《发动机原理》课件.ppt

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1、Speaker:Lin Ying学院、系室：学院、系室：交通学院交通学院 交通工程系交通工程系专业、年级、班级：专业、年级、班级：交通运输交通运输0909级（级（1 1）（）（2 2）主讲教师：主讲教师：丁丁 艺艺 教授教授发动机原理发动机原理 福建农林大学福建农林大学 20112011年年0808月月1132内燃机的循环内燃机的循环发动机性能指标发动机性能指标 34发动机的换气过程发动机的换气过程发动机的燃烧过程发动机的燃烧过程5发动机的特性发动机的特性工程热力学基础知识工程热力学基础知识36 汽车是现代交通运输的主要工具之一。汽车运输汽车是现代交通运输的主要工具之一。汽车运输具有机动、灵活

2、、快速、换装少、货损少、效率高、具有机动、灵活、快速、换装少、货损少、效率高、效益高的特点。汽车与国民经济发展紧密相连、与人效益高的特点。汽车与国民经济发展紧密相连、与人民日常生活密切相关。民日常生活密切相关。汽车工业是机械电子工业的一个重要组成部分，汽车工业是机械电子工业的一个重要组成部分，也是一个综合性的工业部门和技术密集行业。在一定也是一个综合性的工业部门和技术密集行业。在一定程度上，一个国家的汽车工业代表了这个国家的工业程度上，一个国家的汽车工业代表了这个国家的工业发达水平。发达水平。发动机是汽车的心脏，发动机是汽车的心脏，发动机原理发动机原理是交通运是交通运输（汽车运用工程）专业的必

3、修课程。输（汽车运用工程）专业的必修课程。绪 论 概概 述述 发动机原理发动机原理以发动机性能为主要研究对象，把合以发动机性能为主要研究对象，把合理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高汽车发动机性能指标的一般规律。高汽车发动机性能指标的一般规律。本课程的任务是研究汽车发动机的工作过程及整机性本课程的任务是研究汽车发动机的工作过程及整机性能，使学生掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能能，使学生掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工

4、作过程的内在联系；掌握性能实验的基本方指标与各工作过程的内在联系；掌握性能实验的基本方法以及数据处理与分析；了解影响整机性能的基本途径，法以及数据处理与分析；了解影响整机性能的基本途径，为从事汽车发动机的管理、使用、维护与修理提供理论为从事汽车发动机的管理、使用、维护与修理提供理论基础。基础。绪 论 绪 论 发动机：将某种形式的能量转化为机械（发动机：将某种形式的能量转化为机械（Engine）能的一种机器。能的一种机器。组件式组件式GIS技术技术 空间数据挖掘技术空间数据挖掘技术GIS与数据挖掘集成技术与数据挖掘集成技术 绪 论 发动机（狭义）：发动机（狭义）：主要制用于可移动的交通工具或主要

5、制用于可移动的交通工具或 可移动的机械设备上的动力装置。如航空发动机、可移动的机械设备上的动力装置。如航空发动机、船舶、汽车、拖拉机船舶、汽车、拖拉机 现代汽车发动机（现代汽车发动机（Automotive Engine）多为往复）多为往复 式的内燃机。式的内燃机。绪 论 内燃机：内燃机：将燃料在气缸内燃烧，使其热能直接转化为将燃料在气缸内燃烧，使其热能直接转化为 机械能的机器。机械能的机器。往复活塞式发动机往复活塞式发动机(Reciprocating Piston Engine)：活活 塞在气缸中作往复运动的发动机。塞在气缸中作往复运动的发动机。蒸汽机和目前大多内燃机都是往复活塞式发动机。蒸汽

6、机和目前大多内燃机都是往复活塞式发动机。现代汽车发动机如果不加特别说明，一般都是往复现代汽车发动机如果不加特别说明，一般都是往复活塞式发动机。活塞式发动机。现代汽车用发动机的燃料有汽油、柴油、酒精和液现代汽车用发动机的燃料有汽油、柴油、酒精和液化石油气等。但目前广泛使用的还是汽油和柴油。化石油气等。但目前广泛使用的还是汽油和柴油。绪 论 该门课程主要内容及安排该门课程主要内容及安排 主要内容：主要内容：汽车发动机的实际工作过程与性能指标；汽车发动机的实际工作过程与性能指标；燃烧热化学与热计算；换气过程及燃烧过程的进行与使燃烧热化学与热计算；换气过程及燃烧过程的进行与使用因素的影响；发动机噪声及

7、排放污染的形成机理与防用因素的影响；发动机噪声及排放污染的形成机理与防止措施；主要特性（负荷特性、速度特性、万有特性）止措施；主要特性（负荷特性、速度特性、万有特性）与制取方法及分析；车用发动机的废气涡轮增压等。与制取方法及分析；车用发动机的废气涡轮增压等。基本要求：基本要求：(1)明确本课程的地位、性质、任务及主要研究对象；明确本课程的地位、性质、任务及主要研究对象；了解目前国内外研究水平及主要发展方向了解目前国内外研究水平及主要发展方向;(2)重点掌握发动机实际循环及指示指标、有效指标、重点掌握发动机实际循环及指示指标、有效指标、机械效率的定义、计算与分析；明确实际循环的各项损机械效率的定

8、义、计算与分析；明确实际循环的各项损失及减少损失的的基本途径失及减少损失的的基本途径;绪 论(3)明确换气过程的进行；重点掌握充气系数的概念及影响因素与明确换气过程的进行；重点掌握充气系数的概念及影响因素与 提高充气系数的措施；了解进排气管内的动力效应提高充气系数的措施；了解进排气管内的动力效应;(4)熟悉汽油机及柴油机的混合气形成；掌握汽油机正常燃烧过程熟悉汽油机及柴油机的混合气形成；掌握汽油机正常燃烧过程 的特点与分期及不正常燃烧现象与形成机理；掌握柴油机燃烧的特点与分期及不正常燃烧现象与形成机理；掌握柴油机燃烧 过程的特点与分期；了解柴油不正常喷射发生的原因及消除措过程的特点与分期；了解

9、柴油不正常喷射发生的原因及消除措 施；明确使用因素对燃烧过程的影响施；明确使用因素对燃烧过程的影响;(5)掌握发动机噪声及排放污染形成机理、测定方法与防治措施；掌握发动机噪声及排放污染形成机理、测定方法与防治措施；明确使用因素对发动机噪声及排气中有害气体浓度的影响。明确使用因素对发动机噪声及排气中有害气体浓度的影响。(6)明确发动机特性的定义、基本分析式及研究意义；重点掌握负明确发动机特性的定义、基本分析式及研究意义；重点掌握负 荷特性、速度特性、调速特性、万有特性曲线的制取方法与分荷特性、速度特性、调速特性、万有特性曲线的制取方法与分 析；掌握大气修正方法。了解车用发动机的废气涡轮增压技术析

10、；掌握大气修正方法。了解车用发动机的废气涡轮增压技术;绪 论 教学教学安排安排：课堂教学课堂教学30学时。学时。课程成绩评定课程成绩评定：平时成绩（作业、测验、课堂表现）平时成绩（作业、测验、课堂表现）占占30%，期末考试成绩占，期末考试成绩占70%。联系方式：联系方式：手机)0599-8509588（办）QQ 417689541 绪 论 主要参考书主要参考书 发动机原理（林学东编著）机械工业出版社发动机原理（林学东编著）机械工业出版社 汽车发动机原理（徐兆坤主编）汽车发动机原理（徐兆坤主编）清华大学出版社清华大学出版社 汽车发动机原理（张志沛主编）汽车发动机原理（张志沛主编）人民交通出版社人

11、民交通出版社 汽车发动机原理（陈培陵主编）汽车发动机原理（陈培陵主编）人民交通出版社人民交通出版社 汽车拖拉机发动机（董敬、庄志）汽车拖拉机发动机（董敬、庄志）中国农业机械出版社中国农业机械出版社 工程热力学（庞麓鸣）工程热力学（庞麓鸣）工程热力学（曾丹玲）工程热力学（曾丹玲）工程热力学（沈维道）工程热力学（沈维道）汽车构造（各种版本）汽车构造（各种版本）1-4 1-4 热力学第二定律热力学第二定律 1-3 1-3 气体的主要热力过程气体的主要热力过程 1-1 1-1 气体的热力性质气体的热力性质 第第一一章章工工程程热热力力学学基基础础知知识识1-2 1-2 热力学第一定律热力学第一定律 工

12、程热力学基础知识1-1 气体的热力性质 一、气体的热力状态及其基本状态参数一、气体的热力状态及其基本状态参数 内燃机：燃料在机器内部燃烧的发动机（热能内燃机：燃料在机器内部燃烧的发动机（热能机械能）。机械能）。内燃机中，热能向机械能的转换是通过气体状态的变化来实现内燃机中，热能向机械能的转换是通过气体状态的变化来实现的。在气缸中，气体不断经历压缩、吸热、膨胀、放热等热力过的。在气缸中，气体不断经历压缩、吸热、膨胀、放热等热力过程，气体的热力状态在不断发生变化。程，气体的热力状态在不断发生变化。气态工质：气态工质：气体气体远离液态，不易液化的气态远离液态，不易液化的气态 蒸气蒸气刚由液态过渡过来

13、或比较容易液化的气态刚由液态过渡过来或比较容易液化的气态 内燃机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气）。内燃机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气）。(一一)气体的热力状态气体的热力状态 气体在任何一个瞬刻的状态就是它在该瞬刻所处的物气体在任何一个瞬刻的状态就是它在该瞬刻所处的物理条件。理条件。(二二)状态参数状态参数 标志气体热力状态的物理量。每一个状态参数都是从标志气体热力状态的物理量。每一个状态参数都是从某一方面来描写气体所处的状态。某一方面来描写气体所处的状态。工程热力学中常用工程热力学中常用的状态参数有的状态参数有6个：个：压力压力P 比容比容V 温度温度T 内能内能U 熵熵S 焓焓H

14、基本状态参数基本状态参数 （可直接测量、应用最多）（可直接测量、应用最多）工程热力学基础知识工程热力学基础知识 温度温度T：Temperature 温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程度。与大量分子平均移动能的大小成正比。度。与大量分子平均移动能的大小成正比。其中：其中：比例系数比例系数 m 分子的质量分子的质量 分子直线运动的均方根速度分子直线运动的均方根速度 是国际单位制是国际单位制SI中基本单位中基本单位 温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个热力学状

15、态参数。热力学状态参数。工程热力学基础知识 温标：（测量温度的标尺）温标：（测量温度的标尺）（1）绝对温标）绝对温标TK，单位是，单位是“开尔文开尔文”，代号，代号K，（也称热力学温，（也称热力学温度）。热力学温度将水的三相点作为度）。热力学温度将水的三相点作为273.16K（冰、水、汽三相同（冰、水、汽三相同存的平衡状态称为水的三相点）。每一度的间隔为存的平衡状态称为水的三相点）。每一度的间隔为1/273.16，水的，水的冰点为冰点为273.15K。（按分子运动学推算到分子热运动停止的状态，。（按分子运动学推算到分子热运动停止的状态，取为热力学温标取为热力学温标0 K，所以热力学温度不可能有

16、负值）。，所以热力学温度不可能有负值）。注：只有热力学温度才可作为状态参数注：只有热力学温度才可作为状态参数（2）摄氏温标）摄氏温标 =-273 (273.15K，水的冰点温度，水的冰点温度)一般工程计算中，一般工程计算中，取取273K已足够精确已足够精确;国际单位制国际单位制SI容许使用摄氏温度容许使用摄氏温度t，并定义为，并定义为 ，与与t每一度间隔相等。每一度间隔相等。工程热力学基础知识（3）朗肯温标）朗肯温标 =1.8K（4）华氏温标）华氏温标 =+459.67 工程热力学基础知识 压力压力P：单位面积上所受的垂直作用力称为压力。单位面积上所受的垂直作用力称为压力。根据分子运动论，气体

17、的压力是大量分子向容器壁面撞击的平根据分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均结果。（统计量）均结果。（统计量）单位：在国际单位制（单位：在国际单位制（SI）中，压力单位是）中，压力单位是“帕斯卡帕斯卡”，代号，代号Pa（N/m2）成正比。）成正比。1KPa=103Pa 1MPa=106Pa (千帕千帕)（兆帕）（兆帕）在工程实际中，使用的压力单位有在工程实际中，使用的压力单位有“标准大气压标准大气压”，代号，代号atm；及及“巴巴”，代号，代号bar；“工程大气压工程大气压”，代号代号at(kgf/cm2)。1atm=101325 Pa=101.325 KPa 1bar=105

18、Pa 1个工程大气压个工程大气压1at(kgf/cm2 压力的测量：气体的压力通常使用压力计或真空计测量。压力的测量：气体的压力通常使用压力计或真空计测量。因为压力计读数是气体的真实压力与大气压力的差值，称为因为压力计读数是气体的真实压力与大气压力的差值，称为“表表压力压力”，用，用P表表（Pg）表示。气体的真实压力称）表示。气体的真实压力称“绝对压力绝对压力”，用，用P绝绝（P）表示，大气压力用）表示，大气压力用P0表示。表示。当当P绝绝P0时时 P绝绝=P0+P表表（P=P0+Pg）当当P绝绝 ，与与 关系式可由第一关系式可由第一定律解析式导出。定律解析式导出。在一定温度下，同在一定温度下

19、，同一种气体的一种气体的 与与 值彼此不等，值彼此不等，且且 ，与与 关系式可由第一关系式可由第一定律解析式导出。定律解析式导出。工程热力学基础知识(四四)比热与加热时工质的状态关系比热与加热时工质的状态关系(与温度和压力关系与温度和压力关系)实验证明：气体的比热是温度、压力的函数。实验证明：气体的比热是温度、压力的函数。对于理想气体，比热仅是温度的函数。对于理想气体，比热仅是温度的函数。(因理因理想气体分子间没有相互作用力，因而分子具有想气体分子间没有相互作用力，因而分子具有内动能而不存在内位能。因此，理想气体的比内动能而不存在内位能。因此，理想气体的比热仅是温度函数，与压力、比容无关。）热

20、仅是温度函数，与压力、比容无关。）理想气体：理想气体：理想气体理想气体 与与 的关系极为复杂，可的关系极为复杂，可近似表近似表示为示为：（）式中：式中：、等系数均由实验确定，与气体等系数均由实验确定，与气体种类有关。（常数）种类有关。（常数）工程热力学基础知识 如果以比热为纵坐标，温度为横坐标，则得如果以比热为纵坐标，温度为横坐标，则得 的关系曲线。的关系曲线。可见不同的温度对应不同的比热。可见不同的温度对应不同的比热。工质在每一温度下所对应的比热工质在每一温度下所对应的比热称为工质的称为工质的“真实比热真实比热”。=面积面积1、2、因比热随因比热随T不同而变化，使计算复杂，为使计不同而变化，

21、使计算复杂，为使计算方便，取平均比热算方便，取平均比热 。平均比热：平均比热：在一定温差范围内单位量物质所吸在一定温差范围内单位量物质所吸收或放出的热量和温度差之比值。收或放出的热量和温度差之比值。=面积面积1、2、=面积面积ABCD=AC 工程热力学基础知识 矩形高矩形高AC表示在表示在 至至 范围内的平均比热范围内的平均比热 =工程上将平均比热制成表，可直接查取。此表的温度是从工程上将平均比热制成表，可直接查取。此表的温度是从0（因若（因若 、温度都变化，使制表困难）温度都变化，使制表困难）12=面积OE2DO-面积C0E1C =又 工程热力学基础知识 在作要求不高的估算时，忽略温度对比热

22、的影响，采用在作要求不高的估算时，忽略温度对比热的影响，采用定值比定值比热热。（只按理想气体的原子数确定比热）。（只按理想气体的原子数确定比热）注：注：定值比热仅用在定性计算，不可用在定量计算。定值比热仅用在定性计算，不可用在定量计算。定值比热是在低温范围内的近似值，温度越高，误差越大。定值比热是在低温范围内的近似值，温度越高，误差越大。工程热力学基础知识(五五)理想混合气体及其比热理想混合气体及其比热 内燃机的工质通常是由各种气体组成的混合气体，燃气由内燃机的工质通常是由各种气体组成的混合气体，燃气由CO2、O2、N2及少量及少量SO2、H2o、CO等组成。在高温时，燃气内部存在极等组成。在

23、高温时，燃气内部存在极复杂的化学反应，高温分解，低温还原，研究十分困难，但高温时复杂的化学反应，高温分解，低温还原，研究十分困难，但高温时间极短，一般在间极短，一般在1400以下时，分解、分离现象相对次要。所以，以下时，分解、分离现象相对次要。所以，我们常将混合气体视为理想气体研究。（不存在化学反应）我们常将混合气体视为理想气体研究。（不存在化学反应）有关理想气体的公式和定律对理想混合气体也都适用。有关理想气体的公式和定律对理想混合气体也都适用。：理想混合气体的平均摩尔质量：理想混合气体的平均摩尔质量 ：理想混合气体的平均摩尔质量：理想混合气体的平均摩尔质量 工程热力学基础知识 式中：式中：组

24、成气体的质量组成气体的质量 组成气体的摩尔数组成气体的摩尔数 理想混合气体的比热：理想混合气体的比热：其比热取决于各组成气体的比热和其相对成分。其比热取决于各组成气体的比热和其相对成分。第种组成气体的相对重量成分第种组成气体的相对重量成分 （）工程热力学基础知识1-2 热力学第一定律一、几个基本概念一、几个基本概念1、功、功 work工程热力学基础知识 平常工程热力学说的简单系统只有一种形式的功平常工程热力学说的简单系统只有一种形式的功膨胀功（亦膨胀功（亦称容积功）。称容积功）。容积功：容积功：作用在系统边界的力使系统边界发生位移，并使容积发作用在系统边界的力使系统边界发生位移，并使容积发生变

25、化而作功。生变化而作功。设一千克工质在气缸中进行膨胀，经历一个可逆过程设一千克工质在气缸中进行膨胀，经历一个可逆过程 是可逆过程是可逆过程 式中：式中：活塞移动活塞移动 时工质作的微量功时工质作的微量功 膨胀过程中工质在某瞬间的压力膨胀过程中工质在某瞬间的压力 工程热力学基础知识整个过程整个过程1-2中所中所作作的功应为的功应为 m千克工质所作的功，则为千克工质所作的功，则为 （）以上两式为工质在可逆过程中以上两式为工质在可逆过程中对外界（包括活塞）所作膨胀功对外界（包括活塞）所作膨胀功的数学表达式，如已知在状态变的数学表达式，如已知在状态变化过程中化过程中 与与 的变化规律，的变化规律，即过

26、程方程式即过程方程式 ，即可，即可求得功量。求得功量。工质在可逆过程中所作得功可工质在可逆过程中所作得功可以用以用 图上过程曲线下的面图上过程曲线下的面积表示。所以，压容图亦称示功积表示。所以，压容图亦称示功图。图。工程热力学基础知识 从示功图可知，膨胀功的数值不仅决定于工质初态和终态，而且从示功图可知，膨胀功的数值不仅决定于工质初态和终态，而且 和过程经过的途径有关，即与过程的性质有关。和过程经过的途径有关，即与过程的性质有关。所以，膨胀功所以，膨胀功不不 是状态参数，而是过程的函数。是状态参数，而是过程的函数。规定：膨胀功为正，压缩功为负规定：膨胀功为正，压缩功为负工程热力学基础知识2、热

27、量、熵、热量、熵 热量（热量（hert）：依靠温差而传递的能量称为传热量或称热量。：依靠温差而传递的能量称为传热量或称热量。功与热的比较功与热的比较 规定：系统吸收热量为正，放热为负规定：系统吸收热量为正，放热为负 abc功与热都是与过程有关的过程量功与热都是与过程有关的过程量 功与热都是边界现象，只是在系统的边界才能看到功与热都是边界现象，只是在系统的边界才能看到 功与热都是路径函数，不是状态参数功与热都是路径函数，不是状态参数 工程热力学基础知识 熵和温熵图（示热图）熵和温熵图（示热图）在可逆过程中，外界向系统的传热量与传热时的绝对温在可逆过程中，外界向系统的传热量与传热时的绝对温度之比称

28、为系统的熵的增量。度之比称为系统的熵的增量。a m m千克工质千克工质 （可逆）可逆）1 1千克工质千克工质 （如不可逆（如不可逆 ）做功推动力做功推动力 传热推动力传热推动力 这用完全形式逻辑对比引出，但这不是很好的说明，只是为了加深记忆这用完全形式逻辑对比引出，但这不是很好的说明，只是为了加深记忆工程热力学基础知识温熵图温熵图 图图b 00 系统吸热系统吸热可逆过程可逆过程 000 0工程热力学基础知识3、热力学循环、热力学循环 Thermodyhamic Cycle 在热力学系统中，工质的状态经过连续的变化过程又恢复到起在热力学系统中，工质的状态经过连续的变化过程又恢复到起始状态，在这一

29、过程中，系统与外界间进行了功、热交换，称之为始状态，在这一过程中，系统与外界间进行了功、热交换，称之为热力学循环。热力学循环。同一个循环过程，可以在同一个循环过程，可以在 图或图或 图上示出。图上示出。3、热力学循环、热力学循环 Thermodyhamic Cycle 在热力学系统中，工质的状态经过连续的变化过程又恢复到起在热力学系统中，工质的状态经过连续的变化过程又恢复到起始状态，在这一过程中，系统与外界间进行了功、热交换，称之为始状态，在这一过程中，系统与外界间进行了功、热交换，称之为热力学循环。热力学循环。同一个循环过程，可以在同一个循环过程，可以在 图或图或 图上示出。图上示出。工程热

30、力学基础知识二、热力学第一定律二、热力学第一定律 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。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。能量转换定律（能量转换定律（The Lew of Conservation Energy）是）是1843年英国年英国业余物理学家业余物理学家Joule通过大量实验找出热功当量，实际上是德国一通过大量实验找出热功当量，实际上是德国一个医生个医生Mayer在在1842年已发现，但他的论文未被采纳。年已发现，但他的论文未被采纳。能量转换及守恒定律：能量转换及守恒定律：自然界一切物质都具有能量，能量有自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它

31、能够从一种形式转换为另一种形式，在转换各种不同的形式，它能够从一种形式转换为另一种形式，在转换中能量保持不变。中能量保持不变。热力学第一定律：热力学第一定律：“在任何发生能量转换的热力过程中，转在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后的总能量维持恒定。换前后的总能量维持恒定。”或：或：“第一类永动机是不可能造成。第一类永动机是不可能造成。”工程热力学基础知识 或：或：“热能可以转变为机械能，机械能也可以转变为热能，热能可以转变为机械能，机械能也可以转变为热能，一定量的热能可以转化为数量相当的机械能，一定量的机械能也一定量的热能可以转化为数量相当的机械能，一定量的机械能也可以转化为数量相当的热能

32、。可以转化为数量相当的热能。”国际单位制规定功国际单位制规定功 、热、热 的单位均使用的单位均使用“焦耳焦耳”（），这），这时时 如果单位不同：如果单位不同：则：则：或或 式中：式中：功的热当量功的热当量 热的功当量热的功当量 工程热力学基础知识三、内能三、内能 任何工质同时可作各种不同形式的运动，因而也就具有多种能任何工质同时可作各种不同形式的运动，因而也就具有多种能量，如工质的宏观动能量，如工质的宏观动能 （kinetic）、宏观重力位能）、宏观重力位能 （potential），），除了除了 、外，工质内部还具有各种微观能量，这些微观能量称为外，工质内部还具有各种微观能量，这些微观能量称为

33、内能内能。内能（内能（Internal Energy）除了整个系统的动能和位能除了整个系统的动能和位能以外，系统所包含的各种能量。以外，系统所包含的各种能量。工程热力学中所讨论的不涉及化学反应和原子反应，所以内能工程热力学中所讨论的不涉及化学反应和原子反应，所以内能不包括这两项。不包括这两项。工程热力学基础知识 由于工程热力学所讨论的工质内能只包括分子运动的动能和分子由于工程热力学所讨论的工质内能只包括分子运动的动能和分子间相处的位能。因此，工质的内能将取决于工质的温度和比容，即取间相处的位能。因此，工质的内能将取决于工质的温度和比容，即取决于工质所处状态。决于工质所处状态。因此，内能也是一个

34、状态参数。因此，内能也是一个状态参数。总内能，单位为焦耳（总内能，单位为焦耳（）（比）内能，是对（比）内能，是对1千克工质而言。千克工质而言。，单位单位 焦耳焦耳/千克（千克（）内能的变化量只与工质初、终态有关，而与工质从内能的变化量只与工质初、终态有关，而与工质从状态状态1到状态到状态2所经历的过程性质无关。所经历的过程性质无关。理想气体：理想气体：分子间没有引力，气体分子间的位置能为零。所以，分子间没有引力，气体分子间的位置能为零。所以，理想气体的内能仅是温度的单值函数。理想气体的内能仅是温度的单值函数。符号规定：内能增加符号规定：内能增加 为正，反之为负。为正，反之为负。工程热力学基础知

35、识四、系统状态改变时的热力学第一定律四、系统状态改变时的热力学第一定律 能量平衡方程式用文字表达：能量平衡方程式用文字表达：加入热力系的热量加入热力系的热量-热力系对外所做的功热力系对外所做的功=热力系储存能量的增加。热力系储存能量的增加。工程热力学基础知识五、闭口系统能量平衡方程五、闭口系统能量平衡方程 以气缸中定量工质为例：工质与外界并无质量的交换，只有能以气缸中定量工质为例：工质与外界并无质量的交换，只有能量的传递（传热与作功），这就是前面介绍的封闭热力系或定质量量的传递（传热与作功），这就是前面介绍的封闭热力系或定质量热力系（闭口系统）。热力系（闭口系统）。工质从外界吸收热量工质从外界

36、吸收热量Q，从状态，从状态1变到状态变到状态2（膨胀），并对外界（膨胀），并对外界作膨胀功作膨胀功W，由于讨论是闭口系统，不存在工质流进流出的问题，由于讨论是闭口系统，不存在工质流进流出的问题，所以所以 和和 可不予考虑。则在此过程中工质储存能量的变化为：可不予考虑。则在此过程中工质储存能量的变化为：热力学第一定律解析式：热力学第一定律解析式：工程热力学基础知识 以上三式仅从热一律原则直接推导得，没有附加条件，因此可以上三式仅从热一律原则直接推导得，没有附加条件，因此可适用于任何工质、任何过程（可逆和不可逆的一切变化过程）适用于任何工质、任何过程（可逆和不可逆的一切变化过程）若工质经历的是可逆

37、过程，则上式可写成：若工质经历的是可逆过程，则上式可写成：工程热力学基础知识六、开口系统稳定流动能量平衡方程六、开口系统稳定流动能量平衡方程 稳定流动稳定流动工程上常遇到工质流过热力设备（如工程上常遇到工质流过热力设备（如图示划定图示划定-、-间为研究的热力间为研究的热力系），工质不但与外界有能量的传递系），工质不但与外界有能量的传递与转换，而且还有质量交换，即有工与转换，而且还有质量交换，即有工质流进、流出。并且整个设备中各空质流进、流出。并且整个设备中各空间点的状态都随时间而变。间点的状态都随时间而变。严格地讲，流动过程中每瞬时工质的状态和流量都有差别，特别严格地讲，流动过程中每瞬时工质的

38、状态和流量都有差别，特别是启动、停机、改变负荷时变化更大。这种随时间而变的不稳定是启动、停机、改变负荷时变化更大。这种随时间而变的不稳定流动分析研究非常困难。流动分析研究非常困难。但若分析极短时间内的情况，则可近似但若分析极短时间内的情况，则可近似作为稳定流动或给以适当修正，作为稳定流动处理，这样分析较作为稳定流动或给以适当修正，作为稳定流动处理，这样分析较简单，且有实用意义。简单，且有实用意义。工程热力学基础知识稳定流动：稳定流动：热力系任何截面上工质的一切参数都不随时间而变。热力系任何截面上工质的一切参数都不随时间而变。整个热力系各点的热力状态和流速不随时间而变化。整个热力系各点的热力状态

39、和流速不随时间而变化。要使流动达到稳定，必须：要使流动达到稳定，必须：单位时间进入热力系的工质质量与流出热力系的工质质量相单位时间进入热力系的工质质量与流出热力系的工质质量相 等，且等于常数，即：等，且等于常数，即：式中：式中：单位时间加入热力系的净热及热力系作出的功都不随时间而变单位时间加入热力系的净热及热力系作出的功都不随时间而变工程热力学基础知识 稳定流动能量平衡方程稳定流动能量平衡方程 现分析现分析 千克工质流经开口系统时能量变化关系。千克工质流经开口系统时能量变化关系。流入热力系时带入的能量为：流入热力系时带入的能量为：式中：式中：工质流出热力系时带出的能量：工质流出热力系时带出的能

40、量：工程热力学基础知识热力系储存能量的变化为：热力系储存能量的变化为：此外，系统在过程中从外界吸热此外，系统在过程中从外界吸热Q，并对外输出轴功（控制，并对外输出轴功（控制体积功，除了轴功外，还可能有容积变形、膨胀功、拉伸功、电体积功，除了轴功外，还可能有容积变形、膨胀功、拉伸功、电磁功磁功等，在此假定除外，其余没有）。等，在此假定除外，其余没有）。为使截面为使截面前的前的 千克工质流入热力系，外界必须用力千克工质流入热力系，外界必须用力 ，克服阻力把它推入热力系，此时外界对工质作功，克服阻力把它推入热力系，此时外界对工质作功 焦。同理，焦。同理，千克工质由热力系截面千克工质由热力系截面流出流

41、出时，也必须克服外界阻力时，也必须克服外界阻力 ，对外界作功，对外界作功 焦。上述焦。上述 乃是乃是千千 克工质在流动时所作的功，称为流动功（或推动功、压缩功、克工质在流动时所作的功，称为流动功（或推动功、压缩功、压力势能）压力势能）工程热力学基础知识 将将 、代入能量平衡方程代入能量平衡方程 工程热力学基础知识焓：焓：焦焦对一千克工质：对一千克工质：焦焦/千克千克 可见：由状态参数可见：由状态参数 、决定的焓也是状态参数，在状态变决定的焓也是状态参数，在状态变化过程中，焓变量为：化过程中，焓变量为：对于开口流动体系来说，焓是对于开口流动体系来说，焓是 内能内能+推进功推进功对于闭口系统没有更

42、多物理意义，只是一个状态参数，对于闭口系统没有更多物理意义，只是一个状态参数，工程热力学基础知识 引用焓，在闭口系统有时很方便，如：一个闭口系统，定压膨引用焓，在闭口系统有时很方便，如：一个闭口系统，定压膨胀，可逆过程：胀，可逆过程：可见：在闭口系统定压过程，系统所吸收的热量等于系统焓可见：在闭口系统定压过程，系统所吸收的热量等于系统焓的增量。的增量。工程热力学基础知识 稳定流动能量平衡方程的分析稳定流动能量平衡方程的分析 工质体积膨胀是使热变为功的根本途径，这对流动热力系或工质体积膨胀是使热变为功的根本途径，这对流动热力系或封闭热力系都是正确的，但流动热力系对外表现出来的功和封闭封闭热力系都

43、是正确的，但流动热力系对外表现出来的功和封闭热力系不同，并不是膨胀功，而是轴功。热力系不同，并不是膨胀功，而是轴功。流入热力系时带入的能量为：流入热力系时带入的能量为：得得 （可逆过程）（可逆过程）克服阻力维持工质流进、流出克服阻力维持工质流进、流出 工程热力学基础知识技术功技术功：若工质流进、流出热力系的动能和位能的变化量很小，可略去不计若工质流进、流出热力系的动能和位能的变化量很小，可略去不计工程热力学基础知识则则：工质流经热力设备时所作的技术功应等于膨胀功和推动功的代数工质流经热力设备时所作的技术功应等于膨胀功和推动功的代数和和 工程热力学基础知识 也可由第一解析式直接转化而得也可由第一

44、解析式直接转化而得 =或：或：（复合状态参数）（复合状态参数）工程热力学基础知识七、热力学第一定律运用例（理想气体为前提）七、热力学第一定律运用例（理想气体为前提）定容过程（内能推导）定容过程（内能推导）由于理想气体内能仅是温度的函数，而与压力或比容无关，所由于理想气体内能仅是温度的函数，而与压力或比容无关，所以，无论经历什么过程，只要初终态的温度变化范围相同，其工质以，无论经历什么过程，只要初终态的温度变化范围相同，其工质内能变化量也相同，即以上内能计算式从定容推得，但适用于理想内能变化量也相同，即以上内能计算式从定容推得，但适用于理想气体的任何过程。气体的任何过程。同理同理 （理想气体）（

45、理想气体）也是温度单位函数，也是温度单位函数，的变化量只与初终态温度有关，与变化的变化量只与初终态温度有关，与变化过程无关。过程无关。工程热力学基础知识 定压过程（焓的推导）定压过程（焓的推导）所以：理想气体无论经历什么过程，其内能变化在数值上总等所以：理想气体无论经历什么过程，其内能变化在数值上总等于定容过程的加热量。于定容过程的加热量。焓的变量在数值上总等于定压过程的加热量。焓的变量在数值上总等于定压过程的加热量。工程热力学基础知识 定压比热与定容比热的关系定压比热与定容比热的关系 迈耶公式迈耶公式或用定压过程热力学第一定律推导：或用定压过程热力学第一定律推导：、即即令：令：绝热指数绝热指

46、数 工程热力学基础知识 熵的计算熵的计算 若若 为定值，则：为定值，则：或：或：工程热力学基础知识 若若 为定值，则：为定值，则：熵熵 从状态从状态1变化到状态变化到状态2，只与初态，只与初态1和终态和终态2有关，有关，与过程无关，所以，与过程无关，所以，也是状态参数。也是状态参数。工程热力学基础知识1-3 气体的主要热力过程一、等容过程一、等容过程 定容过程中工质的压力和温度成正比定容过程中工质的压力和温度成正比 膨胀功膨胀功 热量热量 0工程热力学基础知识 熵的变量熵的变量 （为定值）为定值）在在 图上，定容过程曲线为一条对数曲线。图上，定容过程曲线为一条对数曲线。工程热力学基础知识二、等

47、压过程二、等压过程定压过程比容与温度成正比定压过程比容与温度成正比 膨胀功膨胀功 热量热量或或工程热力学基础知识 熵的变量熵的变量 工程热力学基础知识三、定温过程三、定温过程定温过程气体绝热压力与比容成反比定温过程气体绝热压力与比容成反比 膨胀功膨胀功 热量热量 工程热力学基础知识 熵的变量熵的变量 工程热力学基础知识四、绝热过程四、绝热过程 （绝热指数）绝热指数）对于可逆的绝热过程：对于可逆的绝热过程：且且 （二元函数的全微分）（二元函数的全微分）上式为上式为 整理得：整理得：工程热力学基础知识 整理整理：积分上式得：积分上式得：或或 即即 可逆绝热方程式可逆绝热方程式 注：绝热指数注：绝热

48、指数 ，当，当 、视为常数时，它们的数值则取决于气体的原子数，视为常数时，它们的数值则取决于气体的原子数，由由 、决定的决定的 这时也是定值，同样取决于其他的原子数。这时也是定值，同样取决于其他的原子数。工程热力学基础知识 单原子气体单原子气体 =1.67 双原子气体双原子气体 =1.4 三（多）原子气体三（多）原子气体 =1.3 从从 得得工程热力学基础知识 热量热量 熵的变量熵的变量 功功 闭口系统：膨胀功闭口系统：膨胀功 可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。工程热力学基础知识 开口系统：技术功开口系统：技术功 则则可见：工质

49、在绝热流动过程中对外作技术功等于工质焓的减少。可见：工质在绝热流动过程中对外作技术功等于工质焓的减少。以上讨论的四个具有特殊性的典型过程，其实它们只是千百万个热力过程以上讨论的四个具有特殊性的典型过程，其实它们只是千百万个热力过程中的典型情况，我们可以寻求一个方程式来综合描述这些过程中的典型情况，我们可以寻求一个方程式来综合描述这些过程多变过程方多变过程方程式程式工程热力学基础知识四、多变过程四、多变过程 定义：压力、比容的关系符合定义：压力、比容的关系符合 的过程（的过程（）多变指数多变指数这是一般化公式这是一般化公式多变过程方程式多变过程方程式 当当 则则 定压过程定压过程 则则 定温过程

50、定温过程 则则 绝热过程绝热过程 则则 定容过程定容过程可见：当可见：当 为某一定值时，为某一定值时，就代表一个特定过程，此式可将许就代表一个特定过程，此式可将许多有规律的热力过程包括在内，具有相当的普遍性，讨论多变过多有规律的热力过程包括在内，具有相当的普遍性，讨论多变过程得到的结论，对其他特殊过程具有原则性指导意义。程得到的结论，对其他特殊过程具有原则性指导意义。工程热力学基础知识 由于多变过程方程式的数学形式与绝热过程相同，因此多变由于多变过程方程式的数学形式与绝热过程相同，因此多变过程中的初、终态参数之间的关系，以及求膨胀功（技术功）的过程中的初、终态参数之间的关系，以及求膨胀功（技术