第1章 基本概念

第一章

基本概念

BasicConceptsandDefinition1-1热能在热机中转变为机械能的过程奥迪(进口)-奥迪A8

发动机电动机总功率(kW)排量(mL)最大功率(kW)进气形式缸径(mm)行程(mm)奥迪A82016款A8L30FSI舒适型2.5L204马力V6-2498150自然吸气--奥迪A82016款A8L40hybrid2.0T211马力L4401984155涡轮增压--奥迪A82016款A8L45TFSIquattro时尚型3.0T290马力V6-2995213机械增压84.589奥迪A82016款A8L60TFSIquattro豪华型4.0T435马力V8-3993320双涡轮增压--奥迪A82016款A8L6.3FSIW12quattro旗舰型6.3L500马力W12-6299368自然吸气8690.4

内燃机的工作原理图

内燃机的工作原理图活塞曲柄连杆机构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-热力系统，要有热能的来源（燃料燃烧）和去处（尾气等中的热能排到环境）-热源，要有热能转化成机械能的媒介物（燃气）-工质工质:实现热能和机械能相互转化的媒介物质。热源:工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。高温热源（热源--

heat

source

）

低温热源（冷源—heat

sink）恒温热源(constant

heat

reservoir)变温热源1-2热力系统（或称热力系）热力系统：人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统，简称为系统或热力系。外界：系统以外的一切物质系统。边界：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。一、热力系统二、热力系统分类（一）以系统与外界关系划分：

有无是否传质开口系

闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系闭口热力系(CM)开口热力系(CV)•注意：1、系统与外界的人为性；

2、边界可以是：

a）刚性的或可变形的或有弹性的

b）固定的或可移动的

c）实际的或虚拟的

边界特性真实、虚构固定、活动系统系统界面热力系、界面、外界例研究气缸中的气体(打开阀门)。是什么热力系？1234mQW1开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4孤立系热力系统物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态多相单相（二）热力系统其它分类：思考题结论：

1、不计恒外力场影响；

2、多相系未必不均匀—湿蒸汽；

单元系未必均匀—气液平衡分离状态；

1、多相系一定不均匀。2、单元系一定是均匀的。简单可压缩系统simplecompressiblesystem

体积变化功压缩功膨胀功定义：由可压缩物质组成，无化学反应、与外界只有交换体积变化功的有限物质系统。1-3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参数：描述热力系状态的物理量状态参数的特征：1、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：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态参数的微分特征：全微分状态参数的积分特征

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。数学上：点函数、态函数12ab例：温度变化山高度变化状态参数的微分特征设z=z(x,y)dz是全微分充要条件：可判断是否是状态参数状态参数的分类

①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┄。②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┄。如：温度、压力、比容如：热力学（内能）、焓、熵。１按能否用仪器或仪表进行直接或间接测量划分２按与系统内包含物质多少有无关系划分①强度量——与系统内包含物质的多少无关。②广延量——与系统内包含物质的多少有关。如：温度、压力等。如：体积、热力学能、焓、熵等。注意：广延量的比参数具有强度量的性质如：比体积、比热力学能、比焓、比熵等基本状态参数１.比体积、密度和重度①比体积单位质量物质所占有的容积，称为比体积。表达式②密度单位容积的物质所具有的质量，称为密度。表达式表达式③重度单位容积内所含有物质的重量，称为重度。２.压力热力系的单位面积上所受到的垂直作用力。表达式或上式计算出的是热力系的真实压力称为绝对压力

p。常用的压力单位间的关系测量的压力一般是工质绝对压力与环境压力的相对值——相对压力注：barometricpressure（atmosphere）U形管式压力计示意图真空度pe表压力例题1-l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1-2所示，设大气压力为97kPa。

(1)若压力表B、表C的读数分别为75kPa，0．11MPa，试确定压力表A上的读数，及容器两部分内气体的绝对压力。(2)若表C为真空计，读数为24kPa，压力表B的读数为36kPa，试问表A是什么表?读数是多少?解:(1)因

由上式得

则

或

(2)由表B为压力表知，pI>pⅡ；又由表C为真空计知

所以，表A一定是真空计。于是则

讨论

(1)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p和环境压力之间的相对值，而不是工质的真实压力。

(2)这个环境压力是指测压计所处的空间压力，可以是大气压力pb，如题目中的表A、表C。也可以是所在环境的空间压力，如题目中的表B，其环境压力为pⅡ。

1)温度T的一般定义传统：冷热程度的度量。微观：衡量分子平均动能的量度

3.温度2)热力学第零定律温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计3)温度的热力学定义

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，用于描述此宏观特征的物理量温度。

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4)温度的测量温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标②热力学温标ＴＫ5)常用的温标①摄氏温标

t℃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0℃。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的。0℃与100℃这两个基准点之间分成100等分,

每一等分为1度。基准点：纯水的汽、液、固三相平衡共存的状态点(三相点)为基准点，并规定它的温度为273.16K。

常用的温标常用温标（temperature

scale）绝对K摄氏℃

华氏℉朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水冰点发烧水沸点559.67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·摄尔修斯（AndersCelsius，1701～1744）在1742年首先提出的一种经验温标。安德斯·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。为了避免测量低温时出现负值，他把水的沸点定为零度，而冰点定为100度。到1750年根据他的同事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100度。开始人们称它为“瑞典温度计”，大约在1800年人们才称它为摄氏温度计。1948年在巴黎召开的第九届国际计量大会根据“名从主人”的惯例，把百分温标正式命名为“摄氏温标”，以纪念摄尔修斯。摄氏温标的单位是“摄氏度”，用℃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。华氏温标（Fahrenheittemperaturescale）℉华氏度是以其发明者德国人GabrielD.Fahrenheit（华伦海特1681—1736）命名的。1714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(华氏温标)来划分的。最初，华氏温标选用NH4Cl(氯化铵)和水的混合物的凝固点温度为0°，而以人(他妻子)的体温为96°。此后，改为水的冰点为32°，而以水沸点的温度为212°，这就是华氏温标，用符号℉表示。温标的换算例题l-2定义一种新的线性温度标尺——牛顿温标(单位为牛顿度，符号为oN)，水的冰点和汽点分别为100oN和200oN。

(1)试导出牛顿温标TN与热力学温度T的关系式。(2)热力学温度为0K时，牛顿温度为多少oN?

解:(1)若任意温度在牛顿温标上的读数为TN，而在热力学温标上的读数为T，则

(2)当T=0K时，由上面所得的关系式有1-4平衡状态,状态方程,坐标图

定义：若无外界影响系统保持状态参数值不随时间而改变的状态。

温差—

热不平衡势压差—

力不平衡势化学反应—

化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势一、平衡状态thermodynamicequilibriumstate•热平衡—thermalequilibrium：

在无外界作用的条件下，系统内部系统与外界处处温度相等。•力平衡—mechanicalequilibrium：

在无外界作用的条件下，系统内

部，系统与外界处处压力相等。•热力平衡的充要条件—系统同时达到热平

衡和力平衡。平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的为什么引入平衡概念？

如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡如何描述二、状态方程对于简单可压缩系统,状态方程:或三、状态参数坐标图1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。1-5工质的状态变化过程平衡状态状态不变化能量不能转换非平衡状态无法简单描述热力学引入准静态（准平衡）过程12v21p一、准静态过程(准平衡过程)2系统随时接近于平衡态针阀的开度非常小（Δp→0）准静态过程有实际意义吗？既是平衡，又是变化既可以用状态参数描述，又可进行热功转换疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程的工程条件破坏平衡所需时间（外部作用时间）恢复平衡所需时间（驰豫时间）>>有足够时间恢复新平衡

准静态过程准静态过程的工程应用例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程活塞运动速度=200020.15/60=10m/s压力波恢复平衡速度（声速）350m/s破坏平衡所需时间（外部作用时间）>>恢复平衡所需时间（驰豫时间）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。“突然”“缓慢”可逆过程的描述：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始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程。可逆过程的描述注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。二、可逆过程可逆过程的实现准静态过程+无耗散效应=可逆过程无不平衡势差通过摩擦使功变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源耗散效应

耗散效应典型的不可逆过程不等温传热节流过程

(阀门）自由膨胀混合过程可逆过程与准平衡过程的区别：1.可逆过程一定是准平衡过程；2.准平衡过程不一定是可逆过程。实际过程都是不可逆过程！三、循环过程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。v1pvp可逆循环不可逆循环循环过程及在坐标图上的表示1-6过程功和热量一、功的定义定义:力和力的方向上位移的乘积.对于过程1-2:

符号约定:热力系统对外输出功为正,外界对系统作功为负.

二、可逆过程的功

功有何性质?1.是过程量,不是状态量2.其大小与初、终状态有关,

也与路径有关v1p2ab三、过程热量定义:热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量.

计算公式:sT21热量单位:J,kJ系统吸热时为正

Q>0