第1章 基本概念

第一章

基本概念

BasicConceptsandDefinition1-1熱能在熱機(jī)中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程奧迪(進(jìn)口)-奧迪A8

發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)總功率(kW)排量(mL)最大功率(kW)進(jìn)氣形式缸徑(mm)行程(mm)奧迪A82016款A(yù)8L30FSI舒適型2.5L204馬力V6-2498150自然吸氣--奧迪A82016款A(yù)8L40hybrid2.0T211馬力L4401984155渦輪增壓--奧迪A82016款A(yù)8L45TFSIquattro時(shí)尚型3.0T290馬力V6-2995213機(jī)械增壓84.589奧迪A82016款A(yù)8L60TFSIquattro豪華型4.0T435馬力V8-3993320雙渦輪增壓--奧迪A82016款A(yù)8L6.3FSIW12quattro旗艦型6.3L500馬力W12-6299368自然吸氣8690.4

內(nèi)燃機(jī)的工作原理圖

內(nèi)燃機(jī)的工作原理圖活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)氣缸四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過程四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過程進(jìn)氣排氣2.壓縮3.燃燒、膨脹1.吸氣4.排氣研究熱機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）中將熱能（燃油燃燒釋放的化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（輸出動(dòng)力）的過程，首先要建立一個(gè)研究對(duì)象-熱力系統(tǒng)，要有熱能的來(lái)源（燃料燃燒）和去處（尾氣等中的熱能排到環(huán)境）-熱源，要有熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的媒介物（燃?xì)猓?工質(zhì)工質(zhì):實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。熱源:工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。高溫?zé)嵩矗嵩?-

heat

source

）

低溫?zé)嵩矗ɡ湓础猦eat

sink）恒溫?zé)嵩?constant

heat

reservoir)變溫?zé)嵩?-2熱力系統(tǒng)（或稱熱力系）熱力系統(tǒng)：人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)或熱力系。外界：系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)系統(tǒng)。邊界：系統(tǒng)與外界的界面。系統(tǒng)與外界之間，通過邊界進(jìn)行能量的傳遞與物質(zhì)的遷移。一、熱力系統(tǒng)二、熱力系統(tǒng)分類（一）以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：

有無(wú)是否傳質(zhì)開口系

閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質(zhì)非孤立系孤立系閉口熱力系(CM)開口熱力系(CV)?注意：1、系統(tǒng)與外界的人為性；

2、邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動(dòng)的

c）實(shí)際的或虛擬的

邊界特性真實(shí)、虛構(gòu)固定、活動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)界面熱力系、界面、外界例研究氣缸中的氣體(打開閥門)。是什么熱力系？1234mQW1開口系非孤立系＋相關(guān)外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系熱力系統(tǒng)物理化學(xué)性質(zhì)

均勻系

非均勻系工質(zhì)種類多元系單元系相態(tài)多相單相（二）熱力系統(tǒng)其它分類：思考題結(jié)論：

1、不計(jì)恒外力場(chǎng)影響；

2、多相系未必不均勻—濕蒸汽；

單元系未必均勻—?dú)庖浩胶夥蛛x狀態(tài)；

1、多相系一定不均勻。2、單元系一定是均勻的。簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)simplecompressiblesystem

體積變化功壓縮功膨脹功定義：由可壓縮物質(zhì)組成，無(wú)化學(xué)反應(yīng)、與外界只有交換體積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。1-3狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀狀況狀態(tài)參數(shù)：描述熱力系狀態(tài)的物理量狀態(tài)參數(shù)的特征：1、狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然2、狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)3、狀態(tài)參數(shù)的微分特征：全微分狀態(tài)參數(shù)的積分特征

狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無(wú)關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)上：點(diǎn)函數(shù)、態(tài)函數(shù)12ab例：溫度變化山高度變化狀態(tài)參數(shù)的微分特征設(shè)z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的分類

①基本狀態(tài)參數(shù)能夠用儀器儀表直接或間接測(cè)量的參數(shù)稱為┄。②導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)不能用儀器儀表直接或間接測(cè)量的參數(shù)稱為┄。如：溫度、壓力、比容如：熱力學(xué)（內(nèi)能）、焓、熵。１按能否用儀器或儀表進(jìn)行直接或間接測(cè)量劃分２按與系統(tǒng)內(nèi)包含物質(zhì)多少有無(wú)關(guān)系劃分①?gòu)?qiáng)度量——與系統(tǒng)內(nèi)包含物質(zhì)的多少無(wú)關(guān)。②廣延量——與系統(tǒng)內(nèi)包含物質(zhì)的多少有關(guān)。如：溫度、壓力等。如：體積、熱力學(xué)能、焓、熵等。注意：廣延量的比參數(shù)具有強(qiáng)度量的性質(zhì)如：比體積、比熱力學(xué)能、比焓、比熵等基本狀態(tài)參數(shù)１.比體積、密度和重度①比體積單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積，稱為比體積。表達(dá)式②密度單位容積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量，稱為密度。表達(dá)式表達(dá)式③重度單位容積內(nèi)所含有物質(zhì)的重量，稱為重度。２.壓力熱力系的單位面積上所受到的垂直作用力。表達(dá)式或上式計(jì)算出的是熱力系的真實(shí)壓力稱為絕對(duì)壓力

p。常用的壓力單位間的關(guān)系測(cè)量的壓力一般是工質(zhì)絕對(duì)壓力與環(huán)境壓力的相對(duì)值——相對(duì)壓力注：barometricpressure（atmosphere）U形管式壓力計(jì)示意圖真空度pe表壓力例題1-l某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝有壓力計(jì)，如圖1-2所示，設(shè)大氣壓力為97kPa。

(1)若壓力表B、表C的讀數(shù)分別為75kPa，0．11MPa，試確定壓力表A上的讀數(shù)，及容器兩部分內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力。(2)若表C為真空計(jì)，讀數(shù)為24kPa，壓力表B的讀數(shù)為36kPa，試問表A是什么表?讀數(shù)是多少?解:(1)因

由上式得

則

或

(2)由表B為壓力表知，pI>pⅡ；又由表C為真空計(jì)知

所以，表A一定是真空計(jì)。于是則

討論

(1)需要注意的是，不管用什么壓力計(jì)，測(cè)得的都是工質(zhì)的絕對(duì)壓力p和環(huán)境壓力之間的相對(duì)值，而不是工質(zhì)的真實(shí)壓力。

(2)這個(gè)環(huán)境壓力是指測(cè)壓計(jì)所處的空間壓力，可以是大氣壓力pb，如題目中的表A、表C。也可以是所在環(huán)境的空間壓力，如題目中的表B，其環(huán)境壓力為pⅡ。

1)溫度T的一般定義傳統(tǒng)：冷熱程度的度量。微觀：衡量分子平均動(dòng)能的量度

3.溫度2)熱力學(xué)第零定律溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W.Fowler）

如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個(gè)系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)B溫度計(jì)3)溫度的熱力學(xué)定義

處于同一熱平衡狀態(tài)的各個(gè)熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。

溫度是確定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量4)溫度的測(cè)量溫度計(jì)物質(zhì)（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準(zhǔn)點(diǎn)刻度溫標(biāo)②熱力學(xué)溫標(biāo)ＴＫ5)常用的溫標(biāo)①攝氏溫標(biāo)

t℃基準(zhǔn)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下純水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)溫度為基準(zhǔn)點(diǎn)，規(guī)定冰點(diǎn)溫度為0℃。沸點(diǎn)溫度為100℃。分度方法：認(rèn)定測(cè)溫物質(zhì)的測(cè)溫屬性隨溫度的變化是線性的。0℃與100℃這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間分成100等分,

每一等分為1度?；鶞?zhǔn)點(diǎn)：純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態(tài)點(diǎn)(三相點(diǎn))為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定它的溫度為273.16K。

常用的溫標(biāo)常用溫標(biāo)（temperature

scale）絕對(duì)K攝氏℃

華氏℉朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點(diǎn)水三相點(diǎn)鹽水冰點(diǎn)發(fā)燒水沸點(diǎn)559.67攝氏溫標(biāo)（Celsiustemperaturescale）℃攝氏溫標(biāo)是瑞典物理學(xué)家、天文學(xué)家，瑞典科學(xué)院院士安德斯·攝爾修斯（AndersCelsius，1701～1744）在1742年首先提出的一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。安德斯·攝爾修斯在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，1742年創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)。這是攝爾修斯對(duì)熱學(xué)不可磨滅的貢獻(xiàn)。他把水銀溫度計(jì)插人正在熔解的雪中，定為冰點(diǎn)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)；然后又把溫度計(jì)插入沸騰的水中，定為沸點(diǎn)作為另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)（這其中實(shí)際上暗含了正常大氣壓這個(gè)條件）。并把冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間等分100度，所以攝氏溫標(biāo)又叫百分溫標(biāo)。為了避免測(cè)量低溫時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，他把水的沸點(diǎn)定為零度，而冰點(diǎn)定為100度。到1750年根據(jù)他的同事M.施勒默爾的建議，把這種標(biāo)度倒轉(zhuǎn)過來(lái)，以冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度。開始人們稱它為“瑞典溫度計(jì)”，大約在1800年人們才稱它為攝氏溫度計(jì)。1948年在巴黎召開的第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)根據(jù)“名從主人”的慣例，把百分溫標(biāo)正式命名為“攝氏溫標(biāo)”，以紀(jì)念攝爾修斯。攝氏溫標(biāo)的單位是“攝氏度”，用℃表示。攝氏溫度現(xiàn)在仍然是世界通用的溫度數(shù)值表示方法。攝爾修斯對(duì)溫度計(jì)的制作和改進(jìn)，對(duì)促進(jìn)熱學(xué)的研究和發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。華氏溫標(biāo)（Fahrenheittemperaturescale）℉華氏度是以其發(fā)明者德國(guó)人GabrielD.Fahrenheit（華倫海特1681—1736）命名的。1714年，他制成了第一支玻璃水銀溫度計(jì)。這種溫度計(jì)的刻度是按歷史上最早出現(xiàn)的溫標(biāo)(華氏溫標(biāo))來(lái)劃分的。最初，華氏溫標(biāo)選用NH4Cl(氯化銨)和水的混合物的凝固點(diǎn)溫度為0°，而以人(他妻子)的體溫為96°。此后，改為水的冰點(diǎn)為32°，而以水沸點(diǎn)的溫度為212°，這就是華氏溫標(biāo)，用符號(hào)℉表示。溫標(biāo)的換算例題l-2定義一種新的線性溫度標(biāo)尺——牛頓溫標(biāo)(單位為牛頓度，符號(hào)為oN)，水的冰點(diǎn)和汽點(diǎn)分別為100oN和200oN。

(1)試導(dǎo)出牛頓溫標(biāo)TN與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系式。(2)熱力學(xué)溫度為0K時(shí)，牛頓溫度為多少oN?

解:(1)若任意溫度在牛頓溫標(biāo)上的讀數(shù)為TN，而在熱力學(xué)溫標(biāo)上的讀數(shù)為T，則

(2)當(dāng)T=0K時(shí)，由上面所得的關(guān)系式有1-4平衡狀態(tài),狀態(tài)方程,坐標(biāo)圖

定義：若無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)值不隨時(shí)間而改變的狀態(tài)。

溫差—

熱不平衡勢(shì)壓差—

力不平衡勢(shì)化學(xué)反應(yīng)—

化學(xué)不平衡勢(shì)平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢(shì)一、平衡狀態(tài)thermodynamicequilibriumstate?熱平衡—thermalequilibrium：

在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)與外界處處溫度相等。?力平衡—mechanicalequilibrium：

在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)

部，系統(tǒng)與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件—系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平

衡和力平衡。平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時(shí)間變化穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡與均勻平衡：時(shí)間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的為什么引入平衡概念？

如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換能量交換狀態(tài)變化破壞平衡如何描述二、狀態(tài)方程對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng),狀態(tài)方程:或三、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖1反映工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系式，稱為狀態(tài)方程。1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過程平衡狀態(tài)狀態(tài)不變化能量不能轉(zhuǎn)換非平衡狀態(tài)無(wú)法簡(jiǎn)單描述熱力學(xué)引入準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)平衡）過程12v21p一、準(zhǔn)靜態(tài)過程(準(zhǔn)平衡過程)2系統(tǒng)隨時(shí)接近于平衡態(tài)針閥的開度非常?。é→0）準(zhǔn)靜態(tài)過程有實(shí)際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態(tài)參數(shù)描述，又可進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換疑問：理論上準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)無(wú)限緩慢，工程上怎樣處理？準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程條件破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）>>有足夠時(shí)間恢復(fù)新平衡

準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程的工程應(yīng)用例：活塞式內(nèi)燃機(jī)2000轉(zhuǎn)/分曲柄2沖程/轉(zhuǎn)，0.15米/沖程活塞運(yùn)動(dòng)速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復(fù)平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時(shí)間（外部作用時(shí)間）>>恢復(fù)平衡所需時(shí)間（馳豫時(shí)間）一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程具體工程問題具體分析?！巴蝗弧薄熬徛笨赡孢^程的描述：系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程后，如令過程逆行而能使系統(tǒng)與外界同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)而不留下任何痕跡，則此過程稱為可逆過程。可逆過程的描述注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態(tài)的過程。二、可逆過程可逆過程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程+無(wú)耗散效應(yīng)=可逆過程無(wú)不平衡勢(shì)差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢(shì)差

不可逆根源耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)典型的不可逆過程不等溫傳熱節(jié)流過程

(閥門）自由膨脹混合過程可逆過程與準(zhǔn)平衡過程的區(qū)別：1.可逆過程一定是準(zhǔn)平衡過程；2.準(zhǔn)平衡過程不一定是可逆過程。實(shí)際過程都是不可逆過程！三、循環(huán)過程工質(zhì)從一個(gè)狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化又回到了原來(lái)的狀態(tài)稱之經(jīng)歷了一個(gè)熱力循環(huán)。v1pvp可逆循環(huán)不可逆循環(huán)循環(huán)過程及在坐標(biāo)圖上的表示1-6過程功和熱量一、功的定義定義:力和力的方向上位移的乘積.對(duì)于過程1-2:

符號(hào)約定:熱力系統(tǒng)對(duì)外輸出功為正,外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù).

二、可逆過程的功

功有何性質(zhì)?1.是過程量,不是狀態(tài)量2.其大小與初、終狀態(tài)有關(guān),

也與路徑有關(guān)v1p2ab三、過程熱量定義:熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量.

計(jì)算公式:sT21熱量單位:J,kJ系統(tǒng)吸熱時(shí)為正

Q>0