第0章 工程热力学基础

第0章工程热力学基础热力学：研究热能以及热能和其它能量转换规律的学科。工程热力学：研究和热能工程有关的热能和机械能相互转换的规律。基本任务：通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，不断提高热能利用率和热功转换效率。

本章学习发动机基本理论所必须的热力学知识。其主要内容有：常用工质的热力性质；热能和机械能之间的转换规律，热力学第一定律、第二定律；热力状态变化过程、基本热力参数之间的关系和变化；发动机理想循环，探讨提高发动机性能、提高热效率的方法和途径，为学习发动机原理提供必要的理论基础和计算方法。1.基本概念及定义2.热力学第一定律3.气体的热力过程4.热力学第二定律5.发动机理论循环（教材1.1）主要内容一、热力学系统

热力学系统（热力系统、热力系、系统）——人为选定的某些确定的物质或某个确定空间中的物质。

外界—系统之外与系统能量转换过程有关的一切其他物质。

边界—分割系统与外界的界面。第一节基本概念及定义工质—用以实现热功转换的工作物质。＊热源——具有无限热量储存能力的假想热力系统，其作用只是与其他系统交换热量。一般情况下，交换热量后其温度不发生变化。

高温热源：向其他系统供热的热源；低温热源：吸收其他系统放出热量的热源。系统的分类：闭口系统——与外界无质量交换的系统（控制质量）。开口系统——与外界有质量交换的系统（控制容积、控制体）。绝热系统——与外界无热量交换的系统。孤立系统——与外界既无能量（功量、热量）交换，又无质量交换的系统。系统的选取，取决于分析问题的需要及分析方法上的方便。二、热力学系统的状态及基本状态参数基本状态参数：可以直接测量得到的状态参数（p、v、T）。导出状态参数：由基本状态参数计算得到的状态参数（u、h、s等）。状态参数的特点：状态参数仅决定于状态。对应某一确定状态，就有一组状态参数。反之，一组确定的状态参数就可以确定一个状态。状态参数的数值仅决定于状态，而与达到该状态的所经历的途径无关。1.热力学状态：热力学系统所处的宏观状况。2.状态参数：描述系统热力学状态的宏观物理量。一、比体积v

——单位质量物质占有的体积。描述系统内部物质分布状况的参数。3.基本状态参数：m3/kg

密度和比体积互为倒数，即kg/m3

绝对压力p：流体的真实压力。

相对压力(表压力pe、真空度pv)：压力计(真空表)显示的压力。二、压力(压强)p——流体在单位面积上的垂直作用力。描述流体物质组成的热力系统内部力学状况的参数。

压力的单位：Pa，工程上常用MPa(1MPa＝106Pa)。其他还在应用的压力单位有bar

(巴)、atm

(标准大气压)、mmHg

(毫米汞柱，0℃)及mmH2O

(毫米水柱，4℃)等t＝T－273.15K三、温度T——表征物体的冷热程度，是描述系统热状况的参数。

按气体分子运动学说，气体的温度为气体分子平均移动动能的量度。

热力学温标的基本温度为热力学温度T，采用水的固相、液相和汽相三相共存状态的温度作为定义热力学温标的固定点，规定该点的热力学温度为273.16 K。

热力学温标也用摄氏温度t来表示。单位为℃(摄氏度)。摄氏温度的定义为4.平衡状态和状态参数坐标图

平衡状态：在没有外界影响的条件下，热力系统的宏观状况不随时间变化的状态。平衡条件：热平衡——系统内具有均匀一致的温度。力平衡——系统内具有确定不变的压力分布。化学平衡

系统状态变化，取决于系统和外界间的能量传递。状态公理表明，确定系统平衡状态所需的独立状态参数的数目等于系统和外界间进行能量传递方式的数目。对于常见的气态物质组成的系统，没有化学反应时，它和外界间传递的能量只有热量和系统容积变化功，因此只要有两个独立的状态参数即可确定系统的状态。

热力过程——热力学状态连续变化的历程。非准静态过程——由一系列不平衡状态组成的过程。准静态过程——由一系列无限接近平衡状态的准静态组成的过程。

准静态过程进行的条件：推动过程进行的作用无限小。三、热力过程、准静态过程、可逆过程

实际过程是否可以作为准静态过程来处理取决于弛豫时间。弛豫时间：气体平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间。

大部分实际过程可近似看做准静态过程。因为气体分子热运动平均速度可达每秒数百米以上，气体压力传播速度也达每秒数百米，因而在一般工程设备的有限空间内，气体的平衡状态被破坏后恢复平衡所需的时间，即弛豫时间非常短。例如，内燃机的活塞运动速度仅每秒十余米，与其中的气体分子热运动的平均速度相比相差一个数量级，机器工作时气体工质内部能及时地不断建立平衡状态，因而工质的变化过程很接近准静态过程。准静态过程应用的条件可逆过程——热力学系统进行一个热力过程后，能沿原过程逆向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何变化的热力过程。摩擦、涡流以及温差传热等均为不可逆因素。可逆过程=无耗散的准静态过程，即无温差，无摩擦的准静态过程四、功1、定义：功的定义（力学）：W＝F

x

功的热力学定义：热力学系统和外界间通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。

功是过程量；功是传递的能量（瞬时量）。2、容积变化功：直接由系统容积变化与外界间发生作用而传递的功（膨胀功或压缩功）。3、功的计算：由气缸和活塞所包围的热力系统进行一个微元过程，如活塞所受推力F，位移dx,则系统对外界作的膨胀功为：功的符号：系统对外作功（膨胀功，dv>0）为正；外界对系统作功（压缩功,dv<0）为负。p-v图上过程曲线与横坐标所夹的面积表示功。4、功量在p-v图上的表示5、功是过程量，与路径(过程）有关

//对可逆过程，F=pA,所以，，五、热量一、热量的定义：热力学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。二、热量是过程量；热量是传递的能量（瞬时量）。热量是物体间通过紊乱的分子运动发生相互作用而传递的能量；而功则是物体间通过有规则的微观运动或宏观运动发生相互作用而传递的能量。三、热量符号：系统吸热时热量为正，系统放热时热量为负。

1、热量与功量的类比：

势（势参数）：推动能量传递的作用力，如p,T。状态坐标：其变化可作为衡量某种能量传递作用的标志，如v。四、熵的导出及定义：

功量：

势：p

状态坐标:V热量：

势：T

状态坐标:

？

取描述热量传递的状态坐标为熵：S,单位为J/K。因此有对1kg工质：和

，2、熵及温熵图（T-s图）1）熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时的绝对温度所得的商。2）熵是工质的一个状态参数3）熵的变化可判断热量传递的方向。4）T-s图T-s图中过程曲线与横坐标所夹的面积表示热量。六、工质的比热容2、影响比热容的因素⑴物量单位质量热容(比热容)c——1kg物质温度升高1K(或1℃)所需的热量，摩尔热容——1mol物质温度升高1K(或1℃)所需要的热量，用Cp,m及Cv,m表示，单位为J/(mol·K)。容积热容——标准状态下1m3的气体温度升高1 K(或1 ℃)所需要的热量，用Cp及Cv表示，单位为J/(m3·K)。1、定义：

1kg物质温度升高1K(或1℃)所需的热量。⑵热力过程性质热量是过程量。比热容与热力过程有关。定容过程的比热容称为比定容热容cv

,定压过程的比热容称为比定压热容cp.设比热比

k=cp/cv.k又称绝热指数。比热容是随着温度的升高而增大的。1）真实比热容考虑温度对比热容的影响2）平均比热容考虑温度对比热容的影响3）定值比热容不考虑温度对比热容的影响，把比热容作为常量。⑶加热时工质的状态七、理想气体状态方程式理想气体状态方程式（克拉贝龙方程）：

对1mol理想气体：

pVm＝RT

R＝8.314510J/(mol·K)—摩尔气体常数；Vm—摩尔容积，m3/mol

。

对1kg理想气体：pv＝RgT

Rg＝R/M—气体常数，M—摩尔质量。

对n(mol)理想气体：

pV＝nRT

对m(kg)理想气体：

pV＝mRgT

理想气体状态方程式表示了三个基本状态参数之间的内在联系。状态方程式：三个基本状态参数(p,v,T

)之间的函数关系，即：F(p,v,T)＝0显函数形式：T＝f1(p，v)，p＝f2(v，T)，v＝f3(p，T)

理想气体：相互之间没有作用力的质点组成的可压缩流体。第二节热力学第一定律一、热力学第一定律热能可以转换为机械能。机械能也能转换为热能。转换中能量的总量守恒。即

W=Q

[J]W---功Q---热量热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用。二、热力学能U热力学能U是系统内部各种形式能量的总和。包括内动能（是温度的函数）和内位能（是压力或比体积的函数）。热力学能也是工质的状态参数。对理想气体，热力学能仅是温度的单值函数。U=f(T)系统的总能量E（J）：宏观动能宏观位能三、闭口系统能量方程式

闭口系统与外界间可能发生的能量交换：Q和W

一般不作整体位移，Ek与Ep的变化均为零，因此与外界交换能量（功量W、热量Q）的结果只是导致热力学能U的变化。

对于热力过程1-2,有

对1kg工质，有

正、负号规定：系统吸热为正，放热为负；系统对外作功为正，外界对系统作功为负。

上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。

对于微元过程，有闭口系统能量方程式说明：闭口系统在热力过程中从外界接受的热量，一部分用于增加系统的热力学能，另一部分用于对外界作功。闭口系统能量方程式的应用：定容过程的加热量或放热量的计算；发动机压缩、燃烧、膨胀过程能量计算等。

对可逆过程:四、开口系统稳定流动能量方程式及焓1、开口系统稳定流动能量方程式整个系统各点的热力状态和流速、流量均不随时间而变化的流动称为稳定流动。上式说明：稳定流动过程中，系统接受的热量，一部分用于对外输出轴功及净推动功，另一部分则用于使流过系统的工质增加热力学能、宏观动能及重力位能。轴功：一般为通过机器轴所传递的功。推动功：在进、出口界面上为推动工质进、出系统所传递的功。2、焓1）焓的定义焓也是工质的一个状态参数。理想气体的焓也是温度的单值函数。(pv=RgT)2）引入焓之后的稳定流动能量方程式

3）焓的物理意义：焓并不能看作是工质储存的能量，而是随工质流动跨越边界而转移的能量。热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。由，有即←热力学第一定律的另一主要形式。，3、开口系统稳定流动能量方程式的应用气体在喷管中的流动；发动机进气、排气过程等。第三节气体的热力过程在发动机中热能向机械能的转换是通过工质状态的变化及热力过程来实现的，因此对热力过程基本规律进行分析是很重要的。分析热力过程的目的是：1、确定热力过程中气体状态参数的变化规律；2、揭示出热力过程中能量变换的特性。假设工质为理想气体，热力过程为可逆过程，比热容为定值比热容。一、定容过程1、过程方程式v=常量2、p-v图、T-s图在p-v图上，定容过程曲线为一条垂直于v轴的铅垂线。在T-s图上，定容过程曲线为一条对数曲线。3、状态参数的变化4、能量的变化（略）

比体积保持不变时系统状态发生变化所经历的过程。二、定压过程1、过程方程式p=常量2、p-v图、T-s图在p-v图上，定压过程曲线为一条平行于v轴的水平线。在T-s图上，定压过程曲线为一条较为平坦的对数曲线。3、状态参数的变化4、能量的变化（略）///

压力保持不变时系统状态发生变化所经历的过程三、定温过程1、过程方程式T=常量2、p-v图、T-s图在p-v图上，定温过程曲线是一条等边双曲线。在T-s图上，定温过程曲线是一条平行于s轴的水平线。3、状态参数的变化4、能量的变化（略）

温度保持不变时系统状态发生变化所经历的过程四、绝热过程（定熵过程）1、过程方程式2、p-v图、T-s图在p-v图上，绝热过程曲线是一条高次双曲线。在T-s图上，绝热过程曲线是一条平行于T轴的垂直线。

系统与外界不发生热量交换时所经历的过程。

无功耗散的准静态绝热过程即为定熵过程，因此有3、状态参数的变化4、能量的变化（略）五、多变过程(1)过程方程式

各种热力过程，其过程方程式通常都可以表示为下述形式：式中，n为多变指数，-∞<n<+∞。

前述的四种典型过程均为多变过程的一个特例：

当n=0时，pv0=p=常量，即为定压过程；

当n=1时，pv=常量，即为定温过程；

当n=κ时，pvκ=常量，即为绝热过程；

当n=∞时，p1/nv=p0v=v=常量，即为定容过程。2、p-v图、T-s图多变过程在状态参数坐标图上的一些规律：

①n值顺时针方向增大。②dv>0,功量为正。③ds>0,热量为正。//④dT>0→du>0，dh>0。3、状态参数的变化4、能量的变化（略）第四节热力学第二定律热力学第二定律说明了热能向机械能转换时过程的方向性、条件及限度问题。一、热力学第二定律的两种表述方法说法1：开尔文-普朗克说法（针对热功转换问题，说明热功转换条件）：

“不可能建造一种循环工作的机器，其作用只是从单一热源吸热并全部转变为功”。

“第二类永动机（单热源热机）是造不成的”。

“热机的热效率不可能达到100%”

。即热机工作时除了有高温热源提供热量外，同时还必须有低温热源，把一部分来自高温热源的热量排给低温热源，作为实现把高温热源提供的热量转换为机械功的必要补偿。说法2：克劳修斯说法（针对传热问题，说明热量传递过程的方向性。）“不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其他的变化”。即当利用制冷机实现由低温物体向高温物体传递热量时，还必须消耗一定的机械功，并把这些机械功转变为热量放出，以此作为由低温物体向高温物体传递热量的补偿。热力学第二定律的概括性表述：一切自发地实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。二、热力循环使工质经过一系列的状态变化重新回到原来状态的全部过程，称为热力循环。重复这些循环就能连续不断地把热能转变为机械能。循环又分为正向循环和逆向循环。正向循环(热机循环）：将燃料燃烧放出的热能转变为机械功，实现热功转换的热力循环。逆向循环（制冷循环）：消耗一定的机械功，实现热量由低温物体向高温物体传递的循环。1、热机循环

吸热量

放热量循环净功热机循环热效率

实践证明：企图不向温度较低的环境放热而把高温物体的热能连续地完全转换为机械能是不可能的。

2、制冷循环吸热量放热量耗功制冷系数实践证明，企图不消耗机械功而实现由低温物体向高温物体传递热量是不可能的。三、卡诺循环和卡诺定理1、卡诺循环的组成卡诺循环：利用两个热源，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热组成的热机循环。2、卡诺循环的热效率3、卡诺定理在两个给定的热源间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。推论：在两个给定的热源间工作的热机，其循环热效率的最大限度等于卡诺循环的热效率。卡诺循环及卡诺定理的理论指导意义在于它揭示了在一定温差间工作的热机循环的最高极限，指出了提高热效率的方向——即提高工质吸热时的温度和降低工质放热时的温度。但提高工质吸热时的温度往往受金属材料耐温性质的限制，降低工质放热时的温度又受限于自然环境的温度。所有发动机的热效率就必须有一个理论上的极限值。实际循环由于有摩擦、节流、涡流以及温差传热等影响因素的存在，其热效率必低于相应的可逆循环。四、孤立系统的熵增原理1、孤立系统的熵增原理

dSiso≥0即孤立系统的熵变不可能减小，不可逆过程中孤立系统的熵总是不断增大，可逆过程中孤立系统的熵保持不变。上述原理称为孤立系统熵增原理。2、熵是孤立系统内过程方向性的判据用以判断过程实现的可能性。凡是符合熵增原理的就能实现，反之，两者熵的总和减少的过程是不可能实现的。推论：孤立系统内过程的方向只能朝着熵增加的方向进行。（因为可逆过程实际是不存在的。）熵增原理给热力学分析带来了很大方便。1）以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质物理及化学性质保持不变，比热容为常数。2）忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。3）把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵可逆过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄漏对循环的影响。4）将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热过程，将排气过程简化为等容放热过程。5）所有过程为可逆过程一、实际循环向理论循环简化的假设条件第五节发动机理论循环

（见教材第一章第一节）二、理论循环的评价指标1、循环热效率ηt定义：工质所做循环功与循环加热量之比。式中：W—mkg工质的循环净功[J]Q1、Q2—mkg工质在循环中吸收、放出的热量[J]ηt用来评定循环中的经济性。2、循环平均压力pt定义：单位气缸工作容积所做的循环功。式中：Vs—气缸工作容积[L]Pt用来评定循环的动力性。

(a)等容加热循环(b)等压加热循环(c)混合加热循环三、四冲程内燃机的理论循环三、三种理论循环1、三种理论循环的p-v图混合加热循环的p-v图定容加热循环的p-v图定压加热循环的p-v图///循环特性参数定义：

实际循环：

0-1进气过程（由于进气阻力，气缸内压力稍低于环境压力）

1-2压缩过程（由于传热作用，多变指数变化）

2-3-4燃烧过程（燃烧需要时间）

4-5膨胀(作功)过程（由于传热，多变指数变化）

5-0

自由排气过程＋强制排气过程（一）、混合加热循环（萨巴特循环）

理想化：1.热力过程的理想化①进气过程→0-1大气压力下定压进气②压缩过程→1-2定熵（绝热）压缩③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热（外热源加热）④膨胀过程→4-5定熵（绝热）膨胀⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线2.工质以理想气体对待开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消）得到如下理论循环。

混合加热循环的热效率：利用内燃机的特性参数来表示热效率：

①压缩比：②压力升高比：1-2为绝热过程2-3为定容过程3-4为定压过程③预胀比：4-5为绝热过程混合加热循环热效率将各点温度与特性参数的关系代入热效率表达式，得到可见：。；混合加热循环的循环净功：利用循环中各状态间的参数关系，可以得到可见：。（二）、定容加热循环和定压加热循环①定容加热循环（奥图循环）特点：ρ＝1，为混合加热循环的一个特例，将ρ＝1代入混合加热循环的热效率及循环净功的表达式，即分别有可见：。；②定压加热循环（笛塞尔循环）

特点：λ＝1，为混合加热循环的一个特例，将λ