第二节 工程热力学的研究方法和第三节

（2）压缩
在飞轮的带动下，活塞上移。压缩气缸 内的气体。对气缸而言，无物质的进出，此 时，气缸体积减小，压力大大增加，温度急 剧升高。当到达接近上死点2；
（3）燃烧
火花塞发出电火花，点燃高温高压的燃气。 燃烧迅速，活塞位移很小，气缸内温度、压 力急剧升高。接近定容过程，到点3时，燃烧 完毕 ；
（4）膨胀
0 1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 0
吸气 压缩 喷油、燃烧 燃烧 膨胀作功 排气
简化：引用空气进行假设 燃烧 2-3等容吸热 排气 5-1等容放热 压缩、膨胀 1-2及4-5等熵过程 吸、排气线 重合、忽略 燃油质量 忽略 燃气成分改变 忽略
（3）理论循环
基于以上分析，对上述实际问题进行简化，可认 为循环为气缸内质量不变化学成份不变的工质，连续 不断地进行如下过程，如图所示：01为大气压 12——绝热压缩过程（外界对系统做功） 23——定容加热过程（外界向系统传热） 34———绝热膨胀过程（系统对界外作功） 41———定容放热过程（系统向外界传热） 不考虑摩擦，可逆过程Q＝Tds。由于燃气的性质 与空气接近，可假定为理想气体。 注意：经简化此时已将问题转化为一个气缸内固定质量 的工作物质（气体），从某一初始点出发，状态发生 连续变化，最终又返回初始点，从而形成循环。循环 反复进行，连续实现热能与机械能的转换。显然，工 作物质的状态变化是由于系统与外界之间的能量转换。 净功W0=q1-q2
C：讨论： 就这样一个错综复杂的过程，研究热 能转化为机械能的规律与方法是非常困难 的。这是内外因素、主次因素交织在一起 的缘故。因此，紧紧抓住与实现能量转换 有关的工质及状态的变化，忽略次要问 题，从而对问题简化是非常必要的。
（2）简化分析
A：以性质与燃气相似的空气为介质，压力不 高，工质视为理想气体。 B：将燃料燃烧放出热量使气缸内气体温度升 高的物理、化学过程，理想化为气缸内气体直接 从外界吸收热量的过程。所吸收的热量来源于一 个热源。 燃烧过程——从外界吸热（热量来源于一个 热源） C：实际的燃烧过程进行得很快，活塞在上死 点附近，位移很小，V变化很小，简化为 V=Const，为等容吸热过程。体积变化很小—— ——体积不变，定容过程
（一）内燃机 （Internal Combustion） 特点：
燃料的燃烧和热能向机械能的转换发 生在同一设备中 。
能量的 转换 化学能转 变为热能 热能转变 为机械能
活塞式内燃机(internal combustion engine)简介
分类：
按燃料： 煤气机(gas engine)、汽油机(gasoline engine; petrol engine)、柴油机(diesel engine) 按点火方式： 点燃式(spark ignition engine)、压燃式 (compression ignition engine) 按冲程： 二冲程(two-stroke )、四冲程(four-stroke )
3、讨论（总结）
（1）将气缸内成分与数量均变化的气体简化 成为成份和数量都不变化的气体，且在压力不太 高的情况下，进一步认为该气体为理想气体； （2）将实际上很复杂的过程，简化成为气缸 内的气体在一系列的热力过程中，不断发生变 化，并最终返回原状态，完成一个循环。在该循 环中，气缸内的气体从热源吸热，并对外做功， 实现热能向机械能的转换。
第二节 工程热力学的研究方法
一 宏观研究法和微观研究法
宏观热力学 （经典热力学） 出发 角度 将大量粒子视为一个 整体 以总结经验而来的热 力学第一、二、三基 本定律为依据推演而 得 微观热力学 （统计热力学） 将物质视为由许许 多多的粒子组成 以粒子运动遵守的 经典力学或量子力 学原理为依据
依据
宏观热力学 （经典热力学） 研究方法简单，依据 的基本定律可靠、普 通，因此推演的结论 也正确。 但因未涉及物质的内 部结构，因而不能解 释现象的微观本质， 同时也不能用以得出 具体的物性。
该图中两块面积的代数和，即为汽油机完成上 述五个过程后，对外所做的净功量，故称示功图。
B：实际过程特点
该示功图看来是一个简单的压力与容积的变化关系，但实 际上，它反应了一个极为复杂的过程。例如： a. 在吸气和排气过程中，汽缸内气体的成分（燃烧时的化学反应） 和数量（物质的进出）在不断变化，吸入的是汽油和空气的混 合物，燃烧后为燃气，排出的是作了功的废气； b .燃烧过程是一个复杂的物理、化学过程； c. 气缸内气体与外界进行着复杂的能量交换。例如，压缩过程之 初，气缸内的气体从外界吸热，而后期则是气体向外界放热； 随着过程的进行，活塞移动，有时是外界对气缸内气体做功， 有时是气缸内的气体对外界做功。
2、理论循环
34——水在泵内的升压过程（绝热升压，定熵过 程） 41——水在锅炉内的等压汽化过程（等压汽化） 12——高温高压蒸汽在汽轮机内的膨胀（绝热膨 胀） 23——乏汽在冷凝器中的冷凝过程（定压冷凝）
3、讨论
（1）将锅炉内燃料燃烧、燃烧后的烟 气与水之间的传热、水吸收热量变为水蒸 汽的复杂过程，提炼为一个工作物质在等 压条件下从热源吸热的过程。
高压气体推动活塞下移，向外输出功。 对汽缸而言，无物质的进出。体积增 加，压力下降，温度变低。到点4时膨胀 过程结束。
（5）排气
在飞轮带动下，活塞上移。将气缸内 燃烧后的废气推出气缸，对气缸而言，有 物质的排除。体积增加，压力略大于大气 压力，并基本保持常数。 总共4个冲程，完成一个循环过程。
通过进气、压缩、燃烧、膨胀、排 气的连续工程，实现了燃料化学能向热 能的转换进而转换为机械能。 两冲程：进气和压缩用一个冲程， 燃烧、膨胀和排气用一个冲程，完成一 个循环只用两个冲程。
在蒸汽动力设备中，这两个阶段分别在锅 炉和汽轮机中进行，这种工作循环称为外燃循 环。如果两种能量的转换都在气缸内进行，则 称为内燃循环，动力机被称为内燃机。 内燃机主要包括汽油机和柴油机，以汽油 机为例进行讨论。 1、组成与工作过程 组成：气缸、活塞、进排气阀、火花塞、 曲柄连杆机构 这是一个四冲程内燃机。
（二）蒸汽动力装置
1、组成与工作过程 组成：锅炉、汽轮机、冷凝器、水泵 工作过程： 实现燃料化学能—热能—机械能的转变 水在锅炉中被加热变成高温高压水蒸汽； 高温高压水蒸汽进入汽轮机，在喷嘴中变为高 速气流； 冲击叶轮，叶轮旋转带动汽轮机轴旋转，同 时带动发电机旋转，对外输出电能； 流出汽轮机的乏汽，经冷凝器凝为水，再由 水泵压入锅炉。
内燃机装置（空气、油）
废气பைடு நூலகம்
进气
压缩
点火
膨胀
排气
活塞式内燃机循环特点： 开式循环(open cycle)； 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆； 各环节中工质质量、成分稍有变化。
工作过程 （1）进气
在飞轮带动下，从上止点开始运 动，活塞下移。
气缸：体积增加，缸内压力略低于大气压 力，且保持为常数。一直到下止点，进气阀 关闭。
（2）将乏汽在冷凝器中的凝结过 程，提炼为工作物质在等压条件下，向 外界放热的过程。 （3）水在泵内的升压过程和高温高 压蒸汽在汽轮机内的膨胀过程均为绝热 过程。
（三）由热力装置中实现热能到机械能转换过 程中提炼出的认识
（1）热力设备对外做功，是依靠某种物质 （燃气、水蒸汽）的体积膨胀（燃气膨胀、蒸汽 膨胀）来实现的，膨胀过程中工作状态不断变 化 ，工质状态的变化与外界进行的能量交换密不 可分。能量变化是工质状态变化的条件，工质状 态变化又引起了新的能量交换，如此连续不断的 进行。
（2）热力装置通过加热，使工作物质达到 具有做功能力的“高能”状态，实现热能 向机械能的转换。但工作物质不可能将 所吸收热量全部转换为机械能，而是必 须将其中的一部分传递给外界（排气、 冷凝器中的换热）。
（3）工质的吸、放热是在物质和热源之 间进行的。 （4）热力装置欲实现热能与机械能之间 的连续转换，必须使工质的循环连续地 发生状态变化，完成热力循环。而热力 循环由热力过程组成。
单缸汽油发动机构造（内燃机）
（1）实际示功图
A、将上述过程中，任一时刻气缸内气体的压力、体 积测量出来，并表示在 PV 坐标图上，则有如图所示 的示功图。它反映汽油机中热能向机械能转换时， 气缸中气体压力随容积变化的规律。
01 —进气，汽缸中压力略低于大气压力p0 12—压缩，P ↑, V ↓, T ↑ 23 — 燃烧， V ≈ Const , P ↑↑ , T ↑↑ 345 − 膨胀，V ↑, P ↓, T ↓ 50 − 排气
D：实际的排气过程，从4点开始到0点的 过程中，废气携带热量排至大气。此热量的传 递简化为一个定容放热过程来取代。此热量放 给一低温热源。（内外与主次） 膨胀终点到排气门打开—定容放热过程 E：取消进排气过程，它的合理性在于： 忽略进、排气阻力损失时，过程下的面积（功 量）抵消。（主次） F：忽略压缩、膨胀过程中的热量（与燃 烧、排气过程的吸、放热量相比）传递，为绝 热过程。（主次） 压缩、膨胀过程—绝热过程(过程进行非常 快，与外界的换热量可以忽略不计)
微观热力学 （统计热力学） 基于物质的内部结构， 不但可以解释宏观现象 的本质，而且当对物质 的结构作出一些合理的 假设后，甚至还可以得 出具体的物性。 但需用统计方法，计算 麻烦，而且结论依赖于 对物质结构所作的假 设，因此所得结论的可 靠性也较差。
优点
缺点
举例：
1、宏观，根据热力学第一定律，可以推出 绝热过程的过程方程、过程功。 2、微观，根据分子运动学说，推出温度的 微观本质，并找出物质的温度与分子平均 动能的关系。即分子的平均动能正比于温 度。
三、活塞式内燃机循环的简化
0 1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 0
吸气 压缩 喷油、燃烧 燃烧 膨胀作功 排气
简化：引用空气标准假设 燃烧 2-3等容吸热 排气 5-1等容放热 压缩、膨胀 1-2及4-5等熵过程 吸、排气线 重合、忽略 燃油质量 忽略 燃气成分改变 忽略