第1章 工程热力学基础

生活中的实例： 1）电灯照明：电能 光能、热能； 2）用煤烧水：燃料的化学能 热能； 3）车用发动机燃料在气缸内燃烧、膨胀：
化学能 热能 机械能； 4）发动机带动发电机：机械能 电能。
能量转换与守恒定理：
能量既不能被创造，也不能被消灭（能量既不会凭空产 生，也不会凭空消失），它只能从一种形式转化为别的 形式，或者从一个物体转移到别的物体，且转化（转移） 前后能量总和保持不变。
热能 机械能（功）
正向：获得功必须消耗热，如车用发动机燃料在气 缸内燃烧后对外输出功；
逆向：产生热一定要消耗功，如汽车制动鼓的制动 过程（摩擦生热）。
表达式：Q=W
同一计量单位
Q=AW或Q=JW 不同计量单位
二、热力学第一定律的解析式及其应用
1、几个概念 1）功 力学中 W=FX 公式的意义：物体所受的力F和物体
能量守恒定律如今被人们普遍认同，但是并没有严格证 明。
重要意义： ①揭示了自然界中总能量为一常数（不能无中生有）；
②揭示了能量在形式上具有可转换（变）性。
一、热力学第一定律的内容
பைடு நூலகம்
内容：在热能与机械能之间，一定量的热能消失时， 必将产生数量完全相同的机械能（做了功），反之， 亦是一样。即：
量，若它的全部效果未能表现为使（外界）物体 改变宏观运动的状态，仅使物体的温差发生变化， 表现为物体内部分子的微观运动，则这种传递的 能量称为热量。
功和热量的比较： 相同点：都是过程量，均为能量的传递形式； 不同点：功使（外界）物体改变宏观位移，热量仅使
物体的温度发生变化。
讨论：假定一杯水在未加热前水温为200C，经加 热
热损失。 条件：在一个具有活塞的理想气缸中，储有1kg工质
（气体），如果给气体以微量热量dq,其结果将使工 质（气体）的状态发生变化，同时使活塞移动dx的 距离。 根据能量守恒：对于1kg物质，dq=△u+dw
即：输入=储存+输出 （或： ， ）
讨论：
1）对于等温过程：T=C △u=0 q w,即加入的热量全 部转化为功；
递能量，若它的全部效果可表现为使（外界）物体改 变宏观运动的状态，则这种传递的能量称为功。
微元状态：dw=pAdx=pdv
v2
整个过程：w
pdv
v2
对于发动机而言，越过边界而传递的能量是通过活
塞、曲柄连杆机构而传递的能量。
热力学中功的本质：使外界物体发生宏观位移。
2）热量：热力系统与外界间越过边界而传递能
在受力方向上的位移的X乘积。 做功的条件：①力的作用； ②产生的
位移。 热力学中的功如何表现？是否满
足功的条件（力、位移） 外界对气体的元功：
令
则
1）功的符号：
“-” ， 外界对系统作功； “+” ， 系统对外界作功。
v2
2）功的图示（数值）：W PdV PdV v2
定义：热力学中，热力系统和外界间越过边界而传
3、热力状态：热力系统（工质）在某一瞬间所处的 宏观热力状况，简称状态。
系统的状态可以不随时间变化——平衡状态，也可以 随时间变化——非平衡状态。
处于热力平衡状态的系统，只要不受外界的影响，其 状态就不会随时间变化，平衡也不会自发地破坏。
处于不平衡状态的系统，其状态将随时间而改变，直 至形成一个新的平衡状态。
工程热力学中，只研究平衡状态。
4、平衡状态：指在没有外界影响的条件下，工质 （或系统）的状态不随时间变化。
5、热力过程：热力系统的状态随时间变化的过程。如 发动机工作时的压缩过程、膨胀过程等。
6、外界：系统以外与热工过程有关的其他物质或空间。
7、边界：系统与外界之间的分界面（分界面可以是真 实的、假想的、固定的、移动的）。
8、状态参数：描述工质所处状态的物理量，其数值 的大小只取决于工质的状态。
处于平衡状态的工质对应着唯一的状态参数（如比 容、压力、温度）。
工质的状态发生变化，其状态参数随之改变，如向 轮胎内充气，充气量的多少决定了气压、温度的高 低。
第一节 热力学第一定律
热力学：研究热能的性质以及与其他能量相 互转换规律的科学。
1）如果将一壶水在未加热前分成两半，一半加
热至沸腾，另一半不加热，随后将两部分接触，如 果接触过程完全绝热，则平均温度：
T平

T高
T低 2
2）能否将原来温度低的一杯水所吸收的热量无条件 全部还原给温度高的另一杯呢？
这说明了什么问题？（热量传递具有方向性）
2、第一定理解析式
将气缸活塞做功简化为一闭口系统模型。 闭口系统——系统与外界无质量交换，系统没有散
2）对于绝热过程：dq=0，当T，外界消耗功--压缩过 程，△u﹥0；当T，向外界输出功--膨胀过程， △u﹤0；
3）对于等容过程：dv=0， q u, 即加入的热量全部转 化为工质的内能（煤气罐旁边禁止加热就是此原因）。
第二节 理想气体的热力过程
理想气体：是指分子本身不占有体积、分子之间没 有作用力的气体（一种理想模型——实际中并不存 在的“假想气体”）。 当温度不是很低或很高、压力不是很低或很高， 或没有其他特殊条件时，一般气体均可视为理想气 体。
后获得能量升至1000C。 从外界感觉，通过边界传递了能量，水温升高； 从水本身的内部分子运动看：水分子因吸热其平
均运动动能增大，运动加快，对此，已有的热量、 温度都不能反映出水分子微观运动状态的改变， 需引入一个新的标量——内能。
3、内能
描述系统内部（微观状态）工质运动状态 的改变情况。 对于气体，是气体分子内部所具有的动能与位 能的总和。 对于一个热力系统，系统所接受的热量如果不 能使外界物体产生宏观位移，则会使工质的内 能增加。 理想气体：U=U动=f(T)
第一章 工程热力学基础
第一节 热力学第一定律 第二节 理想气体的热力过程 第三节 热力学第二定律 第四节 发动机理论循环及热效率
几个名词术语：
1、工质：实现热能与机械能相互转换的工作物质。主 要为气体或水蒸气（因气态物质吸热后容易膨胀）。 发动机中所说的工质是指气缸内的可燃混合气。
2、热力系统：选取某一宏观范围内的物质或空间作为 研究对象，称为热力系统。 对于发动机而言，是将气缸内的气体作为热力系统， 而将气缸看做“外界”。