第一章工程热力学及基础

汽车发动机原理与汽车理论为什么要学习汽车发动机原理与汽车理论？怎样学习汽车发动机原理与汽车理论？如何获得好成绩？介绍构成工程热力学理论基础的热力学第一定律和热力学第二定律；常用工质的热力性质；分析计算实现热能与机械能相互转换的各种热力工程和热力循环，阐明提高转换效率的正确途径。第一章工程热力学及基础第一节热功转换的基础知识能量能源能量是对物质运动的度量。万物无时不在在运动之中。能量的不同形式。指能够直接或间接提供能量的物质资源。一次能源：二次能源：热能是人类最早认识和利用能量，火的利用是极大地促进了人类的文明进程。热能的直接利用热能的间接利用——各种各样的热机第一节热功转换的基础知识工质在热机中实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，在热机中依靠工质的状态变化（如膨胀）才能获得功，而做功通过工质才能传递热。工质的基本条件：具有好的流动性和受热后有显著的膨胀性，并有较大的热容量及安全可靠，具有较好的稳定性，环境污染小（对环境友善），价格低廉，储量大（容易大量获取）。工质的物质条件：气体或由液态转变为气态的蒸气，如蒸汽轮机中的蒸气，内燃机中的燃气，制冷装置中的氨蒸气等。工程热力学的基本概念研究对象：热力系统的描述：状态参数间的关系：状态参数的变化：发生热力过程的原因：热力系统状态和状态参数状态方程热力过程功和热热力系统在热力学研究中，选取作为分析对象的某特定范围内的物质或空间叫做热力系统。与热力系统发生物质和能量交换的其他物质体系称为外界。系统与外界之间的分界面称为边界。边界可以是:真实的或假想的;固定的或移动的。开口系统：与外界之间既有能量又有物质交换的系统；封闭系统或闭口系统：与外界之间只有能量(功和热)而没有物质交换的系统；绝热系统：与外界之间没有热量交换的系统；孤立系统：与外界之间既没有能量也没有物质交换的系统。第一节热功转换的基础知识热力系统电厂热力系统汽车发动机的气缸内气体也是一个热力系统工质热力状态参数标志工质（气体）热力状态的物理量叫做工质（气体）状态参数。常用的工质（气体）状态参数：压力p温度T比体积v内能U焓H

熵S可直接测量基本状态参数推导状态参数气体的状态参数气体或液体的压力p——气体或液体对单位面积容器内壁所施加的垂直作用力。液体和气体表面的压力压力是重力和分子运动共同作用的共同结果。绝对压力P气体或液体的压力压力的国际单位帕斯卡（符号Pa）是国际单位制(SI)的压力或压强单位。在不致混淆的情況下，可简称帕。它等于一牛顿每平方米。以法国数学家、物理学家兼哲学家布莱士·帕斯卡命名。表压力pg是绝对压力p高出外界大气压力的p0的数值。如果容器内的压力p低于外界的大气压力p0时，表压力为负值，叫真空度人类对冷和热的认识气体状态参数——温度热力学温度T是国际单位制中温度的基本单位，单位为K。只有热力学温度才是气体的状态参数。气体状态参数——比体积比体积—单位质量的物质所占的体积。密度—单位体积物质具有的质量，是比体积的倒数。工质的平衡态系统中气体各部分的温度和压力必须均匀一致（热平衡和机械平衡），且不随时间而变化，该状态称为热力学平衡状态。处于平衡状态时，气体的所有状态参数都有确定的数值。理想气体方程式假设气体内部分子不占体积，分子之间没有引力的气体叫理想气体。热力工程学中，近似地将空气、燃气、烟气等气体作为理想气体。理想气体方程式，对于1kg理想气体的状态方程或mkg的理想气体，体积为V=mv，其状态方程为式中：R为气体常数，其数值与气体种类有关，单位理想气体方程反映气体三个基本状态参数之间的内在关系理想气体方程式理想气体状态方程，又称理想气体定律，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。建立在玻义耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律等经验定律上。玻义耳－马略特定律——等温玻义耳－马略特定律它反映气体的体积随压强改变而改变的规律。对于一定质量的气体，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比；式中常量的大小与气体系统的温度和气体物质的量有关。实际气体只是在压强不太高、温度不太低的条件下才服从这一定律。查理定律——等容由法国物理学家查理（1746--1823）通过实验发现。一定质量的气体，当其体积一定时，它的压强与热力学温度成正比。盖·吕萨克定律——等压1802年，盖·吕萨克发现气体热膨胀定律压强不变时，一定质量气体的体积跟热力学温度成正比。即V1/T1=V2/T2=……=C恒量。理想气体方程式对于1k摩尔（kmol）理想气体，其质量为μkg(μ为气体的相对分子质量)，体积为μv=Vm（m3/kmol）,则1kmol理想气体的状态方程为设，即有在温度和压力均相同情况下，相同体积的任何气体都具有相同数目的分子。阿佛加德罗定律。阿佛加德罗阿佛伽德罗，意大利化学家，他的重大贡献，是在1811年提出了一种分子假说:“同体积的气体，在相同的温度和压力时，含有相同数目的分子”。这一假说称为阿伏伽德罗定律。科学上把含有阿伏伽德罗常数（约6.02×10²³)个微粒的集体作为一个单位，叫摩尔，单位符号是mol。物质的量是物理量，表示含有一定数目粒子的集合体。通用气体常数与气体常数理想气体方程在物理标准状态（p0=101325Pa,T0=273.15K）下，kmol气体的体积Vm的数值为22.4(m3/kmol)，则可以计算得到mkg理想气体状态方程kmol理想气体状态方程工质的比热容工质的比热容

—单位量的物质发生单位温度变化时所吸收或发出的热量。比热容的单位比质量热容：c=kJ/kg.K比摩尔热容：cm=kJ/kmol.K比容积热容：cm=kJ/m3.K比定压热容、比定容热容与比热容比气体在压力不变或体积不变的情况下，被加热使单位量气体的温度升高1K所吸收的热量，记为比定压热容和比定容热容比定压千摩尔热容和比定容千摩尔热容记为比热容比(等熵指数)定义梅耶公式理想气体的比定压热容要大于比定容热容一个数值，即：因为比热容比所以，有真实比热容，平均比热容与定比热容大量试验和量子力学理论研究表明，理想气体真实的比热容与压力无关，可以表示为这里，是常数。如果已知气体的真实比热容与温度的关系为，气体由被加热到所需要的热量为气体在范围内平均比热容为热力过程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过程叫热力过程。内平衡过程——热力系统从一个平衡（均匀）状态连续经历一系列（无数个）平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态，这样的过程叫内平衡过程。内不平衡过程可逆过程第二节热力学第一定律在热能与其他形式的能相互转换时，能的总量不变。热力学第一定律进入系统的能量－离开系统的能量=系统内能量的变化功、热量和内能功定义——力和沿力作用方向的位移的乘积。工质在可逆过程中所做的膨胀功

热量，热量与功之间的关系热量：系统和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。外界传递给系统的热量为正，系统释放给外界的热量为负。热量的单位是J或kJ（焦耳）热量传递时，能量的形态不发生变化。热量与功可以相互转换。功转变为热是无条件的；热转变为功是有条件的。工质的内能工质内部所具有的所有能量叫工质内能。工程热力学认为，工质的内能有工质分子热运动的动能和克服分子间作用力的分子位能的总和。分子运动动能的宏观表现是温度。分子位能的宏观表现是压力。工质状态的变化在本质上是工质内能的变化。工质内能的变化由初始状态和终止状态决定，与过程无关。封闭系统能量方程式外界传递给封闭系统的热量等于封闭系统内能的增量与系统对外所做的功的和。热量必须通过工质才能够完成向功的转换。如果封闭系统的容积不变，则系统对外作功等于零，开口系统稳定流动能量方程式熵与温熵图熵的性质熵是一个导出状态参数；只有在平衡状态下，熵才有确定值；与内能和焓一样，通常只需要熵变化量，不求绝对值；熵是可加性量，S=mS；在可逆过程中，从熵的变化过程可以判断热量的传递方向；通过熵可以判断自然界一切自发过程的熵变。第三节热力过程分析定容过程定容过程系统状态变化过程中容积保持不变。第三节热力过程分析定容过程定容过程第三节热力过程分析定压过程定压过程系统状态变化过程中压力保持不变。第三节热力过程分析定压过程定压过程第三节热力过程分析定温过程定温过程系统状态变化过程中温度保持不变。第三节热力过程分析定温过程定温过程第三节热力过程分析定温过程定温过程第三节热力过程分析定熵过程绝热可逆过程的熵保持不变。方程式为定熵过程状态参数之间的关系第三节热力过程分析定熵过程熵过程状态参数之间的关系第三节热力过程分析定熵过程热量分析定熵过程是绝热过程功分析第三节热力过程分析定熵过程定熵过程定温过程理想气体多变过程热力过程中，工质的所有状态参数均在改变，状态参数变化规律n→多变指数，在0~∞之间变化。在某一个多变过程中，n为确定数值，在不同的多变过程中，n可0~∞之间变化。实践中多段不同多变指数来比值在不同的多变过程。理想气体多变过程理想气体多变过程方程多变指数状态方程过程n=0p=定值定压过程n=1pv=定值定温过程n=kpvk=定值定熵过程n=±∞v=定值定容过程理想气体多变过程状态参数间的关系理想气体多变过程功和能量变化多变过程特性分析归纳一下状态参数（p,T,v,u,h,s）能量转换关系（q,w,wt）归纳一下基本过程是多变过程的特例热力学第二定理自发过程在自然状态下，热永远都只能由热处转到冷处。在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性。自发过程是不可逆的。第四节热力学第二定律克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。”鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯（RudolfJuliusEmanuelClausius，1822年1月2日－1888年8月24日），德国物理学家和数学家，热力学的主要奠基人之一他最重要的论文于1850年发表，该论文是关于热的力学理论的，其中首次明确指出热力学第二定律的基本概念。他还于1855年引进了熵的概念。热力学第二定律不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。开尔文1851年他提出热力学第二定律：并且指出，如果此定律不成立，就必须承认可以有一种永动机，它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功，即所谓的第二种永动机。他从热力学第二定律断言，能量耗散是普遍的趋势。热力循环工质从某一初态出发，经过一系列的中间状态变化，又回复到原来状态的全部过程称为热力循环。将热能转变为机械功热力循环→正循环

消耗机械功将热量从低温热源传向高温热源的热力循环→逆循环热效率用热效率来评价热力循环的经济性。卡诺循环与卡诺循环效率卡诺定律1）相同高温热源T1