第一章 工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識

第一章工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月工程熱力學(xué)研究主要內(nèi)容

熱力學(xué)基本定律常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)分析計算實現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的各種熱力過程和熱力循環(huán)，闡明提高轉(zhuǎn)換效率的正確途徑第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月參考資料[1]陳培陵.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].人民交通出版社,2004.[2]張西振,吳良勝.發(fā)動機(jī)原理與汽車?yán)碚揫M].人民交通出版社,2004.[3]沈維道.工程熱力學(xué)（第3版）[M].高等教育出版社,

2001.第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)氣體的熱力性質(zhì)

第二節(jié)熱力學(xué)第一定律

第三節(jié)氣體的熱力過程

第四節(jié)熱力學(xué)第二定律第一章工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、氣體的基本狀態(tài)參數(shù)二、熱力系統(tǒng)、平衡態(tài)和熱力過程三、理想氣體的狀態(tài)方程式四、工質(zhì)的比熱第一節(jié)氣體的熱力性質(zhì)第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、氣體的基本狀態(tài)參數(shù)

1.工質(zhì)1）工質(zhì)：熱能機(jī)械能2）工質(zhì)的選擇：熱力學(xué)中熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換是通過物質(zhì)的體積變化來實現(xiàn)的，常選氣態(tài)物質(zhì)作為工質(zhì)。3）氣態(tài)工質(zhì)：氣體和蒸氣媒介物質(zhì)第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.氣體的狀態(tài)參數(shù)

1）定義：標(biāo)志氣體熱力狀態(tài)的各個物理量

2)狀態(tài)參數(shù)壓力溫度比容內(nèi)能焓熵基本狀態(tài)參數(shù)第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1)定義：氣體對單位面積容器壁所施加的垂直作用力。2)真空度：p0pgppvp大氣壓力線只有絕對壓力才是真正說明氣體狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)?。?）壓力p

表壓力

絕對壓力

gp第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月表示氣體冷熱程度的物理量

攝氏溫度：用t表示，單位為℃熱力學(xué)(開爾文或絕對)溫度：用T表示，單位為K

只有熱力學(xué)溫度才是狀態(tài)參數(shù)?。?）溫度T第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1）比容：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的體積。式中V——體積；m——質(zhì)量。2）密度：單位容積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量。（3）比容v第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱力系統(tǒng)、平衡態(tài)和熱力過程1.熱力系統(tǒng)1）熱力系統(tǒng)：在熱力學(xué)中，把某一宏觀尺寸范圍內(nèi)的工質(zhì)作為研究的具體對象。2）外界：與該系統(tǒng)有相互作用的其它系統(tǒng)。3）邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。邊界的性質(zhì)：可以是真實的，也可以是假想的；可以固定也可以移動。第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4）分類封閉系統(tǒng)：絕熱系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)：開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換系統(tǒng)與外界無熱量交換系統(tǒng)與外界無任何相互作用，既無物質(zhì)交換，也無能量交換

第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.平衡態(tài)

系統(tǒng)中氣體各部分的溫度和壓力必須均勻一致，并且不隨時間的變化而變化，這樣的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài)，簡稱平衡態(tài)。3.熱力過程1）熱力過程：熱力系統(tǒng)從一個狀態(tài)向另外一個狀態(tài)變化時所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。2）內(nèi)平衡過程：熱力系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間狀態(tài)過渡到另外一個平衡狀態(tài)，這樣的過程稱為內(nèi)平衡過程。3）內(nèi)不平衡過程第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4）可逆過程：系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程之后，如果沿原來路徑逆向進(jìn)行，能使系統(tǒng)與外界同時恢復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡。pv122′1′v2v1W可逆過程是無摩擦、無溫差的內(nèi)平衡過程p1p2第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體：氣體內(nèi)部其分子不占有體積，分子間又沒有吸引力的氣體。1kg理想氣體：mkg理想氣體：R

——氣體常數(shù)，大小取決于氣體的種類。第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、工質(zhì)的比熱比熱：單位量的物質(zhì)作單位溫度變化時所

吸收或放出的熱量。2.表達(dá)式：3.定容比熱：氣體在容積不變的條件下被加熱時的比熱，。

定壓比熱：氣體在壓力不變的條件下被加熱時的比熱，。第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4.比熱比：（絕熱指數(shù)）（等熵指數(shù)），5.梅耶公式：RKKCp1-=第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月能量轉(zhuǎn)換與守恒定律第二節(jié)熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱能和機(jī)械能在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換的過程中，能量的總量必定守恒。

熱能機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

一切物質(zhì)都具有能量，能量既不可能創(chuàng)造，也不可能消失，它只能在一定的條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，而在轉(zhuǎn)換中，能量的總量恒定不變。能量轉(zhuǎn)換與守恒定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能的變化第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容：一、功、熱量和內(nèi)能

二、封閉系統(tǒng)能量方程式

三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式四、熵及溫熵圖

第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、功、熱量和內(nèi)能

1.功功不是熱力狀態(tài)的參數(shù)，是一個過程量

。Aw第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.熱量3.內(nèi)能熱量為正熱量為負(fù)系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱過程量工質(zhì)的內(nèi)能：工質(zhì)內(nèi)部所具有的各種能量的總稱。對于理想氣體：內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，工質(zhì)的內(nèi)能是一個狀態(tài)參數(shù)。mkg工質(zhì)的內(nèi)能：

1kg工質(zhì)的內(nèi)能：第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、封閉系統(tǒng)能量方程式

已知：1kg工質(zhì)封閉在氣缸內(nèi)進(jìn)行一個可逆過程的膨脹作功。

第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式

已知：1kg工質(zhì)在開口系統(tǒng)中作穩(wěn)定流動，Ⅰ-Ⅰ界面為進(jìn)口，Ⅱ-Ⅱ界面為出口，假設(shè)系統(tǒng)在該過程中從外界吸入的熱量為q，對外輸出功為wsh。ⅡⅡwshqZ1p1v1C1C2Z2p2v20第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.焓：3.開口系統(tǒng)能量方程式：mkg工質(zhì)的焓:

1kg工質(zhì)的焓:

焓=內(nèi)能+推進(jìn)功

推進(jìn)功：開口系統(tǒng)與外界之間因為工質(zhì)流動而傳遞的機(jī)械功。對于單位質(zhì)量工質(zhì)，推進(jìn)功等于pv。第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、熵及溫熵圖

dw=pdvpv12v2v1dva）P-v圖dq=TdsTs12s2s1dsb）T-S圖第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.熵的定義：熵的增量等于系統(tǒng)在可逆過程中交換的熱量除以傳熱時絕對溫度所得的比值。2.熵的性質(zhì)1）熵是一個狀態(tài)參數(shù)；2）只有在平衡狀態(tài)下，熵才有確定值；3）與內(nèi)能和焓一樣，通常只求熵的變化量，而不必求熵的絕對值；4）熵是可加性的量；5）在可逆過程中，從熵的變化中可判斷熱量的傳遞方向；6）熵是判據(jù)，判斷自然界一切自發(fā)過程實現(xiàn)的可行性。第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)氣體的熱力過程熱力過程基本一般定容過程定壓過程絕熱過程等溫過程第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、定容過程

工質(zhì)在變化過程中容積保持不變的熱力過程。pv12′2sT2′12第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、定壓過程

pv122′Ts2′12

v＝定值

p＝定值工質(zhì)在變化過程中壓力保持不變的熱力過程。T2T1第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、定壓過程

pv122′Ts2′12定容定壓工質(zhì)在變化過程中壓力保持不變的熱力過程。第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、定溫過程

pv122′Ts122′工質(zhì)在變化過程中溫度保持不變的熱力過程。第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、絕熱過程

pv122′Ts12′2系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的情況下發(fā)生的熱力過程。等熵過程：可逆的絕熱過程。dq=0第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月五、多變過程

凡工質(zhì)按定值而變化的熱力過程稱為多變過程。n＝01K∞n?多變指數(shù)定壓等溫絕熱定容第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)熱力學(xué)第二定律一、熱力循環(huán)與循環(huán)熱效率二、熱力學(xué)第二定律的幾種表達(dá)三、卡諾循環(huán)與卡諾定理四、孤立系統(tǒng)的熵增原理第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱力循環(huán)與循環(huán)熱效率1)定義：工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列的變化又回到初態(tài)的封閉過程，簡稱循環(huán)。1.熱力循環(huán)正向循環(huán)：把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的循環(huán)（熱機(jī)循環(huán)）。2)分類逆向循環(huán)：依靠消耗機(jī)械能而將熱量從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)（熱泵循環(huán)）。第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月pv12Ts123)熱機(jī)循環(huán)第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月pv12abv1v2W1W2Ts12abs1s2Q1Q23)熱機(jī)循環(huán)W第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.循環(huán)熱效率

第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱力學(xué)第二定律的幾種表達(dá)

表述：1）不可能創(chuàng)造出只從熱源吸熱作功而不向冷源放熱的熱機(jī)。2）熱量不可能自發(fā)地從冷物體轉(zhuǎn)移到熱物體。根據(jù)長期制造熱機(jī)的經(jīng)驗總結(jié)出：為了連續(xù)的獲得機(jī)械能，必須有兩個熱源，熱機(jī)工作時，從高溫?zé)嵩慈〉脽崃?，把其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，而另一部分傳給低溫?zé)嵩?，這是實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的必要條件。

根據(jù)長期制造制冷機(jī)的經(jīng)驗總結(jié)出：不管利用什么機(jī)器，都不可能不付代價的實現(xiàn)把熱量由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。

第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、卡諾循環(huán)與卡諾定理

1.卡諾循環(huán)第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1）卡諾循環(huán)的組成工作于兩個熱源間的，由兩個定溫過程和兩個絕熱過程所組成的可逆正向循環(huán)。2）卡諾循環(huán)的熱效率第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.卡諾定理定理一：在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)具有相同的熱效率。定理二：在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的任何不可逆熱機(jī)的熱效率都小于可逆熱機(jī)的熱效率。第43頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2）指出了熱機(jī)實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的條件：必須具有兩個或兩個以上溫度不同的熱源。3）指出了提高熱機(jī)熱效率的根本途徑：提高熱源的溫度，降低冷源的溫度，盡可能減少或降低不可逆因素的影響?？ㄖZ定理的意義：1）給出了循環(huán)熱效率的極限值。第44頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

在孤立系統(tǒng)內(nèi)，一切實際過程（即不可逆過程）都朝著使系統(tǒng)熵增大的方向進(jìn)行，在極限情況（即可逆過程）下，系統(tǒng)的熵保持不變。四、孤立系統(tǒng)的熵增原理

判斷自然界一切自發(fā)過程實現(xiàn)的可行性第45頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)2.熱力學(xué)第一定律3.氣體的熱力過程4.熱力學(xué)第二定律功、熱量、內(nèi)能；封閉系統(tǒng)能量方程式；開口系統(tǒng)能量方程式；熵及溫熵圖。4個基本熱力過程。熱力循環(huán)、循環(huán)熱效率；卡諾