热容量：向热力系统加热（或取热）使之温度向热力系统加热（或取热）使之温度升高（或降低）升高（或降低）1K1K所需的热量所需的热量, ,用用C C表示。表示。比热：比热：单位质量工质的热容量，用单位质量工质的热容量，用c c表示。表示。 即即c=C/m c=C/m 单位单位J/(kgKJ/(kgK）或：或：c=dq/dTc=dq/dT（

13、即：单位质量的物质作单位温度变化（即：单位质量的物质作单位温度变化时吸时吸/ /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 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和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热定压质量比热和和定容质量比热定容质量比热，分别以符号，分别以符号c cP P 和和c c 表示。表示。 绝热指数（定熵指数或比热比）绝热指数

14、（定熵指数或比热比）：K= cK= cP P / c / c3 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，即使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定值比采用定值比热（或定比热）热（或定比热）。五、理想气体内能的计算五、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：在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为： 由于由于c=dq/dT dq=cdT q=c=dq/dT dq=cdT q=1 12 2cdTcdT q=c(T q=c(T

15、2 2-T-T1 1) )故：对于定容过程：故：对于定容过程：q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1) )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，由热力学第一定律：由热力学第一定律： q=w+uq=w+u第四节第四节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 重点掌握：重点掌握：1 1、典型热力过程的过程量的计算；、典型热力过程的过程量的计算；2 2、典型热力过程

16、在、典型热力过程在P-VP-V图和图和T-ST-S上的表示；上的表示；3 3、典型热力过程在、典型热力过程在P-VP-V图上的比较；图上的比较；4 4、多变过程的概念。、多变过程的概念。概述概述 工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环可分成几工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环可分成几个典型的热力过程进行分析，在此基础上总结出整个热力循环的个典型的热力过程进行分析，在此基础上总结出整个热力循环的热功转换规律。热功转换规律。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热力过程分析一般方法：热力过程分析一般

17、方法：研究理想气体的可逆过程，导出过程方程，研究理想气体的可逆过程，导出过程方程，按热力学第一定律计算热量、内能和功，然后引入经验修正系数，按热力学第一定律计算热量、内能和功，然后引入经验修正系数，换算成实际气体的不可逆过程。换算成实际气体的不可逆过程。可逆过程可逆过程：若状态：若状态1经历平衡过程到状态经历平衡过程到状态2，并对外做功；若外界施加同样的压，并对外做功；若外界施加同样的压缩功，偱原过程曲线回到状态缩功，偱原过程曲线回到状态1，且外界恢复到原状态。，且外界恢复到原状态。可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程，是无任何损失的理想过程。可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程，是无任何损失

18、的理想过程。一、定容过程一、定容过程1 1、定义：、定义：过程进行中系统的容积（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 W1 12 2=1 12 2PdVPdV，且且 dV=0dV=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

19、=qq=q=u=u =c=c(T(T2 2-T-T1 1) )由由 PV=RTPV=RT 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：、定义：过程进行中系统的压力保持不变。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

20、(T(T2 2-T-T1 1) )w=w=1 12 2Pd=P(Pd=P(2 2-1 1) )又又 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+w=u+w=u+u+1 12 2Pd=Pd=u+u+1 12 2RdTRdT= =u+R(Tu+R(T2 2-T-T1 1) )c 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

21、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：、定义：过程进行中系统的温度保持不变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

22、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：、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递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：

23、、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 P1 1/P/P2 2=(v=(v2 2/v/v1 1) )k k又又 Pv=RT Pv=RT P=RT/vP=RT/v TvTvk-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

24、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、更一般的过程即的过程即多变过程多变过程来描述。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。多变指数。 等压过程；等压过程；n=1,Pv=n=1,Pv=常数常数 等温过程；等温过程；n=k,P

25、vn=k,Pvk k= =常数常数绝热过程；绝热过程；n=,v=n=,v=常数常数 等容过程。等容过程。n=0,P=n=0,P=常数常数2 2、各过程在、各过程在P-vP-v图上的比较图上的比较等压线等压线:压力升高部分压力升高部分压力降低部分压力降低部分等容线等容线: :膨胀部分膨胀部分压缩部分压缩部分等温线等温线: :温度升高部分温度升高部分温度降低部分温度降低部分绝热线绝热线: :吸热部分吸热部分放热部分放热部分n=1n=1n=kn=kn=n= nW0WQQ2m2mQQ2v2v所以：所以： tvtvtmtmtptp三、活塞式内燃机理想循环的比较三、活塞式内燃机理想循环的比较1 1、在等压

26、缩比、在等压缩比 、等加热量、等加热量Q1条件下条件下2 2、循环的最高温度、最高压力相同，、循环的最高温度、最高压力相同，Q2Q2相同下相同下在在T-ST-S图上比较三种循图上比较三种循环的加热量和放热量，环的加热量和放热量，可以看出：可以看出：Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 实际内燃机中，由于实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，压缩比选取的不同，有：有：tmtm tptptvtv第三讲思考题：第三讲思考题：1.热力学第二定律如何表述？热力学第二定律如何表述？2.什么是循环净功？热机的循环热效率什么是循环净功？热机的循环热效率t？3.卡诺循环由哪几个热力过程组成？卡诺循环由哪几个

27、热力过程组成？4. 汽油机与车用柴油机的理想循环是什么循环？汽油机与车用柴油机的理想循环是什么循环？它们有哪些过程组成？它们有哪些过程组成？5. 、K、 、 对对t有何影响？有何影响？6. 在压缩比、加热量相同的情况下，三种理想循在压缩比、加热量相同的情况下，三种理想循环哪种热效率高？环哪种热效率高？热力系统的分类热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）（据界面上物质和能力交换的情况分） 闭口系统：闭口系统：与外界无质量交换的系统；与外界无质量交换的系统； 开口系统：开口系统：与外界有质量交换的系统；与外界有质量交换的系统； 绝热系统：绝热系统：与外界无热量交换的系统；与外界无热量交换

28、的系统； 孤立系统：孤立系统：与外界即无质量交换，又无与外界即无质量交换，又无 热量交换的系统。热量交换的系统。压力的测量压力的测量 当系统的压力高当系统的压力高于大气压力时，于大气压力时， 用用压力表压力表测量测量。P=PP=Pb b+P+Pg g P: P:系统压力系统压力（绝对压力）；（绝对压力）；P Pb b: :大气压力；大气压力；P Pg g: :表压力（压力表压力（压力表读数）。表读数）。压力的测量压力的测量当系统的压力低于当系统的压力低于大气压力时，用大气压力时，用真真空表空表测量。测量。P=Pb-Pv PvPv：真空表读数：真空表读数。由于表压力和真空由于表压力和真空度随大气

29、压力的变化度随大气压力的变化而变化，而变化，所以只有绝所以只有绝对压力才能作为系统对压力才能作为系统的状态参数。的状态参数。第一讲思考题：第一讲思考题：1. 什么叫热力系统？分类？什么叫热力系统？分类？2. 什么叫工质？内燃机的工质？什么叫工质？内燃机的工质？3. 什么是热力状态？热力状态参数有哪些？基本状态参数及单位什么是热力状态？热力状态参数有哪些？基本状态参数及单位如何？如何？4. 什么是热力过程？热力过程参数有哪些？单位如何？什么是热力过程？热力过程参数有哪些？单位如何？5. 什么是理想气体？其状态方程如何表示？什么是理想气体？其状态方程如何表示？4. P-V图和图和T-S图上的一点、一条曲线、曲线下面所包围的面积表图上的一点、一条曲线、曲线下面所包围的面积表示什么？示什么？ 5. 膨胀功如何计算，其正负各表示什么？膨胀功如何计算，其正负各表示什么？6. 热量的正负如