第一章工程熱力學及基礎(chǔ)

汽車發(fā)動機原理與汽車理論為什么要學習汽車發(fā)動機原理與汽車理論？怎樣學習汽車發(fā)動機原理與汽車理論？如何獲得好成績？介紹構(gòu)成工程熱力學理論基礎(chǔ)的熱力學第一定律和熱力學第二定律；常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)；分析計算實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(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。第一章工程熱力學及基礎(chǔ)第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識能量能源能量是對物質(zhì)運動的度量。萬物無時不在在運動之中。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：熱能是人類最早認識和利用能量，火的利用是極大地促進了人類的文明進程。熱能的直接利用熱能的間接利用——各種各樣的熱機第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識工質(zhì)在熱機中實現(xiàn)熱能和機械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)，在熱機中依靠工質(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），價格低廉，儲量大（容易大量獲?。９べ|(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，如蒸汽輪機中的蒸氣，內(nèi)燃機中的燃氣，制冷裝置中的氨蒸氣等。工程熱力學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:真實的或假想的;固定的或移動的。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)知識熱力系統(tǒng)電廠熱力系統(tǒng)汽車發(fā)動機的氣缸內(nèi)氣體也是一個熱力系統(tǒng)工質(zhì)熱力狀態(tài)參數(shù)標志工質(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)推導狀態(tài)參數(shù)氣體的狀態(tài)參數(shù)氣體或液體的壓力p——氣體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動共同作用的共同結(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)學家、物理學家兼哲學家布萊士·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，表壓力為負值，叫真空度人類對冷和熱的認識氣體狀態(tài)參數(shù)——溫度熱力學溫度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（熱平衡和機械平衡），且不隨時間而變化，該狀態(tài)稱為熱力學平衡狀態(tài)。處于平衡狀態(tài)時，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。熱力工程學中，近似地將空氣、燃氣、煙氣等氣體作為理想氣體。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，壓強、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，它的壓強和體積成反比；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)。實際氣體只是在壓強不太高、溫度不太低的條件下才服從這一定律。查理定律——等容由法國物理學家查理（1746--1823）通過實驗發(fā)現(xiàn)。一定質(zhì)量的氣體，當其體積一定時，它的壓強與熱力學溫度成正比。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不變時，一定質(zhì)量氣體的體積跟熱力學溫度成正比。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，意大利化學家，他的重大貢獻，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，含有相同數(shù)目的分子”。這一假說稱為阿伏伽德羅定律?？茖W上把含有阿伏伽德羅常數(shù)（約6.02×1023)個微粒的集體作為一個單位，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準狀態(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數(shù)值，即：因為比熱容比所以，有真實比熱容，平均比熱容與定比熱容大量試驗和量子力學理論研究表明，理想氣體真實的比熱容與壓力無關(guān)，可以表示為這里，是常數(shù)。如果已知氣體的真實比熱容與溫度的關(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)從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時所經(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)從一個平衡（均勻）狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列（無數(shù)個）平衡的中間狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(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)熱力學第一定律在熱能與其他形式的能相互轉(zhuǎn)換時，能的總量不變。熱力學第一定律進入系統(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。熱量的單位是J或kJ（焦耳）熱量傳遞時，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。工程熱力學認為，工質(zhì)的內(nèi)能有工質(zhì)分子熱運動的動能和克服分子間作用力的分子位能的總和。分子運動動能的宏觀表現(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)和終止狀態(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)定流動能量方程式熵與溫熵圖熵的性質(zhì)熵是一個導出狀態(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。第三節(jié)熱力過程分析定容過程定容過程系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中容積保持不變。第三節(jié)熱力過程分析定容過程定容過程第三節(jié)熱力過程分析定壓過程定壓過程系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中壓力保持不變。第三節(jié)熱力過程分析定壓過程定壓過程第三節(jié)熱力過程分析定溫過程定溫過程系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中溫度保持不變。第三節(jié)熱力過程分析定溫過程定溫過程第三節(jié)熱力過程分析定溫過程定溫過程第三節(jié)熱力過程分析定熵過程絕熱可逆過程的熵保持不變。方程式為定熵過程狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系第三節(jié)熱力過程分析定熵過程熵過程狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系第三節(jié)熱力過程分析定熵過程熱量分析定熵過程是絕熱過程功分析第三節(jié)熱力過程分析定熵過程定熵過程定溫過程理想氣體多變過程熱力過程中，工質(zhì)的所有狀態(tài)參數(shù)均在改變，狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律n→多變指數(shù)，在0~∞之間變化。在某一個多變過程中，n為確定數(shù)值，在不同的多變過程中，n可0~∞之間變化。實踐中多段不同多變指數(shù)來比值在不同的多變過程。理想氣體多變過程理想氣體多變過程方程多變指數(shù)狀態(tài)方程過程n=0p=定值定壓過程n=1pv=定值定溫過程n=kpvk=定值定熵過程n=±∞v=定值定容過程理想氣體多變過程狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系理想氣體多變過程功和能量變化多變過程特性分析歸納一下狀態(tài)參數(shù)（p,T,v,u,h,s）能量轉(zhuǎn)換關(guān)系（q,w,wt）歸納一下基本過程是多變過程的特例熱力學第二定理自發(fā)過程在自然狀態(tài)下，熱永遠都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處。在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學過程具有不可逆性。自發(fā)過程是不可逆的。第四節(jié)熱力學第二定律克勞修斯表述不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。“沒有某種動力的消耗或其他變化，不可能使熱從低溫轉(zhuǎn)移到高溫?！濒?shù)婪颉び壤麨跛埂ぐｑR努埃爾·克勞修斯（RudolfJuliusEmanuelClausius，1822年1月2日－1888年8月24日），德國物理學家和數(shù)學家，熱力學的主要奠基人之一他最重要的論文于1850年發(fā)表，該論文是關(guān)于熱的力學理論的，其中首次明確指出熱力學第二定律的基本概念。他還于1855年引進了熵的概念。熱力學第二定律不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓ｉ_爾文1851年他提出熱力學第二定律：并且指出，如果此定律不成立，就必須承認可以有一種永動機，它借助于使海水或土壤冷卻而無限制地得到機械功，即所謂的第二種永動機。他從熱力學第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢。熱力循環(huán)工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)變化，又回復(fù)到原來狀態(tài)的全部過程稱為熱力循環(huán)。將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功熱力循環(huán)→正循環(huán)

消耗機械功將熱量從低溫熱源傳向高溫熱源的熱力循環(huán)→逆循環(huán)熱效率用熱效率來評價熱力循環(huán)的經(jīng)濟性?？ㄖZ循環(huán)與卡諾循環(huán)效率卡諾定律1）相同高溫熱源T1