第一章 工程热力学基础知识

第一章工程热力学基础知识第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期四工程热力学研究主要内容

热力学基本定律常用工质的热力性质分析计算实现热能和机械能相互转换的各种热力过程和热力循环，阐明提高转换效率的正确途径第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期四参考资料[1]陈培陵.汽车发动机原理[M].人民交通出版社,2004.[2]张西振,吴良胜.发动机原理与汽车理论[M].人民交通出版社,2004.[3]沈维道.工程热力学（第3版）[M].高等教育出版社,

2001.第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期四第一节气体的热力性质

第二节热力学第一定律

第三节气体的热力过程

第四节热力学第二定律第一章工程热力学基础知识第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期四一、气体的基本状态参数二、热力系统、平衡态和热力过程三、理想气体的状态方程式四、工质的比热第一节气体的热力性质第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期四一、气体的基本状态参数

1.工质1）工质：热能机械能2）工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质。3）气态工质：气体和蒸气媒介物质第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2.气体的状态参数

1）定义：标志气体热力状态的各个物理量

2)状态参数压力温度比容内能焓熵基本状态参数第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期四1)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。2)真空度：p0pgppvp大气压力线只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数！（1）压力p

表压力

绝对压力

gp第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期四表示气体冷热程度的物理量

摄氏温度：用t表示，单位为℃热力学(开尔文或绝对)温度：用T表示，单位为K

只有热力学温度才是状态参数！（2）温度T第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期四1）比容：单位质量的物质所占有的体积。式中V——体积；m——质量。2）密度：单位容积的物质所具有的质量。（3）比容v第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期四二、热力系统、平衡态和热力过程1.热力系统1）热力系统：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象。2）外界：与该系统有相互作用的其它系统。3）边界：系统与外界的分界面。边界的性质：可以是真实的，也可以是假想的；可以固定也可以移动。第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期四4）分类封闭系统：绝热系统：孤立系统：开口系统：系统与外界无物质交换系统与外界有物质交换系统与外界无热量交换系统与外界无任何相互作用，既无物质交换，也无能量交换

第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2.平衡态

系统中气体各部分的温度和压力必须均匀一致，并且不随时间的变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。3.热力过程1）热力过程：热力系统从一个状态向另外一个状态变化时所经历的全部状态的总和。2）内平衡过程：热力系统从一个平衡状态连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另外一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程。3）内不平衡过程第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期四4）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。pv122´1´v2v1W可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程p1p2第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期四三、理想气体的状态方程理想气体：气体内部其分子不占有体积，分子间又没有吸引力的气体。1kg理想气体：mkg理想气体：R

——气体常数，大小取决于气体的种类。第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期四四、工质的比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所

吸收或放出的热量。2.表达式：3.定容比热：气体在容积不变的条件下被加热时的比热，。

定压比热：气体在压力不变的条件下被加热时的比热，。第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期四4.比热比：（绝热指数）（等熵指数），5.梅耶公式：RKKCp1-=第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期四能量转换与守恒定律第二节热力学第一定律热力学第一定律热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。

热能机械能相互转换第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期四

一切物质都具有能量，能量既不可能创造，也不可能消失，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式，而在转换中，能量的总量恒定不变。能量转换与守恒定律进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期四主要内容：一、功、热量和内能

二、封闭系统能量方程式

三、开口系统稳定流动能量方程式四、熵及温熵图

第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期四一、功、热量和内能

1.功功不是热力状态的参数，是一个过程量

。Aw第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2.热量3.内能热量为正热量为负系统吸热系统放热过程量工质的内能：工质内部所具有的各种能量的总称。对于理想气体：内能是温度的单值函数，工质的内能是一个状态参数。mkg工质的内能：

1kg工质的内能：第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期四二、封闭系统能量方程式

已知：1kg工质封闭在气缸内进行一个可逆过程的膨胀作功。

第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期四三、开口系统稳定流动能量方程式

已知：1kg工质在开口系统中作稳定流动，Ⅰ-Ⅰ界面为进口，Ⅱ-Ⅱ界面为出口，假设系统在该过程中从外界吸入的热量为q，对外输出功为wsh。ⅡⅡwshqZ1p1v1C1C2Z2p2v20第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2.焓：3.开口系统能量方程式：mkg工质的焓:

1kg工质的焓:

焓=内能+推进功

推进功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推进功等于pv。第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期四四、熵及温熵图

dw=pdvpv12v2v1dva）P-v图dq=TdsTs12s2s1dsb）T-S图第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期四1.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绝对温度所得的比值。2.熵的性质1）熵是一个状态参数；2）只有在平衡状态下，熵才有确定值；3）与内能和焓一样，通常只求熵的变化量，而不必求熵的绝对值；4）熵是可加性的量；5）在可逆过程中，从熵的变化中可判断热量的传递方向；6）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可行性。第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期四第三节气体的热力过程热力过程基本一般定容过程定压过程绝热过程等温过程第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期四一、定容过程

工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。pv12′2sT2′12第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期四二、定压过程

pv122′Ts2′12

v＝定值

p＝定值工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。T2T1第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期四二、定压过程

pv122′Ts2′12定容定压工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期四三、定温过程

pv122′Ts122′工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期四四、绝热过程

pv122′Ts12′2系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。等熵过程：可逆的绝热过程。dq=0第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期四五、多变过程

凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程。n＝01K∞n−多变指数定压等温绝热定容第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期四第四节热力学第二定律一、热力循环与循环热效率二、热力学第二定律的几种表达三、卡诺循环与卡诺定理四、孤立系统的熵增原理第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期四一、热力循环与循环热效率1)定义：工质从初态出发，经过一系列的变化又回到初态的封闭过程，简称循环。1.热力循环正向循环：把热能转变为机械能的循环（热机循环）。2)分类逆向循环：依靠消耗机械能而将热量从低温热源传向高温热源的循环（热泵循环）。第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期四pv12Ts123)热机循环第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期四pv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)热机循环W第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2.循环热效率

第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期四二、热力学第二定律的几种表达

表述：1）不可能创造出只从热源吸热作功而不向冷源放热的热机。2）热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。根据长期制造热机的经验总结出：为了连续的获得机械能，必须有两个热源，热机工作时，从高温热源取得热量，把其中一部分转变为机械能，而另一部分传给低温热源，这是实现热功转换的必要条件。

根据长期制造制冷机的经验总结出：不管利用什么机器，都不可能不付代价的实现把热量由低温物体转移到高温物体。

第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期四三、卡诺循环与卡诺定理

1.卡诺循环第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期四1）卡诺循环的组成工作于两个热源间的，由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆正向循环。2）卡诺循环的热效率第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2.卡诺定理定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。定理二：在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。第四十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期四2）指出了热机实现热功转换的条件：必须具有两个或两个以上温度不同的热源。3）指出了提高热机热效率的根本途径：提高热源的温度，降低冷源的温度，尽可能减少或降低不可逆因素的影响。卡诺定理的意义：1）给出了循环热效率的极限值。第四十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期四

在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着使系统熵增大的方向进行，在极限情况（即可逆过程）下，系统的熵保持不变。四、孤立系统的熵增原理

判断自然界一切自发过程实现的可行性第四十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期四总结2.热力学第一定律3.气体的热力过程4.热力学第二定律功、热量、内能；封闭系统能量方程式；开口系统能量方程式；熵及温熵图。4个基本热力过程。热力循环、循环热效率；卡诺