绪论 热力学基础

教学安排及方式：
考核方式
综合实验：实验内容为内燃机特性和调节 考核方式：考试（60%）+平时（40%）
*！：每缺课、早退 1次扣20分; 迟到及事、病假1次扣10分。
参考教材 1、发动机原理，韩同群 主编，2010年8月 2、汽车发动机原理与汽车理论，冯健璋主编， 机械工业出版社出版，2005年 3、车用内燃机原理，秦有方主编，北京理工 大学出版社， 1997年
绪论
发动机的地位： 发动机是汽车的动力源，发动机的性能
指标直接影响到汽车的性能、可靠性以及 寿命。 本课程主要目标：
汽车发动机原理是以提高发动机性能 为主要研究目标，深入到工作过程的各个 阶段，分析影响性能的规格因素，研究提 高性能指标的具体措施及努力方向。
热力学基础
汽车发动机 〈 往复活塞式内燃机 〈 内燃机 〈 热机：符合热力学过程
同理，由状态1经过热力过程变化 到状态2，系统与外界交换的热量 可以由下式计算，也等于t-s图中温 度曲线与横坐标围成的图形面积。
2
Q12
Tds
1
T
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6 5 4
Q
3
2
1
0 0
1
2
3
s 4
5
6
ds
7
8
五、热力学第一定律
能量转换与守恒定律： 自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被
二、热力状态及状态参数
工质：工程热力学中把实现热能与机械能相互转换
的工作物质称为工质。 汽车发动机工作过程使用的工质为气体。
状态：工质处于某个温度、压力和比体积时，具有 一定的内能、焓和熵称为工质处于某个热力状态。
状态参数：描述气体热力状态宏观性质的的各个
物理量叫做气体的状态参数。
常用的状态参数：温度T、压力p、比体积v；内
创造和消灭，但可以转换和转移。 当能量发生形式转换和在物体间转移时，能量的
总和保持不变。 热力学第一定律：
在热能与其他形式的能的互相转换过程中能量 的总和保持不变。即是能量转换与守恒定律在工程 热力学中的应用。
对于一个系统来讲： 进入系统的能量—离开系统 的能量=系统存储能量的变化量。
热力学能量：
②、热能的利用方式：热利用和动力利用 热利用：加热物体，取暖、做饭、烘干、冶炼等。 动力利用：通过燃烧，将化学能——热能——机械能。 汽轮机：化学能——蒸汽的热能——经汽轮机转换为机械能； 内燃机：化学能——燃气的热能——经活塞连杆机换为机械能。
热能利用实例
热能的应用在国民经济中的重要地位：
•电力工业——火力发电或核发电，均应用热能转换。 •钢铁工业——炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能； •有色金属工业——铝、铜等有色金属的冶炼用热能； •化学工业——酸、碱、合成氨的生产过程 •石油工业——采油、炼制、输送等用热能； •建材工业——建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等； •机械工业——铸造、锻压、焊接等用热能； •轻纺工业——造纸、制糖、化纤、印染等用热能 •交通运输——汽车、火车、船舶、飞机等的动力来之热能； •农业及水产养殖业——电力灌溉、温室培植、鱼池加温等 •生活需要——供暖、空调、烹饪。
3、压力p
压力是气体对单位面积容器壁面所施加的垂直作用力p。 分子运动论认为气体的压力是大量气体分子向壁面撞击 的统计量。分子撞击平均动能越大，撞击的个数越多气体 压力越高。
压力的基本单位是Pa，按定义Pa=N/m2。 工程上由于Pa的单位太小，常用kPa和MPa。
绝对压力：气体作用于容器表面的实际压力值称为绝
能源再生性：
一次能源又分为：再生能源和非再生能源。 再生能源：不断再生并有规律地得到补充的能源。
如水能、太阳能、风能、海洋能、地热等。 地球表面吸收的太阳能约为：8.6万兆瓦 非再生能源：经亿万年形成短期内不能再生的能源。
如煤炭、石油、天然气、核燃料等。 两次石油危机，非再生能源储量日益减少，需要我
教学大纲
课程教学目标： 通过该课程的学习，应掌握热力循环的基础知识；
熟练掌握热力发动机的主要循环特点、基本工作原 理；熟知发动机混合气形成与燃烧技术，实验理论 与方法。 主要内容：
热力学基础知识；发动机个性能指标；发动机的 主要循环；燃料特性；换气过程分析；混合气的组 织与燃烧；发动机的燃料供给与调节；发动机的使 用与匹配。
汽车发动机原理
吉林大学珠海学院 主讲：邓宝清
电话：7510002
学时分配
绪 论
（4学时）
第1章性能指标与影响因素（4学时）
第2章发动机工作循环（4学时）
第3章发动机燃料特性（2学时）
第4章换气过程（4学时）
第5章混合气形成和燃烧（8学时）
第6章燃料供给与调节（5学时）
第7章使用特性与匹配（3学时）
当工质从某一状态出发，经 过一系列的中间热力过程又回 到原来状态时，就完成了一个 封闭的热力过程，我们把经过 一系列中间过程，又回到原点 的热力工程称为热力循环。
p
p
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
v
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
v
四、功与热量
热力学中工质的能量交换有功和热量 两种形式。 1、功：是力和在力的方向上发生的位移的乘积。 功用W来表示，W=F*x . 对于热力学工质来 讲，F代表活塞上的作用力。 在F力作用下，活 塞发生单位位移变化的微元功dw=Fdx.
对压力，用p表示。只有绝对压力才是状态参数。
表压力：测量时压力计读数压力叫表压，记作pg。 表压力是绝对压力高出当地大气压力p0的数值。如果绝
对压力低于p0，表压力为负值称为真空，记作pv。
4、比体积v
比体积是表示单位质量物质所占的体积v， 其单位是m3/kg。
体积V=质量m*比体积v。 比体积v与密度ρ的关系： 密度ρ是单位体积物质具有的质量，单位是 kg/m3。 所以： ρ* v=1. 平衡状态：系统中各部分温度、压力始终处于 一个稳定不变的状态，且不随时间变化称为热 力平衡状态。
如果入截面和出口截面的工质的流速、压力、温度、 比体积、总能、相对高度分别为：c1、p1、T1、v1、 E1、z1和c2、p2、T2、v2、E2、z2，并且，在dt时 间内，流入流出工质为dm1和dm2,加入系统的热量为 dQ,对外做功为dWs,则有：
则该闭口系统的能量守恒方程为：
Q-W= U2-U1
闭口系统能量守恒定律
由闭口系统能量方程 Q-W= U2-U1可得： 1kg工质的能量守恒定律为：
q-w=u2-u1;或q=u2-u1+w 对于一个较小的微元过程有：
dq=du+dw 以上各式均为热力学第一定律在闭口系统 内的不同表达形式。 ①、公式适用于任何热力工程，任何工质； ②、热、功、内能均为带数值，符号按定义； ③、如果dw=pdv,则dq=du+pdv
• ③、规定系统对外做工， 既体积膨胀做工为正，外
界对系统做工为负功。 dv
4、热量Q
热量是系统之间能量传递的另一种形式。 热量的传递是由于分子热运动导致的，它包括
热传导、热辐射以及电磁辐射等。
热量传递的动力是分子运动的激烈程度不同，即温度 差，只要纯在温差就会发生传热。系统吸热为正，放 热为负，热量的计算式为: q=tds
2
w来自百度文库2 1 pdv
从功的计算表达式可以看出，功是工质宏观运 动，包括体积变化，工质与外界传递的能量。
3、体积功的性质
由体积功的表达式可以看出: w12
2
pdv
1
• ①、体积对压力的积分既过程功，即为P-V图
中压力过程曲线与V轴围成的曲线面积。
• ②、由1到2的过程是不唯一的，因此，过程曲 线积分是不唯一的，既功是过程量，即便初始 状态和终了状态相同，不同的过程，所完成的 过程功是不同的。
热力学：是一门研究物质的能量、能量传递 和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的 科学。
工程热力学：是研究热能与其他形式能量之 间转换规律及其工程应用的科学。
学习目的：为学习发动机原理提供必要的基 础理论和分析方法。
第一节 热功转换基础
一、能量与能源
能量是物质运动状态的量度。 能源是指能够直接或间接提供能量的资源。
2、温度T
温度是表示物体的冷热程度。 分子运动论认为气体的温度是气体内部分子
不规则运动激烈程度的量度，分子无规则平均 动能越大，气体温度越高。
热力学温度T是国际基本单位制，既SI制中的基本 温度，单位是K。并选取水的相变点温度为基本标定 点温度，规定其温度为273.15K。
摄氏温度t与热力学温度的关系：K=t+273.15 *只有热力学温度才是状态参数。 温度的测量仪器是什么？ 测量原理是什么？实质是什么？
能U、焓H、熵S。其中T、p、v可以直接测量。
1、热力系统
热力系统：热力学中把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究
对象称为热力系统。 与系统有相互作用的其他系统称为外界。包围系统的封闭表
面称为界面。界面可以是真实的，也可以是假设的。
热力系统的分类：
开口系统、封闭系统、绝热系统和孤立系统。
开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同时有工质交换。 封闭系统：系统与外界有能量传递和转换但无工质交换。 绝热系统：系统与外界既无热量传递又无工质交换。 孤立系统：系统与外界既无能量传递和转换又无工质交换。
2、开口系统
系统与外界之间不仅有热 量和功量的交换，而且还有物 质交换的系统称之为开口系统。
如图所示，研究汽轮机内部的热力过程，取机器 内部和进出口微元为研究系统，工质源源不断地流入 设备dm1，对外输出轴功dws后，由流出出口dm2,系 统不仅由热量Q和功量Ws的交换，也有工质的流入流 出，所以，该系统就是开口系统。
流出热力系统时，带入或带出系统的能量。
比焓：1kg工质所具有的焓称之为比焓， 以h表示。
h=u+pv
三、状态参数的图形表达
1、热力状态图：工程上，用两个独立 的状态参数组成坐标来表达工质所处的 状态的坐标图称为热力状态图。
常用的状态图有P-V图和T-S图。
p T
v
s
2、热力过程与热力循环
工程上，工质由一个热力状 态变化到另一个热力状态的全 部状态参总和称为热力过程。 在状态参数坐标图中表示为一 条连续的曲线。
们要节约能源。 能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发利
用。 节能和环保成为当今世界的主题和热点。
3、热 能
①、热能发生途径： 直接产生——如地热能、海洋热能 通过能量形式转换产生——化学能的转换： 燃烧放热反应，生成CO2和水 电能转换：焦耳效应。 辐射能转换：热辐射 核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热 机械能的转换：摩擦生热
工质由状态1变化到状态2的体积膨胀功，应 当与重物的重力做工相等。（绝热）
2、体积功
作用在活塞上的压强为p，活塞面积为S， 则活塞顶所受的力：F=p*s; 则在F力下所做 的功：dw=Fdx=p*sdx=pdxs=pdV。 对于单位工质所做的功：dw=pdv 单位工质由状态1变化到状态2所做的功：
1、闭口系统
系统与外界之间仅 有热量和功量的交换， 没有物质交换的系统称 之为闭口系统。
如图所示，取封闭在活塞和汽缸内的工质为研究 对象，由1状态变化到2状态，系统与外界之间仅有热 量Q和功量W的交换，没有物质交换因此，该系统就 为闭口系统。如研究内燃机的压缩和做工过程。
对于该系统，加入系统的总能量为Q，系统对外输 出的能量为W，系统内的能量变化量为U2-U1。
1、能量的种类：
机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能。
2、能源的利用形态：
一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其 基本形态的能源。 如，煤、天然气、水能、生物质能、地热 能、风能、太阳能等。
二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态 的能源。 如，电力、蒸汽、焦碳、煤气、沼气、氢气、石 油制品等； 生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、 排放有压流体等）。
热力学中能量包括内容很广： ①、热量Q：系统与外界之间仅仅由于温 度不同，而通过边界传递的能量。例如：辐 射、热交换。 ②、功量W：物体或系统与外界之间， 通过宏观的运动而发上相互作用而传递的能 量。如体积功、轴功 ③、内能U：工质内部所具有的各种能量 的总和。 但是，工程热力学中以热量和功两种形 式的能量，作为主要研究对象。
5、熵
熵是表示单位质量物质，在某一温度下， 发生单位热量传递时，转化为工质内部低级 能量的数量，其单位是 j/K.kg。
熵是一个导出的状态量，用s来表示。
ds dQ T
熵是一个状态量，给定一定量的工质， 就有一定的熵值。
6、焓
焓是流动工质所具有的能量。常用H表示： H=U+pV 焓的物理意义是一定量的工质，流入或