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： 1. 常用工质的热力性质； 2. 热能和机械能之间的转换规律，热力学第一定律、第二定律； 3. 热力状态变化过程、基本热力参数之间的关系和变化； 4. 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。

主要内容 1. 2.

3. 4. 5.

基本概念及定义 热力学第一定律 气体的热力过程 热力学第二定律 发动机理论循环(教材1.1)

第一节一、热力学系统

基本概念及定义

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 。

工质— 用以实现热功转换的工作物质。 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。

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。*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。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。

3. 基本状态参数： 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。V v mm3/kg

密度和比体积互为倒数，即

m 1 V v

kg/m3

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。 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。

p p b pe p pb p v

压力的单位：Pa,工程上常用MPa(1 MPa=106 Pa)。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

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 t =T-273.15 K

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。

三、热力过程、准静态过程、可逆过程热力过程——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。

准静态过程应用的条件

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。

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：

δW Fdx

对可逆过程，F=pA,所以

δw pAdx pdv

,

w δ w p dv 1 2 ,1 1

2

2

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。 4、功量在p-v图上的表示

p-v图上过程曲线与横坐标所夹的面积表示功。

5、功是过程量，与路径(过程)有关

//

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。四、熵的导出及定义： 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。

功量：δW pdV , 势：p 热量： 因此有 势：T

W1 2 1 pdV 状态坐标:V状态坐标: ?

2

取描述热量传递的状态坐标为熵：S,单位为J/K。

δQ TdS

Q1 2 1 T dS

2

2 δ Q T d S S 对1kg工质： δq Td Tds 和 q1 2 1 Tds m m m

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。 q ds ( ) rev T 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。ds 0, 系统吸热 ds 0, 系统放热

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1、定义： 1kg物质温度升高1K(或1℃)所需的热量。 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——1 mol物质温度升高1 K(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1 m3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) 。

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。

⑶加热时工质的状态比热容是随着温度的升高而增大的。 c a0 a1T a2T 2 a3T 3 1)真实比热容 考虑温度对比热容的影响 q1 2 t2 2)平均比热容 cm t 1 t2 t1 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。

七、理想气体状态方程式状态方程式：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。 理想气体状态方程式(克拉贝龙方程): 对1mol理想气体： pVm=RT R=8.314 510 J/(mol· K) —摩尔气体常数； Vm—摩尔容积，m3/mol 。 对1kg理想气体： pv=Rg T 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。

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): E Ek Ep U宏观动能 宏观位能

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