第一章 工程熱力學(xué)及基礎(chǔ)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車?yán)碚摓槭裁匆獙W(xué)習(xí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車?yán)碚?？怎樣學(xué)習(xí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車?yán)碚?？如何獲得好成績？介紹構(gòu)成工程熱力學(xué)理論基礎(chǔ)的熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律；常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)；分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的各種熱力工程和熱力循環(huán)，闡明提高轉(zhuǎn)換效率的正確途徑。第一章工程熱力學(xué)及基礎(chǔ)第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)能量能源能量是對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的度量。萬物無時(shí)不在在運(yùn)動(dòng)之中。能量的不同形式。指能夠直接或間接提供能量的物質(zhì)資源。一次能源：二次能源：熱能是人類最早認(rèn)識(shí)和利用能量，火的利用是極大地促進(jìn)了人類的文明進(jìn)程。熱能的直接利用熱能的間接利用——各種各樣的熱機(jī)第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)工質(zhì)在熱機(jī)中實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)，在熱機(jī)中依靠工質(zhì)的狀態(tài)變化（如膨脹）才能獲得功，而做功通過工質(zhì)才能傳遞熱。工質(zhì)的基本條件：具有好的流動(dòng)性和受熱后有顯著的膨脹性，并有較大的熱容量及安全可靠，具有較好的穩(wěn)定性，環(huán)境污染?。▽Νh(huán)境友善），價(jià)格低廉，儲(chǔ)量大（容易大量獲取）。工質(zhì)的物質(zhì)條件：氣體或由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的蒸氣，如蒸汽輪機(jī)中的蒸氣，內(nèi)燃機(jī)中的燃?xì)猓评溲b置中的氨蒸氣等。工程熱力學(xué)的基本概念研究對象：熱力系統(tǒng)的描述：狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系：狀態(tài)參數(shù)的變化：發(fā)生熱力過程的原因：熱力系統(tǒng)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)方程熱力過程功和熱熱力系統(tǒng)在熱力學(xué)研究中，選取作為分析對象的某特定范圍內(nèi)的物質(zhì)或空間叫做熱力系統(tǒng)。與熱力系統(tǒng)發(fā)生物質(zhì)和能量交換的其他物質(zhì)體系稱為外界。系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為邊界。邊界可以是:真實(shí)的或假想的;固定的或移動(dòng)的。開口系統(tǒng)：與外界之間既有能量又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)；封閉系統(tǒng)或閉口系統(tǒng)：與外界之間只有能量(功和熱)而沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)；絕熱系統(tǒng)：與外界之間沒有熱量交換的系統(tǒng)；孤立系統(tǒng)：與外界之間既沒有能量也沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)熱力系統(tǒng)電廠熱力系統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)氣體也是一個(gè)熱力系統(tǒng)工質(zhì)熱力狀態(tài)參數(shù)標(biāo)志工質(zhì)（氣體）熱力狀態(tài)的物理量叫做工質(zhì)（氣體）狀態(tài)參數(shù)。常用的工質(zhì)（氣體）狀態(tài)參數(shù)：壓力p溫度T比體積v內(nèi)能U焓H

熵S可直接測量基本狀態(tài)參數(shù)推導(dǎo)狀態(tài)參數(shù)氣體的狀態(tài)參數(shù)氣體或液體的壓力p——?dú)怏w或液體對單位面積容器內(nèi)壁所施加的垂直作用力。液體和氣體表面的壓力壓力是重力和分子運(yùn)動(dòng)共同作用的共同結(jié)果。絕對壓力P氣體或液體的壓力壓力的國際單位帕斯卡（符號Pa）是國際單位制(SI)的壓力或壓強(qiáng)單位。在不致混淆的情況下，可簡稱帕。它等于一牛頓每平方米。以法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家兼哲學(xué)家布萊士·帕斯卡命名。表壓力pg是絕對壓力p高出外界大氣壓力的p0的數(shù)值。如果容器內(nèi)的壓力p低于外界的大氣壓力p0時(shí)，表壓力為負(fù)值，叫真空度人類對冷和熱的認(rèn)識(shí)氣體狀態(tài)參數(shù)——溫度熱力學(xué)溫度T是國際單位制中溫度的基本單位，單位為K。只有熱力學(xué)溫度才是氣體的狀態(tài)參數(shù)。氣體狀態(tài)參數(shù)——比體積比體積—單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積。密度—單位體積物質(zhì)具有的質(zhì)量，是比體積的倒數(shù)。工質(zhì)的平衡態(tài)系統(tǒng)中氣體各部分的溫度和壓力必須均勻一致（熱平衡和機(jī)械平衡），且不隨時(shí)間而變化，該狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡狀態(tài)。處于平衡狀態(tài)時(shí)，氣體的所有狀態(tài)參數(shù)都有確定的數(shù)值。理想氣體方程式假設(shè)氣體內(nèi)部分子不占體積，分子之間沒有引力的氣體叫理想氣體。熱力工程學(xué)中，近似地將空氣、燃?xì)狻煔獾葰怏w作為理想氣體。理想氣體方程式，對于1kg理想氣體的狀態(tài)方程或mkg的理想氣體，體積為V=mv，其狀態(tài)方程為式中：R為氣體常數(shù)，其數(shù)值與氣體種類有關(guān)，單位理想氣體方程反映氣體三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系理想氣體方程式理想氣體狀態(tài)方程，又稱理想氣體定律，是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)、體積、物質(zhì)的量、溫度間關(guān)系的狀態(tài)方程。建立在玻義耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等經(jīng)驗(yàn)定律上。玻義耳－馬略特定律——等溫玻義耳－馬略特定律它反映氣體的體積隨壓強(qiáng)改變而改變的規(guī)律。對于一定質(zhì)量的氣體，在其溫度保持不變時(shí)，它的壓強(qiáng)和體積成反比；式中常量的大小與氣體系統(tǒng)的溫度和氣體物質(zhì)的量有關(guān)。實(shí)際氣體只是在壓強(qiáng)不太高、溫度不太低的條件下才服從這一定律。查理定律——等容由法國物理學(xué)家查理（1746--1823）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)其體積一定時(shí)，它的壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度成正比。蓋·呂薩克定律——等壓1802年，蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體熱膨脹定律壓強(qiáng)不變時(shí)，一定質(zhì)量氣體的體積跟熱力學(xué)溫度成正比。即V1/T1=V2/T2=……=C恒量。理想氣體方程式對于1k摩爾（kmol）理想氣體，其質(zhì)量為μkg(μ為氣體的相對分子質(zhì)量)，體積為μv=Vm（m3/kmol）,則1kmol理想氣體的狀態(tài)方程為設(shè)，即有在溫度和壓力均相同情況下，相同體積的任何氣體都具有相同數(shù)目的分子。阿佛加德羅定律。阿佛加德羅阿佛伽德羅，意大利化學(xué)家，他的重大貢獻(xiàn)，是在1811年提出了一種分子假說:“同體積的氣體，在相同的溫度和壓力時(shí)，含有相同數(shù)目的分子”。這一假說稱為阿伏伽德羅定律。科學(xué)上把含有阿伏伽德羅常數(shù)（約6.02×1023)個(gè)微粒的集體作為一個(gè)單位，叫摩爾，單位符號是mol。物質(zhì)的量是物理量，表示含有一定數(shù)目粒子的集合體。通用氣體常數(shù)與氣體常數(shù)理想氣體方程在物理標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（p0=101325Pa,T0=273.15K）下，kmol氣體的體積Vm的數(shù)值為22.4(m3/kmol)，則可以計(jì)算得到mkg理想氣體狀態(tài)方程kmol理想氣體狀態(tài)方程工質(zhì)的比熱容工質(zhì)的比熱容

—單位量的物質(zhì)發(fā)生單位溫度變化時(shí)所吸收或發(fā)出的熱量。比熱容的單位比質(zhì)量熱容：c=kJ/kg.K比摩爾熱容：cm=kJ/kmol.K比容積熱容：cm=kJ/m3.K比定壓熱容、比定容熱容與比熱容比氣體在壓力不變或體積不變的情況下，被加熱使單位量氣體的溫度升高1K所吸收的熱量，記為比定壓熱容和比定容熱容比定壓千摩爾熱容和比定容千摩爾熱容記為比熱容比(等熵指數(shù))定義梅耶公式理想氣體的比定壓熱容要大于比定容熱容一個(gè)數(shù)值，即：因?yàn)楸葻崛荼人裕姓鎸?shí)比熱容，平均比熱容與定比熱容大量試驗(yàn)和量子力學(xué)理論研究表明，理想氣體真實(shí)的比熱容與壓力無關(guān)，可以表示為這里，是常數(shù)。如果已知?dú)怏w的真實(shí)比熱容與溫度的關(guān)系為，氣體由被加熱到所需要的熱量為氣體在范圍內(nèi)平均比熱容為熱力過程熱力系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)過程叫熱力過程。內(nèi)平衡過程——熱力系統(tǒng)從一個(gè)平衡（均勻）狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列（無數(shù)個(gè)）平衡的中間狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)，這樣的過程叫內(nèi)平衡過程。內(nèi)不平衡過程可逆過程第二節(jié)熱力學(xué)第一定律在熱能與其他形式的能相互轉(zhuǎn)換時(shí)，能的總量不變。熱力學(xué)第一定律進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)能量的變化功、熱量和內(nèi)能功定義——力和沿力作用方向的位移的乘積。工質(zhì)在可逆過程中所做的膨脹功

熱量，熱量與功之間的關(guān)系熱量：系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。外界傳遞給系統(tǒng)的熱量為正，系統(tǒng)釋放給外界的熱量為負(fù)。熱量的單位是J或kJ（焦耳）熱量傳遞時(shí)，能量的形態(tài)不發(fā)生變化。熱量與功可以相互轉(zhuǎn)換。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾菬o條件的；熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣κ怯袟l件的。工質(zhì)的內(nèi)能工質(zhì)內(nèi)部所具有的所有能量叫工質(zhì)內(nèi)能。工程熱力學(xué)認(rèn)為，工質(zhì)的內(nèi)能有工質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和克服分子間作用力的分子位能的總和。分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的宏觀表現(xiàn)是溫度。分子位能的宏觀表現(xiàn)是壓力。工質(zhì)狀態(tài)的變化在本質(zhì)上是工質(zhì)內(nèi)能的變化。工質(zhì)內(nèi)能的變化由初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)決定，與過程無關(guān)。封閉系統(tǒng)能量方程式外界傳遞給封閉系統(tǒng)的熱量等于封閉系統(tǒng)內(nèi)能的增量與系統(tǒng)對外所做的功的和。熱量必須通過工質(zhì)才能夠完成向功的轉(zhuǎn)換。如果封閉系統(tǒng)的容積不變，則系統(tǒng)對外作功等于零，開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式熵與溫熵圖熵的性質(zhì)熵是一個(gè)導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)；只有在平衡狀態(tài)下，熵才有確定值；與內(nèi)能和焓一樣，通常只需要熵變化量，不求絕對值；熵是可加性量，S=mS；在可逆過程中，從熵的變化過程可以判斷熱量的傳遞方向；通過熵可以判斷自然界一切自發(fā)過程的熵變