第1章 热机与热功转换的基本规律(2003版)
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E U EK E p
(1-6)
E表示总能，U表示热力学能，EK 表示动能，EP 表示位能
（1-7） ⑤焓 H = U + pV 比焓：1公斤工质的焓，用h(J/kg)表示。 h = u + pv (1-8)
焓是工质在某一状态下所具有的总能量， 它是内能U和推动功ＰＶ之和，是一个复合状 态参数，其单位为J或kJ。 7 焓是由状态参数u、p、v组成的综合量， 对工质的某一确定状态，u、p、v均有确定的 数值，因而u＋pv的数值也就完全确定。 热机中工质流动，随着工质的移动而转 换的能量不等于热力学能而对于焓 。
pv 称为真空度 p g 称为表压力
pb 称为环境压力
p称为绝对压力
p pb pv
p pb p g
1.2.1 状态及状态参数
②比体积(比容) 单位质量物质所占有的体积称为比体积。 用v表示。单位为m3/kg v=V/m （1-2） 密度和比体积互为倒数。 ③温度 系统温度表示物体的冷热程度，描述分子 热运动强弱的参数。
3. 理想气体的比热容、热力学能和焓
• 比热容c（J/kgK）是单位质量的物质在可逆过程 中温度升高1℃（或1K）所吸收或放出的热量
dq c dT
(1-32)
定容比热容 cv du
(1-33)
dT v
定压比热容 c dh p
(1-34)
dT p
(1-42)
定压比热容
(1-43)
由式（1-42）和（1-43）可见：
理想气体熵的变化仅与初始状态和终了 状态有关，而和它变化所经过的过程无关 理想气体的熵是状态参数。
1.2.2 热力过程和循环
热力过程是指热力系统从一个状态向另一个 状态变化时所经历的全部状态的总和。 如果热力系统从一个平衡状态无摩擦地连续 经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡 状态，这样的过程称可逆过程。 热力循环是封闭的热力过程。（P16图1.6b）
• 可逆过程：系统经历一过程后，如能在过 程逆向进行后使外界和系统同时回复到初 始状态而不留下任何变化，则称该过程为 可逆过程。可逆过程是无耗散效应（如摩 擦、电阻、磁滞等等）的恢复到平衡状态 的过程。
1.2
热功转换的工质及其参数
1.2.1 状态及状态参数
• 状态 热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质称为状 态 • 状态参数 描述宏观状态的物理量称为状态参数。 • 平衡状态 热力系统在没有外界作用情况下宏观性质不随时间 变化的状态称为平衡状态。 状态参数是宏观量，只有平衡态才有状态参数。
⑥熵 传热与否的标志，是状态参数 熵是微元热量与温度的商，物理意义是 系统可逆定温过程与外界交换的热量。其变 化可以判断热量的正负。 熵用S（J/K）表示：
Q T dS
(1-13)
s（J/kg.K）为单位质量熵，称为比熵。
dq ds T
（1-14）
熵: 热力系中工质的热力状态参数之一。在
1 2 1 2 Q (h2 c2 gz2 ) m (h1 c1 gz1 ) m Ws 2 2
两边除以 m，得单位时间内流入或流出1kg工质时系 统的能量方程式：
1 2 1 2 q h2 c2 gz2 (h1 c1 gz1 ) ws 2 2 1 2 2 wt ws (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) 为技术功 设 2
t
（1-24）
（1-25a）
1
或对微元过程 wt vdp p , w ＞0,系统对外做功
t
（1-25b）
p , wt ＜0, 外界对系统做功或系统消耗功 p不变化， t=0 w
（4）闭口系统中热力系统与外界交换的是膨胀功，
开口系统中热力系统与外界交换的是轴功（即技术 功减去动能增量和位能增量的剩余部分） ①技术功与 1 2 2 轴功的关系： wt ws (c2 c1 ) g ( z2 z1 )
T K t C 273 .15
（1-4）
1.2.1 状态及状态参数
④热力学能（内能） 宏观静止的物体，其内部的分子、原子等微 粒仍在不停地运动着，这种运动称为热运动。物 体因物体热运动而具有的能量称为热力学能。 用符号U表示，其单位为焦耳(J)。 1kg工质所具有的热力学能称为比热力学能。 用符号u表示。
1.2.1 状态及状态参数
压力
比体积 温度 状态参数 基本状态参数
热力学能
焓
熵
①压力 气体压力是组成气体的大量分子在紊乱的热运动中 对容器壁碰撞的结果，是单位表面积上的垂直作用 力。
p=F/A
（1-1）
式中：p为压力；F为垂直作用力；A为面积。 国际单位中压力的单位为Pa,中文名称为帕。 1MPa=106Pa 1bar=105Pa
• 对1 kg工质而言，有： q u2 u1 w u w （1-17） • 对微元过程而言，有： δq du δw
(1-18)
• （1）公式可用于任何过程，任何工质。 • （2）Q、W、U为代数值。当热力学能增加时， U> 0，当热力学能减少时，U<0 。 • （3）对可逆循环，因dw= pdv，或 du= 0，故： dq du pdv 或 q pdv
2
②动能和位能变化较小时：
wt ws
③技术功与膨胀功的关系：
wt w ( p2v2 p1v1 )
1.3 理想气体的热力性质
1.3.1 理想气体的热力过程
• 实际气体是考虑了分子本身体积和分子间的作 用力的气体。 （比体积不很大） • 理想气体是指气体的分子本身不具有体积，分 子间也没有作用力。 • 理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。 实际应用中，当压力不很高时，很多气体 （如O2、H2）均可按理想气体进行分析和计算。 使问题简化，计算结果精度符合要求。
1. 闭口系统的能量方程
q u2 u1 w u w
(1-17)
得出：在闭口系统中热力系统和外界交
换的热量等于工质热力学能的变化与系 统所做膨胀功的代数和。
2. 开口系统
加入热力系统的能量总和： dQ（系统内工质与外界的热量交换）+E1（流入工 质带入系统的总能量）+ p1v1dm1（工质带入系 统的推动功） 离开热力系统能量的总和： dWs（系统内工质与外界的功量交换）+E2（流出 工质带出系统的总能量）+ p2v2 dm2（工质带出 系统的推动功） 热力系统总能量的增量：dE
对于稳定流动： （1）任何截面上所有参数不随时间变化。 （2）流入质量等于流出质量，即 m1 m2 （3）系统和外界交换的热和功等一切能量不随时间 变化，即 dQ dWs
dt const dt const
（1-20）
E （4）系统本身能量不随时间变化， 0 。 将上述条件代入（1-20），对于稳定流动：
(1-15)
热力系统 热力学所研究的对象。 热力系统可以是一个物体，一群物体 或物体的一部分。 外界 与热力系统有作用关系的周围物体。 边界 系统与外界的分界面。 闭口系统 热力系统与外界没有物质交换的 系统。 开口系统 热力系统与外界有物质交换的系 统。
1. 闭口系统
P19 （图1.9）分析闭口系统的能量方程
汽车发动机原理
(第二版)
韩同群 主编
同济大学 邓钟明 主讲 北京大学出版社
第一篇 热力工程基础
第1章 热机与热功转换的基本规律
1.1 热能在热机中转换为机械功的过程 1.2 热功转换的工质及其参数 1.3 理想气体的热力过程 ▼ ▼ ▼ ▼
1.4 热功转换的效率
1.1 热能在热机中转换为机械功的过程
1.理想气体 2. 理想气体状态方程式
平衡状态下气体的压力、温度及比体积三 者之间的关系式称为气体状态方程式。 1kg气体
pv RT
pV mR T
（1-26）
mkg气体
1kmol气体
（1-27）
pVm RmT
(1-29) (1-30)
nkmol气体 V nVm pV nRmT
p0Vm 101325 Pa 22 . 414 m3 kmol 摩尔气 Rm 8314 . 5 J kmol K 体常数 T0 273 .15K
开口系统热力学 第一定律表达式
（1-21）
（1-22）
q h2 h1 wt h wt
（1-24）
在开口系统中热力系统与外界交换是热量等于工质 比焓的变化与系统所做技术功的代数和。
开口系统热力学第一定律表达式：
q h2 h1 wt h wt
（1）（1-24）适应任何过程，任何工质。 （2）可逆过程中， w 2 vdp
热力过程中工质的能量交换用功和热量表示
1.2.4 热力学第一定律
热力学第一定律的表达式
• 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的 应用，可以描述为：热能和机械能可以相互转 换，且在相互转换过程中，能量的总量保持守 恒。 （加入热力系统的能量的总和）-（离开热力 系统能量的总和）=（热力系统总能量的增量）
热机 将热能转换为机械能的机械装置,是原动 机的一种。 热机的形式 蒸汽机、内燃机和燃气轮机
活塞往复式内燃机
点燃式
压燃式
汽油机
柴油机
工质
实现热能转换为机械能的媒介物质，通
常为气体
1.1 热能在热机中转换为机械功的过程
热机 将热能转换为机械能的机械装置。是原 动机的一种。 工质 实现热能转换为机械能的媒介物质，通 常为气体。 热机的形式 蒸汽机、内燃机、燃气轮机 汽车发动机 往复活塞式内燃机：点燃式或压 燃式
定容比热容、定压比热容是温度的单值函数。
4 .理想气体的熵
• 熵是微元热量与温度的商，物理意义是系统可逆 定温过程与外界交换的热量.
dS
dQ T
dq ds T
（1-39）
理想气体定值比热容过程熵的变化
定容比热容
T2 v2 s cv 0 ln R ln T1 v1 T2 p2 s c p 0 ln R ln T1 p1
Q12 T dS
1
2
q12 T ds
1
2
1.2.3 功和热量
• •程量； 3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温度差推动, 比熵变化是传热的标志； • 4.功是物质间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而 传递的能量。
1 2 1 2 dQ dE (h2 c 2 gz2 )dm2 (h1 c1 gz1 )dm1 dWs 2 2
（1-19）
式（1-19）是开口系统任何流动形式能量普遍关系 式的微元形式。将（1-19）两边同时除以dt,得 能量方程的流量表示，如下所示：
(h 1 c 2 gz )m W (h 1 c 2 gz )m E 1 2 Q 1 1 1 s 2 2 2 2 2
可逆微变化过程中，熵的变化等于系统从 热源吸收的热量与热源的热力学温度之图
• 为了分析问题的方便，工程上通常采用两个独立 状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态。 • p – v图 压容图（P16图1.5， 状态参数坐标图 ） • T – s图 温熵图（p16图1.5） • 热量符合规定： 工质从外界吸热，热量为正Q＞0，熵增加dS＞0 工质对外界放热，热量为负Q＜0，熵减少dS＜0 与外界没热量交换，热量等于零，熵不变dS=0
1.2.3 功和热量
工质的能量交换用功和热量表示
• 功是指热力系统通过边界 和外界进行的机械能的交 换量。 • 膨胀功，压缩功，容积功
W12 p dV
1
2
(1-9)
w12 p dv
1
2
(1-10)
（单位质量气体做功）
1.2.3 功和热量
• 热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量。 Q(J) • 热量的特点 热量是两物体通过微观的分子运动发生相互作 用而传递的能量。工质与外界不通过宏观运动而 交换能量的表现为热量交换。 • 传热与否的标志用状态参数熵 S(J/K)表示。
(1-6)
E表示总能，U表示热力学能，EK 表示动能，EP 表示位能
（1-7） ⑤焓 H = U + pV 比焓：1公斤工质的焓，用h(J/kg)表示。 h = u + pv (1-8)
焓是工质在某一状态下所具有的总能量， 它是内能U和推动功ＰＶ之和，是一个复合状 态参数，其单位为J或kJ。 7 焓是由状态参数u、p、v组成的综合量， 对工质的某一确定状态，u、p、v均有确定的 数值，因而u＋pv的数值也就完全确定。 热机中工质流动，随着工质的移动而转 换的能量不等于热力学能而对于焓 。
pv 称为真空度 p g 称为表压力
pb 称为环境压力
p称为绝对压力
p pb pv
p pb p g
1.2.1 状态及状态参数
②比体积(比容) 单位质量物质所占有的体积称为比体积。 用v表示。单位为m3/kg v=V/m （1-2） 密度和比体积互为倒数。 ③温度 系统温度表示物体的冷热程度，描述分子 热运动强弱的参数。
3. 理想气体的比热容、热力学能和焓
• 比热容c（J/kgK）是单位质量的物质在可逆过程 中温度升高1℃（或1K）所吸收或放出的热量
dq c dT
(1-32)
定容比热容 cv du
(1-33)
dT v
定压比热容 c dh p
(1-34)
dT p
(1-42)
定压比热容
(1-43)
由式（1-42）和（1-43）可见：
理想气体熵的变化仅与初始状态和终了 状态有关，而和它变化所经过的过程无关 理想气体的熵是状态参数。
1.2.2 热力过程和循环
热力过程是指热力系统从一个状态向另一个 状态变化时所经历的全部状态的总和。 如果热力系统从一个平衡状态无摩擦地连续 经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡 状态，这样的过程称可逆过程。 热力循环是封闭的热力过程。（P16图1.6b）
• 可逆过程：系统经历一过程后，如能在过 程逆向进行后使外界和系统同时回复到初 始状态而不留下任何变化，则称该过程为 可逆过程。可逆过程是无耗散效应（如摩 擦、电阻、磁滞等等）的恢复到平衡状态 的过程。
1.2
热功转换的工质及其参数
1.2.1 状态及状态参数
• 状态 热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质称为状 态 • 状态参数 描述宏观状态的物理量称为状态参数。 • 平衡状态 热力系统在没有外界作用情况下宏观性质不随时间 变化的状态称为平衡状态。 状态参数是宏观量，只有平衡态才有状态参数。
⑥熵 传热与否的标志，是状态参数 熵是微元热量与温度的商，物理意义是 系统可逆定温过程与外界交换的热量。其变 化可以判断热量的正负。 熵用S（J/K）表示：
Q T dS
(1-13)
s（J/kg.K）为单位质量熵，称为比熵。
dq ds T
（1-14）
熵: 热力系中工质的热力状态参数之一。在
1 2 1 2 Q (h2 c2 gz2 ) m (h1 c1 gz1 ) m Ws 2 2
两边除以 m，得单位时间内流入或流出1kg工质时系 统的能量方程式：
1 2 1 2 q h2 c2 gz2 (h1 c1 gz1 ) ws 2 2 1 2 2 wt ws (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) 为技术功 设 2
t
（1-24）
（1-25a）
1
或对微元过程 wt vdp p , w ＞0,系统对外做功
t
（1-25b）
p , wt ＜0, 外界对系统做功或系统消耗功 p不变化， t=0 w
（4）闭口系统中热力系统与外界交换的是膨胀功，
开口系统中热力系统与外界交换的是轴功（即技术 功减去动能增量和位能增量的剩余部分） ①技术功与 1 2 2 轴功的关系： wt ws (c2 c1 ) g ( z2 z1 )
T K t C 273 .15
（1-4）
1.2.1 状态及状态参数
④热力学能（内能） 宏观静止的物体，其内部的分子、原子等微 粒仍在不停地运动着，这种运动称为热运动。物 体因物体热运动而具有的能量称为热力学能。 用符号U表示，其单位为焦耳(J)。 1kg工质所具有的热力学能称为比热力学能。 用符号u表示。
1.2.1 状态及状态参数
压力
比体积 温度 状态参数 基本状态参数
热力学能
焓
熵
①压力 气体压力是组成气体的大量分子在紊乱的热运动中 对容器壁碰撞的结果，是单位表面积上的垂直作用 力。
p=F/A
（1-1）
式中：p为压力；F为垂直作用力；A为面积。 国际单位中压力的单位为Pa,中文名称为帕。 1MPa=106Pa 1bar=105Pa
• 对1 kg工质而言，有： q u2 u1 w u w （1-17） • 对微元过程而言，有： δq du δw
(1-18)
• （1）公式可用于任何过程，任何工质。 • （2）Q、W、U为代数值。当热力学能增加时， U> 0，当热力学能减少时，U<0 。 • （3）对可逆循环，因dw= pdv，或 du= 0，故： dq du pdv 或 q pdv
2
②动能和位能变化较小时：
wt ws
③技术功与膨胀功的关系：
wt w ( p2v2 p1v1 )
1.3 理想气体的热力性质
1.3.1 理想气体的热力过程
• 实际气体是考虑了分子本身体积和分子间的作 用力的气体。 （比体积不很大） • 理想气体是指气体的分子本身不具有体积，分 子间也没有作用力。 • 理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。 实际应用中，当压力不很高时，很多气体 （如O2、H2）均可按理想气体进行分析和计算。 使问题简化，计算结果精度符合要求。
1. 闭口系统的能量方程
q u2 u1 w u w
(1-17)
得出：在闭口系统中热力系统和外界交
换的热量等于工质热力学能的变化与系 统所做膨胀功的代数和。
2. 开口系统
加入热力系统的能量总和： dQ（系统内工质与外界的热量交换）+E1（流入工 质带入系统的总能量）+ p1v1dm1（工质带入系 统的推动功） 离开热力系统能量的总和： dWs（系统内工质与外界的功量交换）+E2（流出 工质带出系统的总能量）+ p2v2 dm2（工质带出 系统的推动功） 热力系统总能量的增量：dE
对于稳定流动： （1）任何截面上所有参数不随时间变化。 （2）流入质量等于流出质量，即 m1 m2 （3）系统和外界交换的热和功等一切能量不随时间 变化，即 dQ dWs
dt const dt const
（1-20）
E （4）系统本身能量不随时间变化， 0 。 将上述条件代入（1-20），对于稳定流动：
(1-15)
热力系统 热力学所研究的对象。 热力系统可以是一个物体，一群物体 或物体的一部分。 外界 与热力系统有作用关系的周围物体。 边界 系统与外界的分界面。 闭口系统 热力系统与外界没有物质交换的 系统。 开口系统 热力系统与外界有物质交换的系 统。
1. 闭口系统
P19 （图1.9）分析闭口系统的能量方程
汽车发动机原理
(第二版)
韩同群 主编
同济大学 邓钟明 主讲 北京大学出版社
第一篇 热力工程基础
第1章 热机与热功转换的基本规律
1.1 热能在热机中转换为机械功的过程 1.2 热功转换的工质及其参数 1.3 理想气体的热力过程 ▼ ▼ ▼ ▼
1.4 热功转换的效率
1.1 热能在热机中转换为机械功的过程
1.理想气体 2. 理想气体状态方程式
平衡状态下气体的压力、温度及比体积三 者之间的关系式称为气体状态方程式。 1kg气体
pv RT
pV mR T
（1-26）
mkg气体
1kmol气体
（1-27）
pVm RmT
(1-29) (1-30)
nkmol气体 V nVm pV nRmT
p0Vm 101325 Pa 22 . 414 m3 kmol 摩尔气 Rm 8314 . 5 J kmol K 体常数 T0 273 .15K
开口系统热力学 第一定律表达式
（1-21）
（1-22）
q h2 h1 wt h wt
（1-24）
在开口系统中热力系统与外界交换是热量等于工质 比焓的变化与系统所做技术功的代数和。
开口系统热力学第一定律表达式：
q h2 h1 wt h wt
（1）（1-24）适应任何过程，任何工质。 （2）可逆过程中， w 2 vdp
热力过程中工质的能量交换用功和热量表示
1.2.4 热力学第一定律
热力学第一定律的表达式
• 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的 应用，可以描述为：热能和机械能可以相互转 换，且在相互转换过程中，能量的总量保持守 恒。 （加入热力系统的能量的总和）-（离开热力 系统能量的总和）=（热力系统总能量的增量）
热机 将热能转换为机械能的机械装置,是原动 机的一种。 热机的形式 蒸汽机、内燃机和燃气轮机
活塞往复式内燃机
点燃式
压燃式
汽油机
柴油机
工质
实现热能转换为机械能的媒介物质，通
常为气体
1.1 热能在热机中转换为机械功的过程
热机 将热能转换为机械能的机械装置。是原 动机的一种。 工质 实现热能转换为机械能的媒介物质，通 常为气体。 热机的形式 蒸汽机、内燃机、燃气轮机 汽车发动机 往复活塞式内燃机：点燃式或压 燃式
定容比热容、定压比热容是温度的单值函数。
4 .理想气体的熵
• 熵是微元热量与温度的商，物理意义是系统可逆 定温过程与外界交换的热量.
dS
dQ T
dq ds T
（1-39）
理想气体定值比热容过程熵的变化
定容比热容
T2 v2 s cv 0 ln R ln T1 v1 T2 p2 s c p 0 ln R ln T1 p1
Q12 T dS
1
2
q12 T ds
1
2
1.2.3 功和热量
• •程量； 3.功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志； 热量传递由温度差推动, 比熵变化是传热的标志； • 4.功是物质间通过宏观运动发生相互作用传递的能量； 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而 传递的能量。
1 2 1 2 dQ dE (h2 c 2 gz2 )dm2 (h1 c1 gz1 )dm1 dWs 2 2
（1-19）
式（1-19）是开口系统任何流动形式能量普遍关系 式的微元形式。将（1-19）两边同时除以dt,得 能量方程的流量表示，如下所示：
(h 1 c 2 gz )m W (h 1 c 2 gz )m E 1 2 Q 1 1 1 s 2 2 2 2 2
可逆微变化过程中，熵的变化等于系统从 热源吸收的热量与热源的热力学温度之图
• 为了分析问题的方便，工程上通常采用两个独立 状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态。 • p – v图 压容图（P16图1.5， 状态参数坐标图 ） • T – s图 温熵图（p16图1.5） • 热量符合规定： 工质从外界吸热，热量为正Q＞0，熵增加dS＞0 工质对外界放热，热量为负Q＜0，熵减少dS＜0 与外界没热量交换，热量等于零，熵不变dS=0
1.2.3 功和热量
工质的能量交换用功和热量表示
• 功是指热力系统通过边界 和外界进行的机械能的交 换量。 • 膨胀功，压缩功，容积功
W12 p dV
1
2
(1-9)
w12 p dv
1
2
(1-10)
（单位质量气体做功）
1.2.3 功和热量
• 热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量。 Q(J) • 热量的特点 热量是两物体通过微观的分子运动发生相互作 用而传递的能量。工质与外界不通过宏观运动而 交换能量的表现为热量交换。 • 传热与否的标志用状态参数熵 S(J/K)表示。