第1章 热机与热功转换的基本规律(2003版)

汽车发动机原理

(第二版)韩同群主编同济大学邓钟明主讲北京大学出版社第一篇热力工程基础第1章热机与热功转换的基本规律▼▼▼▼热能在热机中转换为机械功的过程1.1

热功转换的工质及其参数1.2

热功转换的效率1.4

理想气体的热力过程1.31.1热能在热机中转换为机械功的过程热机

将热能转换为机械能的机械装置,是原动机的一种。热机的形式

蒸汽机、内燃机和燃气轮机活塞往复式内燃机

点燃式汽油机

压燃式柴油机工质

实现热能转换为机械能的媒介物质，通常为气体1.1热能在热机中转换为机械功的过程热机

将热能转换为机械能的机械装置。是原动机的一种。工质

实现热能转换为机械能的媒介物质，通常为气体。热机的形式

蒸汽机、内燃机、燃气轮机汽车发动机往复活塞式内燃机：点燃式或压燃式1.2热功转换的工质及其参数

1.2.1

状态及状态参数

状态

热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质称为状态

状态参数

描述宏观状态的物理量称为状态参数。平衡状态热力系统在没有外界作用情况下宏观性质不随时间变化的状态称为平衡状态。

状态参数是宏观量，只有平衡态才有状态参数。1.2.1

状态及状态参数状态参数压力比体积温度热力学能焓熵基本状态参数①压力

气体压力是组成气体的大量分子在紊乱的热运动中对容器壁碰撞的结果，是单位表面积上的垂直作用力。p=F/A式中：p为压力；F为垂直作用力；A为面积。国际单位中压力的单位为Pa,中文名称为帕。1MPa=106Pa1bar=105Pa（1-1）1.2.1状态及状态参数②比体积(比容)

单位质量物质所占有的体积称为比体积。用v表示。单位为m3/kgv=V/m

密度和比体积互为倒数。③温度系统温度表示物体的冷热程度，描述分子热运动强弱的参数。（1-4）（1-2）1.2.1状态及状态参数④热力学能（内能）

宏观静止的物体，其内部的分子、原子等微粒仍在不停地运动着，这种运动称为热运动。物体因物体热运动而具有的能量称为热力学能。用符号U表示，其单位为焦耳(J)。

1kg工质所具有的热力学能称为比热力学能。用符号u表示。(1-6)⑤焓

H=U+pV

比焓：1公斤工质的焓，用h(J/kg)表示。

h=u+pv

焓是工质在某一状态下所具有的总能量，它是内能U和推动功ＰＶ之和，是一个复合状态参数，其单位为J或kJ。焓是由状态参数u、p、v组成的综合量，对工质的某一确定状态，u、p、v均有确定的数值，因而u＋pv的数值也就完全确定。

热机中工质流动，随着工质的移动而转换的能量不等于热力学能而对于焓。(1-8)（1-7）⑥熵传热与否的标志，是状态参数

熵是微元热量与温度的商，物理意义是系统可逆定温过程与外界交换的热量。其变化可以判断热量的正负。

熵用S（J/K）表示：

s（J/kg.K）为单位质量熵，称为比熵。（1-14）(1-13)熵:热力系中工质的热力状态参数之一。在可逆微变化过程中，熵的变化等于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比，可用于度量热量转变为功的程度。

(百度定义)1.2.2状态参数的坐标图

为了分析问题的方便，工程上通常采用两个独立状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态。p–v图压容图（P16图1.5，

状态参数坐标图）T–s图温熵图（p16图1.5）热量符合规定：工质从外界吸热，热量为正Q＞0，熵增加dS＞0工质对外界放热，热量为负Q＜0，熵减少dS＜0与外界没热量交换，热量等于零，熵不变dS=0热力过程是指热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。如果热力系统从一个平衡状态无摩擦地连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态，这样的过程称可逆过程。

热力循环是封闭的热力过程。（P16图1.6b）1.2.2热力过程和循环

可逆过程：系统经历一过程后，如能在过程逆向进行后使外界和系统同时回复到初始状态而不留下任何变化，则称该过程为可逆过程。可逆过程是无耗散效应（如摩擦、电阻、磁滞等等）的恢复到平衡状态的过程。1.2.3

功和热量

工质的能量交换用功和热量表示功是指热力系统通过边界和外界进行的机械能的交换量。膨胀功，压缩功，容积功

（单位质量气体做功）(1-9)(1-10)1.2.3功和热量

热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量。Q(J)热量的特点热量是两物体通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。工质与外界不通过宏观运动而交换能量的表现为热量交换。

传热与否的标志用状态参数熵S(J/K)表示。

1.2.3功和热量

热量与功的异同：1.都是通过边界传递的能量；2.都是过程量；3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温度差推动,比熵变化是传热的标志；4.功是物质间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；

热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。热力过程中工质的能量交换用功和热量表示热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的应用，可以描述为：热能和机械能可以相互转换，且在相互转换过程中，能量的总量保持守恒。

（加入热力系统的能量的总和）-（离开热力系统能量的总和）=（热力系统总能量的增量）1.2.4热力学第一定律热力学第一定律的表达式(1-15)热力系统

热力学所研究的对象。热力系统可以是一个物体，一群物体或物体的一部分。外界

与热力系统有作用关系的周围物体。边界

系统与外界的分界面。闭口系统热力系统与外界没有物质交换的系统。开口系统热力系统与外界有物质交换的系统。1.闭口系统（1）公式可用于任何过程，任何工质。（2）Q、W、U为代数值。当热力学能增加时，U>0，当热力学能减少时，U<0。（3）对可逆循环，因dw=pdv，或du=0，故：

或

对1kg工质而言，有：对微元过程而言，有：P19（图1.9）分析闭口系统的能量方程(1-18)（1-17）得出：在闭口系统中热力系统和外界交换的热量等于工质热力学能的变化与系统所做膨胀功的代数和。1.闭口系统的能量方程(1-17)2.开口系统加入热力系统的能量总和：dQ（系统内工质与外界的热量交换）+E1（流入工质带入系统的总能量）+（工质带入系统的推动功）离开热力系统能量的总和：dWs（系统内工质与外界的功量交换）+E2（流出工质带出系统的总能量）+（工质带出系统的推动功）热力系统总能量的增量：dE

式（1-19）是开口系统任何流动形式能量普遍关系式的微元形式。将（1-19）两边同时除以dt,得能量方程的流量表示，如下所示：对于稳定流动：

（1）任何截面上所有参数不随时间变化。（2）流入质量等于流出质量，即（3）系统和外界交换的热和功等一切能量不随时间变化，即

（1-20）（1-19）（4）系统本身能量不随时间变化，。将上述条件代入（1-20），对于稳定流动：两边除以，得单位时间内流入或流出1kg工质时系统的能量方程式：设为技术功

在开口系统中热力系统与外界交换是热量等于工质比焓的变化与系统所做技术功的代数和。（1-21）（1-22）（1-24）开口系统热力学第一定律表达式开口系统热力学第一定律表达式：（1）（1-24）适应任何过程，任何工质。（2）可逆过程中，

或对微元过程p,＞0,系统对外做功p,＜0,外界对系统做功或系统消耗功p不变化，=0

（1-24）（1-25a）（1-25b）（4）闭口系统中热力系统与外界交换的是膨胀功，

开口系统中热力系统与外界交换的是轴功（即技术功减去动能增量和位能增量的剩余部分）①技术功与轴功的关系：②动能和位能变化较小时：③技术功与膨胀功的关系：实际气体是考虑了分子本身体积和分子间的作用力的气体。（比体积不很大）理想气体是指气体的分子本身不具有体积，分子间也没有作用力。理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。实际应用中，当压力不很高时，很多气体（如O2、H2）均可按理想气体进行分析和计算。使问题简化，计算结果精度符合要求。1.3理想气体的热力性质

1.3.1理想气体的热力过程1.理想气体

2.理想气体状态方程式

平衡状态下气体的压力、温度及比体积三者之间的关系式称为气体状态方程式。1kg气体mkg气体nkmol气体1kmol气体(1-29)(1-30)（1-26）（1-27）摩尔气体常数3.理想气体的比热容、热力学能和焓

比热容c（J/kgK）是单位质量的物质在可逆过程中温度升高1℃（或1K）所吸收或放出的热量定容比热容定压比热容

定容比热容、定压比热容是温度的单值函数。(1-32)(1-33)(1-34)4.理想气体的熵

熵是微元热量与温度的商，物理意义是系统可逆定温过程与外界交换的热量.理想气体定值比热容过程熵的变化(1-42)(1-43)（1-39）定容比热容定压比热容

由式（1-42）和（1-43）可见：

理想气体熵的变化仅与初始状态和终了状态有关，而和它变化所经过的过程无关

理想气体的熵是状态参数。1.3.2理想气体的热力过程及参数计算1.多变过程与基本热力过程

热功转换过程中热量、热力学能、功量的定量计算有赖于过程的性质，不同的热力过程状态参数变化规律不同导致热力学能变化及热功转换数量上的不同。

基本热力过程：定容过程、定压过程、定温过程及定熵过程（又称：绝热过程）。2.多变过程参数计算（1）满足方程pvn=常数的过程，其中n为常数（2）状态参数间关系：比热容为定值(1-47)（3）比熵变化：（4）功和热量的计算

称为多变过程比热。3.四种基本热力过程参数的计算通过分析多变过程（pvn=常数），四种基本热力过程的热功转换问题就迎刃而解了，对应不同的基本热力过程问题的各种形式只需将不同的n值代入或按照多变过程的类似的分析方法分析即可。例如对定温过程，已知它是当n=1时的多变过程，所有相应的公式只需将多变过程中的n换成1即可。

定容过程定压过程定温过程绝热过程多变指数n01k

定压过程：n=0，斜率

定容过程：n=，斜率

定温过程：n=1，斜率

等熵过程：n=k，斜率1.3.3四种基本热力过程的p-v图及T-s图(1-48)多变过程在p-v图上的斜率：

定压过程：n=0，斜率

定容过程：n=，斜率

定温过程：n=1，斜率

等熵过程：n=k，斜率1.3.3四种基本热力过程的p-v图及T-s图Cn:多变过程比热多变过程在T-s图上的斜率：(1-49)多变过程在p-v图和T-s图的规律定性分析

定容定压定温绝热(1-21)由图1.21能分析一热力过程转换及比较不同热力过程功量及热量的大小：（1）热力学能及焓的增减依定温线为分界线：在定温线上方（T-s图）或右上方（p-v图）

＞0,则＞0

,

△h＞0

在定温线下方（T-s图）或右下方（p-v图）

＜0，则＜0，△h＜0（2）功量的正负依定容线为分界线：

在定容线右方（p-v图）或右下方（T-s图）

△V＞0，则W＞0，工质对外做功在定容线右方（p-v图）或右下方（T-s图）

△V＜0，则W＜0，外界对工质做功（3）热量的正负依绝热线为分界线：

在绝热线右方（T-s图）或右上方（p-v图）

△s＞0，则q＞0,工质从外界吸热在绝热线左方（T-s图）或左下方（p-v图）

△s＜0，则q＜0,工质对外界放热1.4热功转换的效率1.4.1热机循环热力学第一定律说明了热量和功量两者之间可以相互转换，且在数量上有一定的当量关系，即规定了热能与机械能在转换过程中量的守恒关系。热力学第二定律则是从另一个角度研究热功转换问题，它是关于解决过程进行的方向、条件和限度等问题的规律热力循环

工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程，称系统经历了一个热力循环。在状态参数坐标图上，循环的全部过程一定构成一个闭合曲线，整个循环可看作一个闭合过程。热机循环

将热能转化为机械能的循环称为热机循环，也称为正向循环、热动力循环。

以1kg工质在封闭汽缸中进行的正向循环为例，分析热机循环性质。P34页图1.24热机循环Wo:工质完成一循环对外做出的净功（循环功）qo:吸热量与放热量之差（循环净热量）由p-v图可知，热机不仅有对外做功过程，还必须有耗功过程。由T-s图可知，热机不仅有吸热过程，还必须有放热过程。完成一个正向循环后全部效果为：1）高温热源放出了热量q1（或热机中工质从高温热源吸热q1）。2）低温热源获得了热量q2（或热机中工质向低温热源放热q2）。3）热机将(q1－q2)=q0(1-51)的热量转化为功。4）工质与机器设备回复到原来状况，没有变化。1.4.1热机循环结论

热机中工质从高温热源得到的热能q1，其中只有部分可以转化为功，在部分热能（q1－q2）转化为功的同时，必有另一部分q2传向低温热源，后者是使热能经过热循环转化成为功的必要条件。因此，一切热动力装置都只能将从热源得到的热量中的一部分转化成为功，这是热动力循环根本特性。正向循环的经济性用热效率t来衡量，即ηt↑，表明吸入同样的热量q1时得到的循环功w0↑，表明循环的经济性越好。（1.52）热力学第二定律的几种典型表述1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。（热量传递）2.开尔文—普朗克叙述——不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而不在外界留下任何影响。（热能和机械能转换的方向性）1.4.2热力学第二定律卡诺循环及热效率

卡诺循环是指两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的封闭循环。卡诺循环卡诺循环及热效率等熵等温图1.25卡诺循环及热效率（卡诺循环的热效率公式）(1-53)2）3）第二类永动机不可能制成；1）卡诺循环及热效率利用热能产生动力，一定要有温度差。（1-53）4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：

a）一切过程不可逆；

b）气体实施等温吸热，等温放热困难；5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。决定循环热效率的根本因素是工质吸热时温度和放热时温度。卡诺循环及热效率卡诺定理

定理1：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工