汽车发动机原理 第1章 热力学第一定律

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1、第1章热力学第一定律▼▼▼▼工程热力学基本概念1.1热力学第一定律1.2理想气体的热力过程1.4理想气体的热力性质1.31.1工程热力学基本概念工质实现热能转换为机械能的媒介物质，通常为气体。热机将热能转换为机械能的机械装置。热力系统热力学所研究的对象。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）系统与外界是人为规定的；2）外界与环境介质是不同的，前者是抽象概念，后者是物质世界；3）边界可以是：a）刚性的或可变形的或有弹性的b）固定

2、的或可移动的c）实际的或虚拟的1.1工程热力学基本概念1.1.2状态及状态参数热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质称为状态描述这种宏观状态的物理量称为状态参数。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，是大量粒子的平均效应，只有平衡态才有状态参数，系统有多个状态参数。1.1.2状态及状态参数平衡状态的充要条件是：（1）热平衡（2）力平衡（3）相平衡（4）化学平衡稳定未必平衡平衡未必均匀1.1.2状态及状态参数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

3、直作用力。1.1.2状态及状态参数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。单位质量物质所占有的体积称为比体积强度量广延量广延量具有可加性，广延量的比性质具有强度量特性。1.1.2状态及状态参数宏观静止的物体，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。焓H=U+pVh=u+pv焓是状态量，表示工质进入或离开系统所携带的总的热力学能。单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）1.1.3状态参数的坐标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

4、工质所处的状态。p–v图和T–s图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。循环是封闭的热力过程。1.1.3状态参数的坐标图可逆过程与准静态过程的关系1.可逆过程=准静态过程+没有耗散效应2.准静态过程描述系统内部平衡，可逆过程描述系统内部及系统与外界作用的总效果。3.一切实际过程不可逆过程。4.可逆过程可用状态参数图上实线表示。1.1.5功和热量功是指热力系统通过边界传递的能量，其全部效果可表现为

5、举起重物。膨胀功，压缩功，体积功1.1.5功和热量热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量。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。传热与否的标志用状态参数熵s表示。1.1.5功和热量热量与功的异同：1.都是通过边界传递的能量；2.都是过程量；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.功是物系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。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

6、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）1.2热力学第一定律1.2.2闭口系统的能量方程（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，du=0，故：对1kg工质而言，有：对微元过程而言，有：1.2.3开口系统稳定流动能量方程开口系统稳定流动方程开口系统任何流动形式能量普遍关系式的微元形式：称为技术功，表示技术上可资利用的功。1.2.3开口系统稳定流动

7、能量方程开口系统稳定流动方程1）第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中能量方程才用焓。2）通过膨胀，由热能转化为功，对1kg工质而言，有：对微元过程而言，有：1.2.3开口系统稳定流动能量方程例1大型低速船用发动机的膨胀做功过程可以简化为定压过程，假设活塞上止点气体压力为1MPa，体积为0.35m3，活塞在下止点时体积为1.15m3，膨胀过程中气体热力学能增加了40kcal，试求空气所做的膨胀功及膨胀过程中所需要的热量（1kcal=4.1868kJ）。1.2.3开口系统稳定流动能量方程解：已知p1=1Mpa，v1=0.35m3，

8、p2=p1(定压)，v2=.15m3，U=U2–U1=40kcal。因为压力一定，所以膨胀功为=1×106Pa×(1.15m3–0.35m3)=800kJ膨胀过程中所需热量为Q=U2–U1+W=40×4.1868kJ+800kJ=9