第一章工程热力学基础知识精选文档.ppt

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1、第一章 工程热力学基础知识本讲稿第一页，共四十七页工程热力学工程热力学研究研究主要内容主要内容u 热力学热力学基本定律基本定律u 常用工质的常用工质的热力性质热力性质u 分析计算实现热能和机械能相互转换分析计算实现热能和机械能相互转换 的各种的各种热力过程热力过程和和热力循环热力循环，阐明提，阐明提 高转换效率的正确途径高转换效率的正确途径本讲稿第二页，共四十七页参考资料参考资料1陈培陵陈培陵.汽车发动机原理汽车发动机原理M.人民交通出版社人民交通出版社,2004.2张西振张西振,吴良胜吴良胜.发动机原理与汽车理论发动机原理与汽车理论M.人民交人民交 通出版社通出版社,2004.3沈维道沈维道

2、.工程热力学（第工程热力学（第3版）版）M.高等教育出版社高等教育出版社,2001.本讲稿第三页，共四十七页第一节第一节 气体的热力性质气体的热力性质第二节第二节 热力学第一定律热力学第一定律第三节第三节 气体的热力过程气体的热力过程第四节第四节 热力学第二定律热力学第二定律第一章第一章 工程热力学基础知识工程热力学基础知识本讲稿第四页，共四十七页一、气体的基本状态参数一、气体的基本状态参数二、热力系统、平衡态和热力过程二、热力系统、平衡态和热力过程 三、理想气体的状态方程式三、理想气体的状态方程式四、工质的比热四、工质的比热第一节第一节 气体的热力性质气体的热力性质本讲稿第五页，共四十七页一

3、、气体的基本状态参数一、气体的基本状态参数1.工质工质1）工质：）工质：热能热能 机械能机械能2）工质的选择：）工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的转换是通过物质的体积体积变化来实现的，常选变化来实现的，常选 气态物气态物质质 作为工质。作为工质。3）气态工质：）气态工质：气体气体和蒸气和蒸气媒介物质媒介物质本讲稿第六页，共四十七页2.气体的状态参数气体的状态参数 1）定义：）定义：标志气体热力状态的各个物理量标志气体热力状态的各个物理量 2)状态参数状态参数压力压力温度温度比容比容内能内能焓焓熵熵基本状态参数基本状态参数本讲稿第七页，共四十

4、七页1)1)定义：定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。2)2)真空度：真空度：p0pgppvp大气压力线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！只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数！（1）压力压力 p 表压力表压力 绝对压力绝对压力 gp本讲稿第八页，共四十七页表示气体冷热程度的物理量表示气体冷热程度的物理量 摄氏温度：用摄氏温度：用 t 表示，单位为表示，单位为热力学热力学(开尔文或绝对开尔文或绝对)温度：用温度：用 T 表示，单位为表示，单位为K 只有热力学温度才是状态参数只有热力学温度才是状态参数！（2）温度温度T本讲

5、稿第九页，共四十七页1）比容：）比容：单位质量的物质所占有的体积。单位质量的物质所占有的体积。式中式中 V体积体积；m质量。质量。2）密度：密度：单位容积的物质所具有的质量单位容积的物质所具有的质量。（3）比容比容v本讲稿第十页，共四十七页二、热力系统、平衡态和热力过程二、热力系统、平衡态和热力过程 1.热力系统热力系统1）热力系统：）热力系统：在热力学中，把某一宏观尺寸范围在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象。内的工质作为研究的具体对象。2）外界：）外界：与该系统有相互作用的其它系统与该系统有相互作用的其它系统。3）边界：）边界：系统与外界的分界面系统与外界的分界面。边界

6、的性质：边界的性质：可以是真实的，可以是真实的，也可以是假想的；也可以是假想的；可以固定也可以移动。可以固定也可以移动。本讲稿第十一页，共四十七页4）分类）分类封闭系统：封闭系统：绝热系统：绝热系统：孤立系统：孤立系统：开口系统：开口系统：系统与外界无物质交换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有物质交换系统与外界无热量交换系统与外界无热量交换 系统与外界无任何相互系统与外界无任何相互 作用，既无物质交换，作用，既无物质交换，也无能量交换也无能量交换 本讲稿第十二页，共四十七页2.平衡态平衡态 系统中气体各部分的系统中气体各部分的温度温度和和压力压力必须均匀一致，并且必须均匀一致

7、，并且不随时间不随时间的的变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。3.热力过程热力过程1）热力过程：）热力过程：热力系统从一个状态向另外一个状态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变化时所经历的全部状态的总和。2）内平衡过程）内平衡过程：热力系统从一个平衡状态连续经历热力系统从一个平衡状态连续经历一系列平衡的一系列平衡的中间状态中间状态过渡到另外一个平衡状态，这样的过渡到另外一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程。过程称为内平衡过程。3）内不平衡过程）内不平衡过程 本讲稿第十三页，共四十七页4）可逆过程：）

8、可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆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。迹。p pv v1221v v2 2v v1 1W可逆过程是可逆过程是无摩无摩擦、无温差的内平擦、无温差的内平衡过程衡过程p p1 1p p2 2本讲稿第十四页，共四十七页三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程 理想气体：理想气体：气体内部其分子不占有气体内部其分子不占有体积体积，分子间又没有分子间又没有吸引力吸引力 的气体。的气体。1kg理想气体理想气体：mkg理想气体：理想气体：R 气体常

9、数气体常数，大小取决于气体的种类，大小取决于气体的种类。本讲稿第十五页，共四十七页四、工质的比热四、工质的比热1.比热：比热：单位量的物质作单位温度变化时所单位量的物质作单位温度变化时所 吸收吸收或或放出放出的热量。的热量。2.表达式：表达式：3.定容比热：定容比热：气体在气体在容积不变容积不变的条件下被加热的条件下被加热 时的比热时的比热，。定压比热：定压比热：气体在气体在压力不变压力不变的条件下被加热的条件下被加热 时的比热时的比热，。本讲稿第十六页，共四十七页4.比热比：比热比：（绝热指数绝热指数）（等熵指数等熵指数），5.梅耶公式：梅耶公式：RKKCp1-=本讲稿第十七页，共四十七页&

10、能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律第二节第二节 热力学第一定律热力学第一定律&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。总量必定守恒。热能热能 机械能机械能相互转换相互转换本讲稿第十八页，共四十七页 一切物质都具有能量，能量既不可能一切物质都具有能量，能量既不可能创造创造，也不可能，也不可能消失消失，它只能在一定的条，它只能在一定的条件下从件下从一种形式一种形式转变为转变为另一种形式另一种形式，而在，而在转换中，能量的转换中，能量的总量恒定不变总量恒定不变。能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律进入系统的能量离开

11、系统的能量进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能的变化系统储存能的变化系统储存能的变化系统储存能的变化本讲稿第十九页，共四十七页主要内容：主要内容：一、功、热量和内能一、功、热量和内能 二、封闭系统能量方程式二、封闭系统能量方程式 三、开口系统稳定流动能量方程式三、开口系统稳定流动能量方程式四、熵及温熵图四、熵及温熵图 本讲稿第二十页，共四十七页一、功、热量和内能一、功、热量和内能 1.功功功不是热力状态的参数，功不是热力状态的参数，是一个过程量是一个过程量。Aw本讲稿第二十一页，共四十七页2.热量热量3.内能内能热量为正热量为正热量为

12、负热量为负系统吸热系统吸热系统放热系统放热过程量过程量工质的内能：工质内部所具有的各种能量的总称。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：内能是温度的对于理想气体：内能是温度的单值单值函数函数，工质的内能，工质的内能是一个是一个状态参数状态参数。mkg工质的内能工质的内能：1kg工质的内能：工质的内能：本讲稿第二十二页，共四十七页二、封闭系统能量方程式二、封闭系统能量方程式 已知：已知：1kg工质封闭在气缸内工质封闭在气缸内 进行一个可逆过程的进行一个可逆过程的 膨胀作功。膨胀作功。本讲稿第二十三页，共四十七页三、开口系统稳定流动能量方程式三、开口系统稳定流动能量方程式已知：

13、已知：1kg工质在开口系统中工质在开口系统中作作稳定流动稳定流动，-界面界面为进口，为进口，-界面为界面为出口，假设系统在该出口，假设系统在该过程中从外界吸入的过程中从外界吸入的热量为热量为q，对外输出功，对外输出功为为wsh。wshqZ1p1v1C1C2Z2p2v20本讲稿第二十四页，共四十七页2.焓：焓：3.开口系统能量方程式：开口系统能量方程式：mkg工质的焓工质的焓:1kg工质的焓工质的焓:焓焓焓焓 =内能内能内能内能 +推进功推进功推进功推进功 1.推进功：推进功：开口系统与外界之间因为工质流动而传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，递的机械功。对于单位质

14、量工质，推进功推进功等于等于pv。本讲稿第二十五页，共四十七页四、熵及温熵图四、熵及温熵图 dw=pdvp pv v12v v2 2v v1 1d dv v a）P-v 图图dq=TdsT Ts s12s s2 2s s1 1d ds sb）T-S 图图本讲稿第二十六页，共四十七页1.熵的定义：熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热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。量除以传热时绝对温度所得的比值。2.熵的性质熵的性质1）熵是一个状态参数；）熵是一个状态参数；2）只有在平衡状态下，熵才有确定值；）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

15、求熵的变化量，而不必求熵）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；的绝对值；4）熵是可加性的量；）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）在可逆过程中，从熵的变化中可判断热量的传递方向；向；6）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可行性。）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可行性。本讲稿第二十七页，共四十七页第三节第三节 气体的热力过程气体的热力过程热力过程热力过程基本基本一般一般定容过程定容过程定压过程定压过程绝热过程绝热过程等温过程等温过程本讲稿第二十八页，共四十七页一、定容过程一、定容过程工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。工质在变化过

16、程中容积保持不变的热力过程。pv122sT212本讲稿第二十九页，共四十七页二、定压过程二、定压过程pv122Ts212 v定值定值 p 定值定值工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。T2T1本讲稿第三十页，共四十七页二、定压过程二、定压过程pv122Ts212定容定容 定压定压工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。本讲稿第三十一页，共四十七页三、定温过程三、定温过程pv122Ts122工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。本讲稿第三十二页，共四十七页四、绝热过程四、绝

17、热过程pv122Ts122系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。等熵过程等熵过程：可逆的绝热过程。：可逆的绝热过程。dq=0本讲稿第三十三页，共四十七页五、多变过程五、多变过程凡工质按凡工质按定值而变化的热力过程称为多变过程定值而变化的热力过程称为多变过程。n01Kn多变指数多变指数定压定压等温等温绝热绝热定容定容本讲稿第三十四页，共四十七页第四节第四节 热力学第二定律热力学第二定律一、热力循环与循环热效率一、热力循环与循环热效率二、热力学第二定律的几种表达二、热力学第二定律的几种表达三、卡诺循环与卡诺定理三、卡诺循环与卡诺定理四、孤立系统

18、的熵增原理四、孤立系统的熵增原理本讲稿第三十五页，共四十七页一、热力循环与循环热效率一、热力循环与循环热效率1)定义：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。过程，简称循环。1.热力循环热力循环正向循环正向循环：把热能转变为机械能的循环（：把热能转变为机械能的循环（热机循环热机循环）。2)分类分类逆向循环逆向循环：依靠消耗机械能而将热量从低温热源传：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）向高温热源的循环（热泵循环）。本讲稿第三十六页，共四十七页pv12Ts123)热机循环热机循环本讲稿第三十七

19、页，共四十七页pv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)热机循环热机循环W本讲稿第三十八页，共四十七页2.循环热效率循环热效率 本讲稿第三十九页，共四十七页二、二、热力学第二定律的几种表达热力学第二定律的几种表达表述：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）不可能创造出只从热源吸热作功而不向冷源放热的热机。热机。2）热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。）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，从高温热源取机械能，必须有两个热源，热机工作时

20、，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。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低温物体转移到高温物体。本讲稿第四十页，共四十七页三、三、卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理1.卡诺循环卡诺循环本讲稿第四十一页，共四十七页1 1）卡诺循环的组成）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

21、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。组成的可逆正向循环。2 2）卡诺循环的热效率）卡诺循环的热效率本讲稿第四十二页，共四十七页2.卡诺定理卡诺定理定理一：定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作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。的一切可逆热机具有相同的热效率。定理二：定理二：在相同高温热源和低温热源间工作的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任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。率。本讲稿第四十三页，共四十七页2）指出了热机实现热功转换的条件：）指出了热机实现热功转换的条件：必须具

22、有两个或必须具有两个或两个以上温度不同的热源。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：）指出了提高热机热效率的根本途径：提高热源的温度，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。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：卡诺定理的意义：1）给出了循环热效率的极限值。）给出了循环热效率的极限值。本讲稿第四十四页，共四十七页 在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着在孤立系统内，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，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

23、保持不变。系统的熵保持不变。四、四、孤立系统的熵增原理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判断自然界一切自发过程实现的可行性判断自然界一切自发过程实现的可行性判断自然界一切自发过程实现的可行性本讲稿第四十五页，共四十七页总结总结总结总结2.热力学第一定律热力学第一定律3.气体的热力过程气体的热力过程4.热力学第二定律热力学第二定律功、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。程式；熵及温熵图。4个基本热力过程。个基本热力过程。热力循环、循环热效率；卡诺循环、卡诺定理。热力循环、循环热效率；卡诺循环、卡诺定理

24、。1.气体的热力性质气体的热力性质状态参数；热力系统；平衡态；热力过程；比热。状态参数；热力系统；平衡态；热力过程；比热。本讲稿第四十六页，共四十七页作业作业作业作业1.名词解释：名词解释：热力过程热力过程；内平衡过程；可逆过程；熵；内平衡过程；可逆过程；熵；比热；推进功；热力循环；循环热效率比热；推进功；热力循环；循环热效率2.绘出四个基本热力过程所对应的绘出四个基本热力过程所对应的 图和图和 图，图，并分别计算并分别计算定压过程定压过程和和定温过程定温过程下的下的w、q、u、s。3.复习：复习：工程热力学基础知识。工程热力学基础知识。4.预习：预习：第一节发动机理论循环。第一节发动机理论循环。本讲稿第四十七页，共四十七页