汽车发动机原理与汽车理论第1章课件

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1、第一章第一章 工程热力学基础工程热力学基础第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律第三节热力过程分析第三节热力过程分析第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律一、能量与能源一、能量与能源 世界由物质构成。一切物质都处于运动状态，能量是物世界由物质构成。一切物质都处于运动状态，能量是物质运动的度量。质运动的度量。一切物质都具有能量，如果没有能量，世一切物质都具有能量，如果没有能量，世界就会永远处于静止状态，也就不会有生命。能量也是人界就会永远处于静止状态，也就不会有生命。能量也是人类社会进步的动力。人类在日常生活和生产过程中需要各类社会进步的动力。

2、人类在日常生活和生产过程中需要各种形式的能量。随着人类社会的发展，人们对能量的认识种形式的能量。随着人类社会的发展，人们对能量的认识和利用水平不断提高。到目前为止，和利用水平不断提高。到目前为止，人类所认识的能量主人类所认识的能量主要有机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能等几种要有机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能等几种形式。能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源。形式。能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源。第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识二、工质的热力状态及其基本状态参数二、工质的热力状态及其基本状态参数1.1.

3、热力系统热力系统在热力学中在热力学中, ,把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象具体对象, ,称为称为热力系统热力系统, ,简称简称系统系统。与该系统有相互作用。与该系统有相互作用的其他系统称为的其他系统称为外界外界。包围系统的封闭表面就是系统与外。包围系统的封闭表面就是系统与外界的分界面界的分界面, ,称为边界称为边界( (或界面或界面) )。边界可以是真实的。边界可以是真实的, ,也可也可以是假想的。以是假想的。根据边界上物质和能量的交换情况根据边界上物质和能量的交换情况,热力系统热力系统分为以下几类分为以下几类:开口系统开口系统;封闭系统封闭系统

4、;绝热系统绝热系统;孤立孤立系统。系统。第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识二、工质的热力状态及其基本状态参数二、工质的热力状态及其基本状态参数2.2.基本状态参数基本状态参数（1 1）压力）压力P P气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力称为压力气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力称为压力p p。容器内压力的大小有两种不同的表示方法。一种是指明气容器内压力的大小有两种不同的表示方法。一种是指明气体施于器壁上压力的实际数值体施于器壁上压力的实际数值, ,称为称为绝对压力绝对压力, ,记作记作p p; ;另一另一种是测量时压力计的读数压力种是测量时压力计的读数压力, ,称为称为表压

5、力表压力, ,记作记作p pe e。表压。表压力是绝对压力高出于当时当地的大气压力力是绝对压力高出于当时当地的大气压力p p0 0的数值的数值, ,其关系其关系式为式为 p=p0+pe (1-1)如果容器内气体的绝对压力低于外界大气压力时如果容器内气体的绝对压力低于外界大气压力时,表压表压力为负数力为负数,仅取其数值仅取其数值,称之为称之为真空度真空度,记作记作pv,即即 p=p0-pv (1-2)第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识二、工质的热力状态及其基本状态参数二、工质的热力状态及其基本状态参数2.2.基本状态参数基本状态参数（2 2）温度）温度T T 温度表示气体的冷热程度

6、。按照分子运动论温度表示气体的冷热程度。按照分子运动论, ,气体的温气体的温度是气体内部分子不规则运动激烈程度的量度度是气体内部分子不规则运动激烈程度的量度, ,是与气体分是与气体分子平均速度有关的一个统计量。气体的温度越高子平均速度有关的一个统计量。气体的温度越高, ,表明气体表明气体分子的平均动能越大。分子的平均动能越大。 热力学温度热力学温度T是国际单位制是国际单位制SI制中的基本温度制中的基本温度,单位为单位为K。选取水的三相点温度为基本定点温度选取水的三相点温度为基本定点温度,规定其温度为规定其温度为273.16K。1K等于水的三相点热力学温度的等于水的三相点热力学温度的1/273.

7、16。SI允允许使用摄氏温度许使用摄氏温度t,并定义并定义 t=T-T0 (1-3)第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识二、工质的热力状态及其基本状态参数二、工质的热力状态及其基本状态参数2.2.基本状态参数基本状态参数（3 3）比体积）比体积v 比体积是单位质量的物质所占的体积比体积是单位质量的物质所占的体积,单位为单位为m3/kg,即即 v= (1-4)式中式中,v为比体积为比体积;V为体积为体积;m为质量。为质量。 比体积的倒数为密度比体积的倒数为密度,密度是指单位体积的物质具有的密度是指单位体积的物质具有的质量质量,单位为单位为kg/m3,即即(1-5)第一节热功转换的基础

8、知识第一节热功转换的基础知识二、工质的热力状态及其基本状态参数二、工质的热力状态及其基本状态参数3.3.工质的平衡态工质的平衡态为为了了对对系系统统中中能能量量转转换换情情况况进进行行分分析析计计算算, ,系系统统中中气气体体各各部部分分的的温温度度和和压压力力必必须须均均匀匀一一致致( (即即处处于于热热平平衡衡和和机机械械平平衡衡),),且且不不随随时时间间而而变变化化, ,这这样样的的状状态态称称为为热热力力学学平平衡衡状状态态( (简简称称平平衡衡态态) )。处处于于平平衡衡态态时时, ,气气体体的的所所有有状状态态参参数数都都有有确确定定的的数数值值。只只要要知知道道两两个个独独立立

9、的的状状态态参参数数( (如如压压力力p p和和温温度度T T),),就可以确定气体所处的状态及参数。就可以确定气体所处的状态及参数。第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识三、理想气体状态方程式三、理想气体状态方程式 根据分子运动论和理想气体的假定根据分子运动论和理想气体的假定,结合试验所得的一结合试验所得的一些气体定律些气体定律,并综合表示成理想气体状态方程式并综合表示成理想气体状态方程式(或称为克拉或称为克拉贝隆方程式贝隆方程式)。对于。对于1kg理想气体理想气体,其状态方程为其状态方程为 pV=RT (1-6) 对于对于mkg理想气体理想气体,其体积其体积V=mv,其状态方程为

10、其状态方程为 pV=mRT (1-7)式中式中,R为气体常数为气体常数J/(kgK),它的数值决定于气体的种类。它的数值决定于气体的种类。 对于对于1千摩尔千摩尔(kmol)理想气体理想气体,其质量为其质量为kg(为其相对为其相对分子质量分子质量),其体积为其体积为v=Vm(m3/kmol),按式按式(1-7)可以得出可以得出1kmol理想气体的状态方程为理想气体的状态方程为 pv=RT (1-8)第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识三、理想气体状态方程式三、理想气体状态方程式 设设R=Rm,即即 pVm=RmT (1-9) 根据上式可得根据上式可得 Rm=R= (1-10) 根据

11、阿伏伽德罗定律可得同温同压下根据阿伏伽德罗定律可得同温同压下,相同体积的任何相同体积的任何气体都具有相同数目的分子。因此气体都具有相同数目的分子。因此,在同温同压下任何气体在同温同压下任何气体的千摩尔体积相等。在物理标准状况条件下的千摩尔体积相等。在物理标准状况条件下,千摩尔体积气千摩尔体积气体的体的Vm的数值等于的数值等于22.4m3/kmol,故对于任何理想气体故对于任何理想气体Rm的的数值都相同数值都相同,因此将因此将Rm称为通用气体常数称为通用气体常数,将将p0、T0及及Vm值代值代入式入式(1-9)可得可得Rm=8314.3J/(kmolK)或或 R= (J/(kgK) (1-11)

12、第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识四、工质的比热容四、工质的比热容 在热力工程中在热力工程中, ,热量计算常用到比热容。工质的热量计算常用到比热容。工质的比热比热容容就是单位量的物质当单位温度变化时所吸收或放出的热就是单位量的物质当单位温度变化时所吸收或放出的热量。用符号量。用符号c c表示比热容表示比热容, ,根据定义有根据定义有 c c= = (1-12)式中式中q q某工质在某一状态下温度变化某工质在某一状态下温度变化d dT T所吸收或放所吸收或放出的热量出的热量, ,单位为单位为kJkJ或或J J。第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识四、工质的比热容四、工质

13、的比热容1.1.比热容与物质单位的关系比热容与物质单位的关系因为工质的计量单位可以是因为工质的计量单位可以是kg、kmol、m3,所以工质的所以工质的比热容有以下三种比热容有以下三种:比质量热容比质量热容: c kJ/(kgK)比摩尔热容比摩尔热容: cmkJ/(kmolK)比容积热容比容积热容: ckJ/(m3K)第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识四、工质的比热容四、工质的比热容2.2.比定压热容和比容热容比定压热容和比容热容气体在压力不变或体积不变的情况下被加热时的比热容气体在压力不变或体积不变的情况下被加热时的比热容,分别称为比定压热容和比定容热容分别称为比定压热容和比定容

14、热容,通常用脚标通常用脚标 p和和V来标注。来标注。如比定压热容记作如比定压热容记作cp(kJ/(kgK),比定容热容为比定容热容为cV(kJ/(kgK),而比定压千摩尔热容记作而比定压千摩尔热容记作cp,m(kJ/(kmolK),比比定容千摩尔热容为定容千摩尔热容为cV,m(kJ/(kmolK)等。可以定义比热容比等。可以定义比热容比如下如下 (1-13)比热容比比热容比又称等熵指数又称等熵指数,它在工程热力学中有很重要的它在工程热力学中有很重要的应用应用,将在以后经常用到。将在以后经常用到。第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识四、工质的比热容四、工质的比热容2.2.比定压热容和

15、比容热容比定压热容和比容热容 气体在定压下受热时气体在定压下受热时,由于在温度升高的同时由于在温度升高的同时,还要克服还要克服外界抵抗力而膨胀做功外界抵抗力而膨胀做功,所以同样升高所以同样升高1,比在定容下受热比在定容下受热时需要更多的热量。试验表明时需要更多的热量。试验表明,理想气体的比定压热容值和理想气体的比定压热容值和比定容热容值的差是一个常数比定容热容值的差是一个常数,即梅耶公式即梅耶公式 cp,m-cV,m=Rm (1-14) Rm=8.3143J/(kmolK) (1-15)如果用如果用和和Rm来表示来表示cp,m、cV,m,由梅耶公式可得由梅耶公式可得 cV,m= Rm (1-1

16、6) cp,m= Rm (1-17)第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识四、工质的比热容四、工质的比热容3.3.真实比热容和平均比热容真实比热容和平均比热容 根据大量精确的试验数据和量子力学理论根据大量精确的试验数据和量子力学理论,理想气体的理想气体的比热容与压力无关比热容与压力无关,而应是温度的函数而应是温度的函数,可以表示成下式可以表示成下式 c=a+bt+ct2+(kJ/(kgK) (1-18)这种相应于某一温度下的气体比热容称为真实比热容。这种相应于某一温度下的气体比热容称为真实比热容。已知气体的真实比热容随温度变化的关系是已知气体的真实比热容随温度变化的关系是c=f(t)

17、时时,气气体由体由t1升到升到t2所需的热量可按下式计算所需的热量可按下式计算(1-19)而而(1-20)第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识四、工质的比热容四、工质的比热容4.4.定比热容定比热容 在实际应用中在实际应用中, ,当温度变化不大或不要求很精确当温度变化不大或不要求很精确的计算时的计算时, ,常忽略温度的影响而把理想气体的比热容当成常常忽略温度的影响而把理想气体的比热容当成常量量, ,只按理想气体的原子数确定比热容只按理想气体的原子数确定比热容, ,称为定比热容称为定比热容, ,见表见表1 1- -1 1。表表1-11-1理想气体的定值比摩尔热容和比热容比理想气体的定

18、值比摩尔热容和比热容比单原子气体单原子气体双原子气体双原子气体多原子气体多原子气体cV,m3/2Rm5/2Rm7/2Rmcp,m5/2Rm7/2Rm9/2Rm1.661.401.29第一节热功转换的基础知识第一节热功转换的基础知识五、热力过程五、热力过程热力过程是指热力系统从一个状态向另一个状态变化时热力过程是指热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态总和。所经历的全部状态总和。在热力学中在热力学中, ,常用两个彼此独立的状态参数构成坐标图常用两个彼此独立的状态参数构成坐标图来进行热力学分析。例如来进行热力学分析。例如, ,以以p p为纵坐标为纵坐标, ,V V为横坐标组成的为横坐

19、标组成的坐标图坐标图, ,即为压容图即为压容图, ,如图如图1 1- -1 1所示。所示。可逆过程可逆过程: :假设系统经历平衡过程假设系统经历平衡过程1 12,2,由状态由状态1 1变化到变化到状态状态2,2,并对外做膨胀功并对外做膨胀功W W, ,如图如图1 1- -2 2所示。所示。图1-1图1-2第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律 热力学第一定律热力学第一定律的实质就是热力过程中的能量守恒和转换的实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律定律, ,它建立了热力过程中的能量平衡关系它建立了热力过程中的能量平衡关系, ,是热力学宏观是热力学宏观分析方法的主要依据之一。热力学第一定律可表述

20、为分析方法的主要依据之一。热力学第一定律可表述为: :在在热能与其他形式能的互相转换过程中热能与其他形式能的互相转换过程中, ,能的总量始终不变。能的总量始终不变。根据热力学第一定律根据热力学第一定律, ,要想得到机械能就必须花费热能或要想得到机械能就必须花费热能或其他能量其他能量, ,那种不花费任何能量就可以产生动力的机器只那种不花费任何能量就可以产生动力的机器只能是一种幻想而已。因此能是一种幻想而已。因此, ,热力学第一定律也可以表述为热力学第一定律也可以表述为: :不花费任何能量就可以产生功的第一类永动机是不可能被不花费任何能量就可以产生功的第一类永动机是不可能被成功制造的。成功制造的。

21、热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程, ,不论是不论是开口系统还是闭口系统开口系统还是闭口系统, ,热力学第一定律均可表达为热力学第一定律均可表达为 进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量= =系统储存能量的系统储存能量的变化变化第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律一、功、热量和热力学能一、功、热量和热力学能1.1.工质的膨胀功工质的膨胀功W W功功是是与与系系统统的的状状态态变变化化过过程程相相联联系系的的物物理理量量。在在力力学学中中,功功(或或功功量量)定定义义为为力力和和沿沿力力作作用用方方向向的的位移的乘积。

22、位移的乘积。下下面面讨讨论论工工质质在在可可逆逆过过程程中中所所做做的的功功。图图1-3表表示示质质量量为为m的的气气态态工工质质封封闭闭在在气气缸缸内内,进进行行一一个个可可逆逆膨胀过程做功的情况。膨胀过程做功的情况。图图1-31-3可逆过程的体积变化功可逆过程的体积变化功第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律一、功、热量和热力学能一、功、热量和热力学能1.1.工质的膨胀功工质的膨胀功W W设活塞截面积为设活塞截面积为A,工质作用在活塞上的力为工质作用在活塞上的力为pA,活塞被推活塞被推进一微小距离进一微小距离dx,在这期间在这期间,工质的膨胀极小工质的膨胀极小,工质的压力几工质的压力几乎

23、不变乎不变,因而工质对活塞做的功为因而工质对活塞做的功为 W=pAdx=pdV (1-21)对可逆过程对可逆过程12,工质由状态工质由状态1膨胀到状态膨胀到状态2的膨胀功为的膨胀功为 W=pdV (1-22)第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律一、功、热量和热力学能一、功、热量和热力学能1.1.工质的膨胀功工质的膨胀功W W如果已知工质的初、终态参数如果已知工质的初、终态参数,以及过程以及过程12的函数关系的函数关系,则可求得工质的膨胀功则可求得工质的膨胀功W,其数值等于其数值等于pV图上过程曲线图上过程曲线p=f(V)下面所包围的面积下面所包围的面积,因此压容图也称为因此压容图也称为示功

24、图示功图。由图。由图可见可见,膨胀功不仅与状态的改变有关膨胀功不仅与状态的改变有关,而且与状态变化所经而且与状态变化所经历的过程有关。若气缸中的工质为历的过程有关。若气缸中的工质为1kg,其体积为其体积为V,则膨胀则膨胀功功w为为 w=pdV (1-23) w= pdV (1-24)当工质受到外界压缩时当工质受到外界压缩时,则是外界对工质做功。这时则是外界对工质做功。这时dV为为负值负值,由式由式(1-24)算出的功也是负值算出的功也是负值,负的膨胀功实际上表明负的膨胀功实际上表明工质接受了外界的压缩功工质接受了外界的压缩功。第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律一、功、热量和热力学能一、功

25、、热量和热力学能2.热量热量Q热力学中把热量定义为系统和外界之间仅仅由于温度不同热力学中把热量定义为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。热量和功一样也不是热力状态的而通过边界传递的能量。热量和功一样也不是热力状态的参数参数, ,而是工质状态改变时对外的效应而是工质状态改变时对外的效应, ,即传递中的能量即传递中的能量, ,没有能量的传递过程就没有功和热量没有能量的传递过程就没有功和热量, ,因此说工质在某一因此说工质在某一状态下具有多少热量是毫无意义的。状态下具有多少热量是毫无意义的。热量和功又有不同之处热量和功又有不同之处: :功是两物体间通过宏观的运动发功是两物体间通过宏观

26、的运动发生相互作用而传递的能量生相互作用而传递的能量; ;热量则是两物体间通过微观的热量则是两物体间通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量分子运动发生相互作用而传递的能量; ;传热过程中不出现传热过程中不出现能量形态的转化能量形态的转化; ;功转变成热量是无条件的功转变成热量是无条件的, ,而热量转变成而热量转变成功是有条件的。功是有条件的。第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律一、功、热量和热力学能一、功、热量和热力学能3.工质的热力学能工质的热力学能工质内部所具有的各种能量工质内部所具有的各种能量, ,总称为工质的能量。由于工总称为工质的能量。由于工程热力学主要讨论热力学能和机械能之

27、间的相互转换程热力学主要讨论热力学能和机械能之间的相互转换, ,不不考虑化学变化和原子核反应的热力过程考虑化学变化和原子核反应的热力过程, ,故可以认为这两故可以认为这两部分能量保持不变部分能量保持不变, ,而认为而认为工质的热力学能工质的热力学能是分子热运动是分子热运动的动能和克服分子间作用力的分子位能的总和。的动能和克服分子间作用力的分子位能的总和。工质热力学能的变化值工质热力学能的变化值U=UU=U2 2-U-U1 1只与工质的初、终态有关只与工质的初、终态有关, ,而与其所经历的过程无关。而与其所经历的过程无关。对于理想气体对于理想气体, ,因假设其分子间没有引力因假设其分子间没有引力

28、, ,故理想气体间的故理想气体间的分子位能为零分子位能为零, ,其热力学能仅是温度的单值函数。其热力学能仅是温度的单值函数。第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律二、封闭系统能量方程式二、封闭系统能量方程式热力学第一定律应用到不同系统的能量转换过程中热力学第一定律应用到不同系统的能量转换过程中,可以得可以得到不同的能量平衡方程式。现在讨论最简单的封闭系统的到不同的能量平衡方程式。现在讨论最简单的封闭系统的能量转换情况。能量转换情况。封闭在气缸中的定量工质封闭在气缸中的定量工质,可作为封闭系统的典型例子。假可作为封闭系统的典型例子。假定气缸中的工质为定气缸中的工质为1kg,热力学第一定律热力学

29、第一定律可表达为可表达为 q=u+w (1-25)式中式中,q为外界加给每为外界加给每1kg工质的热量工质的热量(J/kg);w为每为每1kg工质工质对外界所做的功对外界所做的功(J/kg);u为每为每1kg工质热力学能的增加工质热力学能的增加(J/kg)。对于对于mkg工质来说工质来说,其总热量其总热量Q可表达为可表达为 Q=U+W (1-26)第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律二、封闭系统能量方程式二、封闭系统能量方程式在上面讨论的封闭系统的能量平衡方程中在上面讨论的封闭系统的能量平衡方程中,如果系统是经历如果系统是经历比体积不变的等容过程比体积不变的等容过程,则由式则由式(1-23

30、)得得 w=pdV=0 (1-27)由式由式(1-25)得得 q=du+w=du (1-28)即工质在等容过程中吸收或放出的热量即工质在等容过程中吸收或放出的热量,全部变为工质的热全部变为工质的热力学能增加或减少。同时根据比定容热容的定义有力学能增加或减少。同时根据比定容热容的定义有 q=cVdT (1-29)故故 q=cVdT=du (1-30)即证明了对于理想气体即证明了对于理想气体,热力学能仅是温度的单值函数。热力学能仅是温度的单值函数。第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律三、开口系统稳定流动能量方程式与焓三、开口系统稳定流动能量方程式与焓工程上工程上, ,加热、冷却、膨胀、压缩等过

31、程一般都是在工质加热、冷却、膨胀、压缩等过程一般都是在工质不断流过加热器、冷凝器、锅炉、内燃机、压缩机等热工不断流过加热器、冷凝器、锅炉、内燃机、压缩机等热工设备时进行的。工质流经热工设备时设备时进行的。工质流经热工设备时, ,可以与外界进行热可以与外界进行热量交换与功量交换量交换与功量交换, ,本身状态也随之发生变化。工程上常本身状态也随之发生变化。工程上常用的热工设备除起动、停止或者加减负荷外用的热工设备除起动、停止或者加减负荷外, ,大部分时间大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的。这时是在外界影响不变的条件下稳定运行的。这时, ,工质的流工质的流动状况不随时间而改变动状况不随时间

32、而改变, ,即任一流通截面上工质的状态不即任一流通截面上工质的状态不随时间而改变随时间而改变, ,各流通截面工质的质量流量相等各流通截面工质的质量流量相等, ,且不随时且不随时间而改变。这种流动状况称为稳定流动。间而改变。这种流动状况称为稳定流动。第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律三、开口系统稳定流动能量方程式与焓三、开口系统稳定流动能量方程式与焓工质在流过热工设备时工质在流过热工设备时, ,必须受外力推动必须受外力推动, ,这种推动工质流这种推动工质流动而做的功称为流动功动而做的功称为流动功, ,也称为推进功。如图也称为推进功。如图1-41-4所示所示,1kg,1kg工质在开口系统中做

33、稳定流动工质在开口系统中做稳定流动, ,设系统在过程中从外界吸设系统在过程中从外界吸收热量收热量q q并对外输出可利用的机械功并对外输出可利用的机械功( (技术功技术功) )。图图1-41-4开口系统示意图开口系统示意图第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律三、开口系统稳定流动能量方程式与焓三、开口系统稳定流动能量方程式与焓根据能量转换与守恒定律根据能量转换与守恒定律,稳定流动式输入能量等于输出能稳定流动式输入能量等于输出能量量,即即 q+gz1+ +u1+p1v1=Ws+gz2+ +u2+p2v2 (1-31)经过整理后可得经过整理后可得 q=(u2+p2v2)-(u1+p1v1)+ +g

34、(z2-z1)+Ws (1-32) q=u+(pv)+0.5c2+gz+Ws (1-33)式式(1-32)就是开口系统稳定流动能量方程式就是开口系统稳定流动能量方程式,它广泛应用于它广泛应用于汽轮机、燃气轮机、喷管、锅炉、泵、压缩机以及节流装汽轮机、燃气轮机、喷管、锅炉、泵、压缩机以及节流装置等热力设备的热工计算中。置等热力设备的热工计算中。第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律三、开口系统稳定流动能量方程式与焓三、开口系统稳定流动能量方程式与焓对于每对于每1kg流动工质流动工质,除了自身热力学能除了自身热力学能u外外,总随带推进功总随带推进功pv一起转移一起转移,热力学中定义两者之和为焓热

35、力学中定义两者之和为焓h,即即 h=u+pv(J/kg) (1-34)mkg工质的焓用工质的焓用H表示表示,即即 H=U+pV(J) (1-35)h是是1kg工质的热力学能工质的热力学能u和工质在流动时由机械移动而携和工质在流动时由机械移动而携带的功带的功pv的总和的总和(其中其中pv又称为流动功或推进功又称为流动功或推进功),既然都是既然都是工质状态的参数工质状态的参数,因此由式因此由式(1-34)所决定的焓所决定的焓h也是工质的也是工质的参数。焓被称为复合的状态参数。将式参数。焓被称为复合的状态参数。将式(1-34)代入式代入式(1-32)得得 q=h2-h1+ +g(z2-z1)+Ws=

36、h+0.5c2+gz+Ws (1-36)第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律四、熵及温熵图四、熵及温熵图功量和热量都是工质在状态变化过程中与外界进行能量交功量和热量都是工质在状态变化过程中与外界进行能量交换的度量换的度量,工质膨胀对外输出的膨胀功在可逆过程中其大小工质膨胀对外输出的膨胀功在可逆过程中其大小为为 w=pdv (1-37)功量的交换是通过工质的两个状态参数功量的交换是通过工质的两个状态参数p、v来进行计算的来进行计算的,并且可以用由并且可以用由p、V坐标组成的压容图上的一块面积来表示坐标组成的压容图上的一块面积来表示功量的大小功量的大小,如图如图1-5a上曲线上曲线12下的面积

37、所示。下的面积所示。图图1-5可逆过程的可逆过程的pV图和图和TS图图a)pV图图b)TS图图第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律四、熵及温熵图四、熵及温熵图热量与功量同样是过程量热量与功量同样是过程量, ,它们有同一性它们有同一性, ,对比起来分析对比起来分析, ,系统与外界发生热力交换时起动力作用的是温度系统与外界发生热力交换时起动力作用的是温度, ,没有温没有温差就不可能发生实际的传热差就不可能发生实际的传热, ,在极限情况下在极限情况下, ,系统与外界温系统与外界温差为无穷小时差为无穷小时, ,则属于可逆的传热过程。显而易见则属于可逆的传热过程。显而易见, ,存在这存在这样一个状态

38、参数样一个状态参数, ,它的变化可以判断热量的正负它的变化可以判断热量的正负, ,并且与功并且与功量相仿就可以构成类似的表达式和坐标图量相仿就可以构成类似的表达式和坐标图, ,并在类似的坐并在类似的坐标图上用一块面积来表示热量标图上用一块面积来表示热量, ,这个状态参数就是熵。因这个状态参数就是熵。因此此T TS S图也称为温熵图。图也称为温熵图。熵是一个导出的状态参数熵是一个导出的状态参数, ,它的定义式如下它的定义式如下: : d ds s= (1-38)第二节热力学第一定律第二节热力学第一定律四、熵及温熵图四、熵及温熵图同功量的图示相仿同功量的图示相仿,也可用两个独立的状态参数也可用两个

39、独立的状态参数T、S构成构成的状态图来表示热量。在的状态图来表示热量。在TS图上的一点表示一个平衡状图上的一点表示一个平衡状态态,一条曲线表示一个可逆过程一条曲线表示一个可逆过程,如图如图1-5b中的曲线中的曲线12。 q=Tds (1-39) q= Tds (1-40)因此因此TS图上曲线图上曲线12下的面积表示该过程中的传热量下的面积表示该过程中的传热量q的大小的大小,故图故图TS又称为又称为“示热图示热图”,它在热工分析中有着重它在热工分析中有着重要的作用。要的作用。第三节热力过程分析第三节热力过程分析热力过程的分析方法热力过程的分析方法一般是一般是: :首先研究理想气体的可逆过首先研究

40、理想气体的可逆过程程, ,导出过程方程式导出过程方程式, ,利用过程方程和理想气体状态方程求利用过程方程和理想气体状态方程求出过程的初、终态参数之间的关系式出过程的初、终态参数之间的关系式, ,并按热力学第一定并按热力学第一定律研究热力过程中气体吸收或放出的热量律研究热力过程中气体吸收或放出的热量, ,热力学能变化热力学能变化以及对外所做的功以及对外所做的功; ;然后引进各种有关的经验修正系数然后引进各种有关的经验修正系数, ,将将这种可逆过程的分析结果这种可逆过程的分析结果, ,换算成实际气体的不可逆过程。换算成实际气体的不可逆过程。由于定容、定压、定温和绝热过程中各有一个状态参数保由于定容

41、、定压、定温和绝热过程中各有一个状态参数保持不变持不变, ,且这四个过程与实际热力设备中工质的某种状态且这四个过程与实际热力设备中工质的某种状态变化较为接近变化较为接近, ,故称为故称为基本的热力过程基本的热力过程。本节先讨论理想。本节先讨论理想气体的基本热力过程气体的基本热力过程, ,然后讨论理想气体的一般过程然后讨论理想气体的一般过程, ,即多即多变过程。变过程。第三节热力过程分析第三节热力过程分析一、定容过程一、定容过程(1)过程方程过程方程 v=定值定值 (1-41)(2)基本状态参数间关系式基本状态参数间关系式 由过程方程知由过程方程知,过程中任意两状态点比体积相等过程中任意两状态点

42、比体积相等,即即 v2=v1 (1-42)由状态方程得由状态方程得 (1-43)第三节热力过程分析第三节热力过程分析一、定容过程一、定容过程(3)功量与热量分析计算功量与热量分析计算定容过程定容过程dv=0,故定容过程膨胀功为故定容过程膨胀功为 w= pdv=0 (1-44)定容过程的技术功定容过程的技术功wt为为 wt= - vdp=v(p1-p2) (1-45)根据比定容热容定义根据比定容热容定义,定容过程吸收的热量为定容过程吸收的热量为 q=cVT (1-46)或由热力学第一定律表达式表示为或由热力学第一定律表达式表示为 q=u+w=u+0=cVT (1-47)第三节热力过程分析第三节热

43、力过程分析一一、定容过程定容过程(4)pV图和图和TS图图根据过程方程可知根据过程方程可知,在在pV图上定容线是一条与横坐标垂图上定容线是一条与横坐标垂直的直线直的直线,如图如图1-6a所示。在所示。在TS图上图上,定容线为一条斜率为定容线为一条斜率为正的指数曲线正的指数曲线,如图如图1-6b所示所示,这可由理想气体熵这可由理想气体熵dS的表达式的表达式分析得出。分析得出。图图1-61-6定容过程定容过程第三节热力过程分析第三节热力过程分析二、定压过程二、定压过程(1)过程方程过程方程 p=定值定值 (1-48)(2)基本状态参数间关系式基本状态参数间关系式由过程方程知由过程方程知 p2=p1

44、 (1-49)联立上式及状态方程求解可得联立上式及状态方程求解可得 (1-50)第三节热力过程分析第三节热力过程分析二、定压过程二、定压过程(3)功量和热量分析计算功量和热量分析计算定压过程定压过程dp=0,则膨胀功和技术功为则膨胀功和技术功为 w= pdv=p(v2-v1) (1-51) wt= - vdp=0 (1-52)类似于定容过程分析类似于定容过程分析,定压过程吸热量为定压过程吸热量为 q=cpT=h (1-53) 第三节热力过程分析第三节热力过程分析二、定压过程二、定压过程(4)pV图和图和TS图图根据过程方程知根据过程方程知,在在pV图上定压线为一条与纵坐标垂直图上定压线为一条与

45、纵坐标垂直的直线的直线,如图如图1-7a所示。所示。图图1-71-7定压过程定压过程第三节热力过程分析第三节热力过程分析三、定温过程三、定温过程(1)过程方程过程方程由定义知由定义知,定温过程温度保持不变定温过程温度保持不变,即即T=定值。结合理想气体定值。结合理想气体状态方程状态方程pv=RT得定温过程的过程方程为得定温过程的过程方程为 pv=定值定值 (1-54)(2)基本状态参数间关系基本状态参数间关系根据过程特点有根据过程特点有 T2=T1 (1-55)由过程方程直接可得到压力与比体积的关系为由过程方程直接可得到压力与比体积的关系为(1-56)第三节热力过程分析第三节热力过程分析三、定

46、温过程三、定温过程(3)功量和热量的分析计算功量和热量的分析计算根据过程方程根据过程方程,过程的膨胀功为过程的膨胀功为(1-57)热力过程的技术功为热力过程的技术功为(1-58)根据理想气体热力性质根据理想气体热力性质,T=0,即即u=0,从而有从而有 q=u+w=w (1-59)因此在理想气体的定温过程中因此在理想气体的定温过程中,膨胀功、技术功和热量三者膨胀功、技术功和热量三者相等。相等。第三节热力过程分析第三节热力过程分析三、定温过程三、定温过程(4)pV图和图和TS图图根据过程方程知根据过程方程知,定温线在定温线在pV图上是等轴双曲线图上是等轴双曲线,如图如图1-8a所示。在所示。在T

47、S图上图上,定温线是一条垂直于纵坐标的直线定温线是一条垂直于纵坐标的直线,如图如图1-8b所示。所示。图图1-81-8定温过程定温过程第三节热力过程分析第三节热力过程分析四、定熵过程四、定熵过程(1)过程方程过程方程根据理想气体熵变的微分表达式和定熵过程熵不变的特点根据理想气体熵变的微分表达式和定熵过程熵不变的特点,有有 pv=定值定值 (1-60)上式为定熵过程的过程方程式。上式为定熵过程的过程方程式。令令=cp/cV,称为等熵指数称为等熵指数,等于理想气体的定熵指数。等于理想气体的定熵指数。根据理想气体的定值比热容可计算出单原子、双原子和多根据理想气体的定值比热容可计算出单原子、双原子和多

48、原子气体的等熵指数分别为原子气体的等熵指数分别为:1.67、1.4和和1.3。第三节热力过程分析第三节热力过程分析四、定熵过程四、定熵过程(2)基本状态参数间的关系基本状态参数间的关系由过程方程结合状态方程可得由过程方程结合状态方程可得p与与v之间的关系如下之间的关系如下（1-61）（1-62）（1-63）（1-64）第三节热力过程分析第三节热力过程分析四、定熵过程四、定熵过程(3)功量和热量的分析计算功量和热量的分析计算过程的膨胀功为过程的膨胀功为 w=-u=u1-u2 (1-65)（1-66）（1-67）第三节热力过程分析第三节热力过程分析四、定熵过程四、定熵过程(3)功量和热量的分析计算

49、功量和热量的分析计算定熵过程的技术功为定熵过程的技术功为（1-68）定熵过程是绝热可逆过程定熵过程是绝热可逆过程,故故 q= tds=0 (1-69)第三节热力过程分析第三节热力过程分析四、定熵过程四、定熵过程(4)pV图和图和TS图图由定熵过程的过程方程由定熵过程的过程方程pV=定值可知定值可知,定熵过程在定熵过程在pV图图上是一条幂指数为负的幂函数曲线上是一条幂指数为负的幂函数曲线(又称为高次双曲线又称为高次双曲线)。比较定温过程的斜率可知比较定温过程的斜率可知,定熵曲线斜率的绝对值大于定温定熵曲线斜率的绝对值大于定温曲线斜率的绝对值曲线斜率的绝对值,故故pV图上过同一点的定熵线比定温图上

50、过同一点的定熵线比定温线陡线陡,如图如图1-9a所示。所示。图图1-91-9定熵过程定熵过程第三节热力过程分析第三节热力过程分析五、理想气体的多变过程五、理想气体的多变过程上述四种热力过程的共同特点是上述四种热力过程的共同特点是:在热力过程中某一状态在热力过程中某一状态参数的值保持不变。然而在许多实际的热力过程中往往是参数的值保持不变。然而在许多实际的热力过程中往往是所有的状态参数都在变化。例如所有的状态参数都在变化。例如,压气机中气体在压缩的同压气机中气体在压缩的同时被冷却时被冷却,使气体在压缩过程中的压力、比体积和温度都在使气体在压缩过程中的压力、比体积和温度都在变化。但实际过程中气体状态

51、参数的变化往往遵循一定规变化。但实际过程中气体状态参数的变化往往遵循一定规律。试验研究发现律。试验研究发现,这一规律可以表示为这一规律可以表示为 pvn=定值定值 (1-70)第三节热力过程分析第三节热力过程分析五、理想气体的多变过程五、理想气体的多变过程比较多变过程与定熵过程的过程方程不难发现比较多变过程与定熵过程的过程方程不难发现, ,两方程的两方程的形式相同形式相同, ,所不同的仅仅是指数值。因此所不同的仅仅是指数值。因此, ,参照定熵过程参照定熵过程, ,可得多变过程的基本状态参数间关系为可得多变过程的基本状态参数间关系为（1-71）（1-72）（1-73）（1-74）第三节热力过程分

52、析第三节热力过程分析五、理想气体的多变过程五、理想气体的多变过程（1-75）（1-76）（1-77）第三节热力过程分析第三节热力过程分析五、理想气体的多变过程五、理想气体的多变过程从图从图1-10a可以看到可以看到,定容线和定压线把定容线和定压线把pV图分成了图分成了、和和四个区域四个区域,在在、区域区域,多变过程线的多变过程线的n值由定压线值由定压线n=0开始按顺时针方向逐渐增大开始按顺时针方向逐渐增大,直到定容线的直到定容线的n=。在。在、区域区域,n0,n值则从值则从n=-按顺时针方向增大到按顺时针方向增大到n=0。实际。实际工程中工程中,n0的热力过程极少存在的热力过程极少存在,故可以

53、不予讨论。在故可以不予讨论。在TS图上图上,n的值也是按顺时针方向增大的的值也是按顺时针方向增大的,上述上述n的变化规律同的变化规律同样成立。样成立。图图1-101-10多变过程多变过程第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律一、自发过程的方向性与热力学第二定律的表述一、自发过程的方向性与热力学第二定律的表述1.1.自发过程的方向性自发过程的方向性所谓自发过程就是不需要任何外界作用而自动进行的过程。所谓自发过程就是不需要任何外界作用而自动进行的过程。例如热量由高温物体传向低温物体就是一个自发过程例如热量由高温物体传向低温物体就是一个自发过程, ,反反之则不能自发进行之则不能自发进行, ,这是人

54、所共知的常识。这是人所共知的常识。机械能通过摩擦转变为热能的过程也是一个自发过程。例机械能通过摩擦转变为热能的过程也是一个自发过程。例如如, ,行驶中的汽车制动时行驶中的汽车制动时, ,汽车的动能通过摩擦全部变成热汽车的动能通过摩擦全部变成热能能, ,造成地面和轮胎升温造成地面和轮胎升温, ,最后散失于环境。反之最后散失于环境。反之, ,如果将如果将同等数量的热加给轮胎与地面同等数量的热加给轮胎与地面, ,却不能使汽车行驶。这说却不能使汽车行驶。这说明明, ,机械能可以自发地转变为热能机械能可以自发地转变为热能, ,而热能却不能自发地转而热能却不能自发地转变为机械能。变为机械能。第四节热力学第

55、二定律第四节热力学第二定律一、自发过程的方向性与热力学第二定律的表述一、自发过程的方向性与热力学第二定律的表述2.2.热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述热力学第二定律揭示了自然界中一切热过程进行的方向、热力学第二定律揭示了自然界中一切热过程进行的方向、条件和限度。自然界中热过程的种类很多条件和限度。自然界中热过程的种类很多, ,因此热力学第因此热力学第二定律的表述方式也很多。由于各种表述所揭示的是一个二定律的表述方式也很多。由于各种表述所揭示的是一个共同的客观规律共同的客观规律, ,因而它们彼此是等效的。因而它们彼此是等效的。热力学第一定律与热力学第二定律都是建立在无数事实基热力学第一定

56、律与热力学第二定律都是建立在无数事实基础上的经验定律础上的经验定律, ,从这两个定律出发的一切推论都符合客从这两个定律出发的一切推论都符合客观实际。观实际。第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律二、热力循环与热效率二、热力循环与热效率1.1.热力循环热力循环热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了连续不断地将热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了连续不断地将热转化为功热转化为功, ,工程上是通过热机来实现的。工质在热机气工程上是通过热机来实现的。工质在热机气缸中仅仅完成一个膨胀过程不可能连续做功的。为了重复缸中仅仅完成一个膨胀过程不可能连续做功的。为了重复进行膨胀过程进行膨胀过程, ,工质在每

57、次膨胀做功之后工质在每次膨胀做功之后, ,必须进行某种压必须进行某种压缩过程缩过程, ,使它恢复到某种初态使它恢复到某种初态, ,以便重新膨胀做功。这种使以便重新膨胀做功。这种使工质从初态出发工质从初态出发, ,经过一系列变化又回到初态的过程经过一系列变化又回到初态的过程, ,称为称为热力循环热力循环( (简称循环简称循环) )。根据效果的不同根据效果的不同, ,热力循环分为正向循环和逆向循环。把热力循环分为正向循环和逆向循环。把热能转变为机械功的循环称为热能转变为机械功的循环称为正向循环正向循环( (或热机循环或热机循环););依依靠消耗机械功而将热量从低温热源传向高温热源的循环称靠消耗机械

58、功而将热量从低温热源传向高温热源的循环称为为逆向循环逆向循环( (或热泵循环或热泵循环) )。第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律二、热力循环与热效率二、热力循环与热效率1.1.热力循环热力循环如图如图1-11所示所示,设设1kg工质进行一个可逆的正向循环。工质进行一个可逆的正向循环。图图1-111-11正向循环示意图正向循环示意图第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律二、热力循环与热效率二、热力循环与热效率2.2.热效率热效率为了评价热力循环在能源利用方面的经济性为了评价热力循环在能源利用方面的经济性, ,通常采用热通常采用热力循环的净功力循环的净功W W0 0与工质从高温热源接受的热

59、量与工质从高温热源接受的热量q q1 1的比值作的比值作指标指标, ,称为循环热效率称为循环热效率, ,用用t t表示表示, ,即即（1-79）第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律三、卡诺循环与卡诺定理三、卡诺循环与卡诺定理1.卡诺循环卡诺循环如图如图1-12所示所示,卡诺循环是由两个定温过程和两个绝热过程卡诺循环是由两个定温过程和两个绝热过程交错组成的可逆循环。交错组成的可逆循环。图图1-121-12卡诺循环示意图卡诺循环示意图第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律三、卡诺循环与卡诺定理三、卡诺循环与卡诺定理1.卡诺循环卡诺循环其中过程其中过程12为在温度较高的恒温热源温度为在温度较高

60、的恒温热源温度T1下定温膨胀下定温膨胀,吸收热量吸收热量q1;过程过程23为绝热膨胀为绝热膨胀;过程过程34为在温度较低为在温度较低的恒温冷源温度的恒温冷源温度T2下定温压缩下定温压缩,放出热量放出热量q2;过程过程41为绝为绝热压缩热压缩,卡诺循环的热效率卡诺循环的热效率tk为为（1-80）第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律三、卡诺循环与卡诺定理三、卡诺循环与卡诺定理2.2.卡诺定理卡诺定理卡诺定理告诉我们卡诺定理告诉我们, ,两个给定热源之间的所有循环中两个给定热源之间的所有循环中, ,以卡以卡诺循环的热效率最高。一切工质的循环都是不可逆循环诺循环的热效率最高。一切工质的循环都是不可

61、逆循环, ,因此实际循环的热效率必小于相同热源条件下卡诺循环的因此实际循环的热效率必小于相同热源条件下卡诺循环的热效率。所以提高热效率的途径是减小过程的不可逆性热效率。所以提高热效率的途径是减小过程的不可逆性, ,使实际循环尽量接近卡诺循环。卡诺定理还指出了两个给使实际循环尽量接近卡诺循环。卡诺定理还指出了两个给定热源之间所有卡诺循环的热效率都相等定热源之间所有卡诺循环的热效率都相等, ,与工质的性质与工质的性质无关无关, ,因此影响热效率的基本因素仅仅是热源的温度。提因此影响热效率的基本因素仅仅是热源的温度。提高热效率的另一个基本途径是提高高温热源的温度高热效率的另一个基本途径是提高高温热源

62、的温度T T1 1和降和降低低温热源的温度低低温热源的温度T T2 2。为了提高热效率。为了提高热效率, ,现代热机就是沿现代热机就是沿着这条途径发展的。着这条途径发展的。第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律四、孤立系统的熵增原理四、孤立系统的熵增原理对于孤立系统对于孤立系统,整个系统的熵变等于热源、冷源和工质三者整个系统的熵变等于热源、冷源和工质三者熵变的代数和熵变的代数和,即即S系统系统=S工质工质+S热源热源+S冷源冷源。系统熵变与。系统熵变与过程进行的方向之间有如下的关系过程进行的方向之间有如下的关系:孤立系统的热力过程孤立系统的热力过程总是朝着系统的熵有所增加的方向进行总是朝着系

63、统的熵有所增加的方向进行,不可能出现使系统不可能出现使系统熵的总量减小的情况熵的总量减小的情况,在理想的可逆过程中可使系统熵的总在理想的可逆过程中可使系统熵的总量保持不变量保持不变,即即 dS系统系统0 (1-81)第四节热力学第二定律第四节热力学第二定律四、孤立系统的熵增原理四、孤立系统的熵增原理这就是孤立系统的熵增原理这就是孤立系统的熵增原理孤立系统的熵可以增大或孤立系统的熵可以增大或者保持不变者保持不变, ,但不可能减小。但不可能减小。熵增原理可以用来判断要想实现某个过程的实际可行性。熵增原理可以用来判断要想实现某个过程的实际可行性。例如例如, ,热量自高温物体传到低温物体热量自高温物体传到低温物体, ,机械能变为热能等机械能变为热能等, ,可以证明这些过程其孤立系统的熵都是增加的可以证明这些过程其孤立系统的熵都是增加的, ,因此是可因此是可以自发进行的。以自发进行的。熵增原理也是热力学第二定律的一种表述。因此热力学第熵增原理也是热力学第二定律的一种表述。因此热力学第二定律也可称为熵定律二定律也可称为熵定律, ,式式(1-81)(1-81)可作为热力学第二定律可作为热力学第二定律的数学表达式。在这里的数学表达式。在这里, ,熵的物理意义得到更明确的显示。熵的物理意义得到更明确的显示。