第一篇 工程热力学基础知识

2. 卡诺定理 定理一：在相同的高温热源和低温热源之 间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。
定理二：在相同பைடு நூலகம்温热源和低温热源间工
作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热
机的热效率。
卡诺定理的意义：
1）给出了循环热效率的极限值。
t max
T2 tc 1 T1
2）指出了热机实现热功转换的条件：必须具有两 个或两个以上温度不同的热源。 3）指出了提高热机热效率的根本途径：提高热源 的温度，降低冷源的温度，尽可能减少或降低不
q u w
三、开口系统稳定流动能量方程式
已知： 1kg工质在开口系
统中作稳定流动，
Ⅰ-Ⅰ界面为进口， Ⅱ-Ⅱ界面为出口， 假设系统在该过程 中从外界吸入的热 量为q，对外输出 功为wsh。
p1 v1

q
C1

wsh
Z1
Ⅱ
0
Z2
p2 C2 v2
Ⅱ
1. 推进功：开口系统与外界之间因为工质流动而传
边界的性质：可以是真实的， 也可以是假想的； 可以固定也可以移动。
封闭系统： 系统与外界无物质交换
系统与外界有物质交换 开口系统： 4 ）分类 绝热系统：系统与外界无热量交换
孤立系统： 系统与外界无任何相互
作用，既无物质交换， 也无能量交换
2. 平衡态
系统中气体各部分的温度和压力必须均匀一致，并且 不随时间的变化而变化，这样的状态称为热力学平衡态， 简称平衡态。
n−多变指数
0 定压 等温 绝热 定容
n＝
1
K
∞
第四节 热力学第二定律
一、热力循环与循环热效率 二、热力学第二定律的几种表达 三、卡诺循环与卡诺定理 四、孤立系统的熵增原理
一、热力循环与循环热效率
1. 热力循环
1)定义：工质从初态出发，经过一系列的变化又回到 初态的封闭过程，简称循环。 正向循环：把热能转变为机械能的循环（热
p
p
g
pg p p0
大气压力线
pg＝p p0
2)真空度： pv
pv
p
pv p0 p
只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数！
（2） 温度T
表示气体冷热程度的物理量
摄氏温度：用 t 表示，单位为℃
热力学 (开尔文或绝对)温度：用 T 表示，单位为K
t T 273 .15
只有热力学温度才是状态参数 ！
s
a）P-v 图
1. 熵的定义：熵的增量等于系统在可逆过程中交 换的热量除以传热时绝对温度所得的比值。
ds dq / T
2. 熵的性质 1）熵是一个状态参数； 2）只有在平衡状态下，熵才有确定值； 3）与内能和焓一样，通常只求熵的变化量，而不 必求熵的绝对值； 4）熵是可加性的量； 5）在可逆过程中，从熵的变化中可判断热量的传 递方向； 6）熵是判据，判断自然界一切自发过程实现的可 行性。
2)分类
机循环 ） 。
逆向循环：依靠消耗机械能而将热量从低温热 源传向高温热源的循环（热泵循环） 。
3)热机循环
p
1
T
1
2
v
2
s
3)热机循环
p
1
T
a b
1
a
Q1
W
W2
W1
b
2 2
Q2 v
s1 s2 s
v1
v2
W Q1 Q2
2. 循环热效率
W Q1 Q2 Q2 t ＝ ＝ 1Q1 Q1 Q1
的热机。
2）热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。
根据长期制造热机的经验总结出：为了 连续的获得机械能，必须有两个热源，热机
三、卡诺循环与卡诺定理
1. 卡诺循环
1）卡诺循环的组成
工作于两个热源间的，由两个定温过程和两个
绝热过程所组成的可逆正向循环。
2）卡诺循环的热效率
w0 q2 T2 tc 1 1 q1 q1 T1
2′ 1 2 2′ T
定压
2 1
v
定容
s
三、定温过程
工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。
p
2′ 1
T
2′
1
2
2
v s
四、绝热过程
pv 定值
K
系统与外界没有热量交换的情况下发生的热力过程。 等熵过程：可逆的绝热过程。
dq=0
p
2′ T 2′
1
1 2
2
v
s
五、多变过程
凡工质按 pv n 定值而变化的热力过程称为多变过程。
的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，
常选 气态物质 作为工质。 3 ）气态工质：气体和蒸气
2.气体的状态参数 1）定义：标志气体热力状态的各个物理量
压力 温度 比容
p
T
基本状态参数
2)状态参数
v
u
h
内能 焓
熵
s
（1） 压力 p 1)定义：气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力。
绝对压力 表压力
3. 热力过程
1）热力过程：热力系统从一个状态向另外一个状 态变化时所经历的全部状态的总和 。 2）内平衡过程 ：热力系统从一个平衡状态连续 经历一系列平衡的中间状态过渡到另外一个平衡 状态，这样的过程称为内平衡过程。 3）内不平衡过程
4）可逆过程：系统经历一个过程之后，如果沿原来 路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状 态而不留下任何痕迹。 p p1 p2
5. 梅耶公式： C p－Cv R
1 Cv R K 1
K Cp R K 1
，
第二节 热力学第一定律
能量转换与守恒定律
热力学第一定律 热能和机械能在转移和转换的过程中， 能量的总量必定守恒。 热能
相互转换
机械能
能量转换与守恒定律
一切物质都具有能量，能量既不可能 创造，也不可能消失，它只能在一定的条
件下从一种形式转变为另一种形式，而在
转换中，能量的总量恒定不变。
进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化
主要内容：
一、功、热量和内能
二、封闭系统能量方程式
三、开口系统稳定流动能量方程式
四、熵及温熵图
一、功、热量和内能
1. 功
A
dw pAdx pdv
w
v2
v1
pdv
w
功不是热力状态的参数， 是一个过程量 。
1´ 2 1
可逆过程是无摩 擦、无温差的内 平衡过程
2´
W
v1
v2
v
三、理想气体的状态方程
理想气体：气体内部其分子不占有体积 ，
分子间又没有吸引力 的气体。
F ( p, v, T ) 0
1kg理想气体 ： mkg理想气体：
pv RT pV m RT
R ——气体常数，大小取决于气体的种类 。
可逆因素的影响。
四、孤立系统的熵增原理
在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程） 都朝着使系统熵增大的方向进行，在极限情况（即可 逆过程）下，系统的熵保持不变。
S系统 0
判断自然界一切自发过程实现的可行性
总结
1.气体的热力性质
状态参数；热力系统；平衡态；热力过程；比热。
2.热力学第一定律
功、热量、内能；封闭系统能量方程式；开口系统能 量方程式；熵及温熵图。
3.气体的热力过程
4个基本热力过程。
4.热力学第二定律
热力循环、循环热效率；卡诺循环、卡诺定理。
作业
1.名词解释：
热力过程 ；内平衡过程；可逆过程；熵； 比热；推进功；热力循环；循环热效率
2.绘出四个基本热力过程所对应的 p v 图和 T s 图，
并分别计算定压过程和定温过程下的w、q、△u、△s。 3.复习：工程热力学基础知识。 4.预习：第一节发动机理论循环。
第一章 工程热力学基础知识
第一节 气体的热力性质
第二节
第三节
热力学第一定律
气体的热力过程
第四节
热力学第二定律
第一节 气体的热力性质
一、气体的基本状态参数
二、热力系统、平衡态和热力过程
三、理想气体的状态方程式
四、工质的比热
一、气体的基本状态参数
1. 工质 1）工质：热能
媒介物质
机械能
2 ）工质的选择：热力学中热能与机械能之间
四、工质的比热
1. 比热：单位量的物质作单位温度变化时所
吸收或放出的热量。
2. 表达式： C dq / dT
3. 定容比热：气体在容积不变的条件下被加热
时的比热 ，Cv 。
定压比热：气体在压力不变的条件下被加热
时的比热 ，C p 。
4. 比热比：
（绝热指数） （等熵指数）
K C p / Cv
二、热力学第二定律的几种表达
t 100% 工作时，从高温热源取得热量，把其中一部 根据长期制造制冷机的经验总结出： 表述： 分转变为机械能，而另一部分传给低温热源， 不管利用什么机器，都不可能不付代价的 这是实现热功转换的必要条件。 1）不可能创造出只从热源吸热作功而不向冷源放热 实现把热量由低温物体转移到高温物体。
2. 热量
系统吸热 热量为正 热量为负
系统放热
过程量
3. 内能
工质的内能：工质内部所具有的各种能量的总称。 对于理想气体：内能是温度的单值函数 ，工质的内能 是一个状态参数 。 1kg工质的内能：
u
mkg工质的内能： U
U mu
二、封闭系统能量方程式
已知： 1kg工质封闭在气缸内 进行一个可逆过程的 膨胀作功。
第三节 气体的热力过程
热力过程
基本
一般
定容过程
定压过程
等温过程
绝热过程
一、定容过程
工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。 p 2 T 2
1 2′ v 2′
1
s
二、定压过程
工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。 p
2′ 1 2 T T2
T1
v＝定值
1 2′
p ＝定值 2
v
s
二、定压过程
工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。 p
研究能量（热能）性质及其转换规律的学科
工程热力学研究主要内容
热力学基本定律 常用工质的热力性质 分析计算实现热能和机械能相互转换 的各种热力过程和热力循环，阐明提 高转换效率的正确途径
参考资料
[1]陈培陵.汽车发动机原理[M].人民交通出版社,2004.
[2]张西振,吴良胜.发动机原理与汽车理论[M].人民交 通出版社,2004. [3]沈维道.工程热力学（第3版）[M] .高等教育出版社, 2001.
递的机械功。对于单位质量工质，推进功等于pv。
2. 焓： 焓 = 内能 + 推进功
1kg工质的焓: mkg工质的焓:
h u pv
H U pV
3. 开口系统能量方程式：
q h wsh
四、熵及温熵图
p
1
T
2
dw=pdv
2
dq=Tds
1
v1
dv
v2
v
s1
ds b）T-S 图
s2
（3） 比容v 1）比容：单位质量的物质所占有的体积。
V v m
式中 V——体积 ； m——质量。
2 ）密度：单位容积的物质所具有的质量 。
1 m ＝ v V
二、热力系统、平衡态和热力过程
1.热力系统 1 ）热力系统：在热力学中，把某一宏观尺寸范
围内的工质作为研究的具体对象。
2 ）外界：与该系统有相互作用的其它系统 。 3 ）边界：系统与外界的分界面 。