汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第一章.ppt

1、第一章第一节热功转换的基础知识第二节热力学第一定律第三节热力过程分析第四节热力学第二定律一、能量与能源 世界由物质构成。一切物质都处于运动状态，能量是物质运动的度量。一切物质都具有能量，如果没有能量，世界就会永远处于静止状态，也就不会有生命。能量也是人类社会进步的动力。人类在日常生活和生产过程中需要各种形式的能量。随着人类社会的发展，人们对能量的认识和利用水平不断提高。到目前为止，人类所认识的能量主要有机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能等几种形式。能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源第一节热功转换的基础知识基本概念基本概念1.1.工质工质:实现热能与机械能相互转换的工作物质（气体）。

2、实现热能与机械能相互转换的工作物质（气体）。2.2.热力系统热力系统和和外界外界:把作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的把作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的工质总称为热力系统，如汽缸内的气体；把热力系统以外和热工质总称为热力系统，如汽缸内的气体；把热力系统以外和热功转换过程有关的其他物体统称为外界，如汽缸体。功转换过程有关的其他物体统称为外界，如汽缸体。3.3.热力状态热力状态:把工质在某一时刻所处的宏观状态称为工质的把工质在某一时刻所处的宏观状态称为工质的“热力状态热力状态”，简称，简称“状态状态”。工质的热力状态用物理量来描述。工质的热力状态用物理量来描述，这些物理量称为气体的状态参数，如温

3、度、压力和比体积等。，这些物理量称为气体的状态参数，如温度、压力和比体积等。4.4.热力过程热力过程:将热力系统中的工质从某一初始状态变化到另一将热力系统中的工质从某一初始状态变化到另一状态所经历的整个过程称为热力过程。状态所经历的整个过程称为热力过程。二、工质的热力状态及其基本状态参数开口系统：与外界不仅有能量交换，又有物质交换开口系统：与外界不仅有能量交换，又有物质交换的系统。的系统。封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换的系封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换的系统。统。绝热系统：与外界没有热量交换的系统。绝热系统：与外界没有热量交换的系统。孤立系统：与外界既无能量交换，也无物质交

4、换的孤立系统：与外界既无能量交换，也无物质交换的系统。系统。热力系统分类热力系统分类基本状态参数基本状态参数u气体常用的状态参数有气体常用的状态参数有6 6个，其中个，其中温度温度（T T）、）、压力压力（p p）和）和比体积比体积（）这三个物理量，称基）这三个物理量，称基本状态参数。本状态参数。u内能（内能（U U）、熵（）、熵（S S）、焓（）、焓（H H）。）。温度温度u温度表示气体的冷热程度。按分子运动论，气体的温度温度表示气体的冷热程度。按分子运动论，气体的温度是气体内部分子不规则运动剧烈程度的物理量。气体的温是气体内部分子不规则运动剧烈程度的物理量。气体的温度越高，气体内部分子的平

5、均动能就越大。度越高，气体内部分子的平均动能就越大。u热力学温度热力学温度:开氏温度，开氏温度，用符号用符号T T表示，表示，单位为开尔文，单位为开尔文，单位符号为单位符号为“K”K”（基本温标基本温标)。热力学温度以水的三相点热力学温度以水的三相点温度为基本定点温度温度为基本定点温度(即水的固、液、气三态共存时的温度即水的固、液、气三态共存时的温度)，并规定其温度为，并规定其温度为273.15K。于是。于是1K1K就是水的三相点温度就是水的三相点温度的的1/273.151/273.15。u工程上的温度：摄氏温度，用符号工程上的温度：摄氏温度，用符号t t表示，单位符号为表示，单位符号为“”。

6、u摄氏温度与开氏温度的关系为：摄氏温度与开氏温度的关系为：t tT T273.15273.15注意：只有开氏温度才是状态参数。注意：只有开氏温度才是状态参数。u定义：定义：气体在单位面积容器壁上的垂直作用力气体在单位面积容器壁上的垂直作用力,用符号用符号p p表示，单表示，单位是帕斯卡，简称为帕（位是帕斯卡，简称为帕（PaPa）。由于帕很小，工程上常用千帕）。由于帕很小，工程上常用千帕（kPakPa）或兆帕（）或兆帕（MPaMPa）为单位。）为单位。1 1 kPakPa=10=103 3Pa 1 Pa 1 MPaMPa=10=106 6PaPau压力的表示方法：压力的表示方法：1.1.绝对压力

7、：指气体作用在容器壁上的真实压力绝对压力：指气体作用在容器壁上的真实压力,用用p p表示。表示。2.2.表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表指示的数值表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表指示的数值就是表压力。就是表压力。表压力等于气体的绝对压力与大气压力表压力等于气体的绝对压力与大气压力p0的差值，的差值，用用p pg g表示。其关系式为表示。其关系式为pg=p-p0。3.3.真空度：真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表测量当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表测量的数值的数值就是真空度。就是真空度。真空度等于大气压力与气体绝对压力的差值，用真空度等于大气压力与气

8、体绝对压力的差值，用p pv v表表示。其关系式为示。其关系式为p pv v=p p0 0p p。注意：只有绝对压力才是状态参数。注意：只有绝对压力才是状态参数。压力压力比体积比体积u比体积：单位质量的气体所占的体积，称为气体的比体比体积：单位质量的气体所占的体积，称为气体的比体积。用符号积。用符号v v表示，单位为表示，单位为m3/kg。u密度：密度：单位体积单位体积的气体的气体所具有的质量称为密度，以符号所具有的质量称为密度，以符号 表示，其单位为表示，其单位为kg/m3。三、理想气体状态方程三、理想气体状态方程u理想气体：分子不占体积、分子之间没有吸力的气体。理想气体：分子不占体积、分子

9、之间没有吸力的气体。u理想气体状态方程式（克拉贝隆方程式）：温度、压力、理想气体状态方程式（克拉贝隆方程式）：温度、压力、比体积之间关系式。比体积之间关系式。1 1理想气体：理想气体：理想气体：理想气体：式中：式中：V Vm mkgkg理想气体的总容积，理想气体的总容积，V V=mvmv。R R气体常数，其数值取决于气体的性质，单气体常数，其数值取决于气体的性质，单 位为位为kJ/kJ/（kgkgK K）。）。四、工质的比热容(一)比热容与物质单位的关系因为工质的计量单位可用、，所以工质的比热容有如下三种：比质量热容：()比摩尔热容：()比容积热容：()(二)比定压热容和比定容热容 气体在压力

10、不变或体积不变的情况下被加热时的比热容，分别叫比定压热容和比定容热容，通常用脚标 和V来标注。(三)真实比热容和平均比热容 根据大量精确的试验数据和量子力学理论，理想气体的比热容与压力无关，而应是温度的函数。(四)定比热容表-理想气体的定值比摩尔热容和比热容比一、功、热量和内能一、功、热量和内能u1 1功功当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互传递的当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互传递的机械能称之为功，用机械能称之为功，用W表示。单位为焦耳，单位符号为表示。单位为焦耳，单位符号为“J J”或或“kJkJ”，1kJ=101kJ=103 3J J。1kg1kg气体容积（即

11、比体积）的微小变化量为气体容积（即比体积）的微小变化量为:dv=Adx 1kg1kg气体对外界所作的微元功为气体对外界所作的微元功为:dw=pAdx=pdv1kg1kg气体对外界所作的功为气体对外界所作的功为:若汽缸内的气体为若汽缸内的气体为m mkgkg，其总容积，其总容积V=mv，则则m mkgkg气体从状态气体从状态1 1变化到状态变化到状态2 2对外所作对外所作的功为的功为:第二节热力学第一定律一、功、热量和内能一、功、热量和内能u2 2热量热量热量是由于温度的不同，系统和外界之间穿越边界而传递的能热量是由于温度的不同，系统和外界之间穿越边界而传递的能量。量。热量的国际单位与功一样为焦

12、耳，单位符号为热量的国际单位与功一样为焦耳，单位符号为“J J”或或“kJkJ”。热量通常用比热来计算。比热是指单位量的物质温度每变化热量通常用比热来计算。比热是指单位量的物质温度每变化1K1K时吸收或放出的热量，用符号时吸收或放出的热量，用符号c c表示，即表示，即式中：式中：d dq q单位量的物质在温度变化单位量的物质在温度变化d dT T时吸收或放出的热量。时吸收或放出的热量。1kg1kg气体的温度变化气体的温度变化d dT T时，吸收或放出的微元热量时，吸收或放出的微元热量d dq q为为:d dq q=c cd dT T1kg1kg气体的温度从气体的温度从T T1 1 T T2 2

13、时，吸收或放出的热量时，吸收或放出的热量q q为为:m mkgkg气体的温度从气体的温度从T T1 1 T T2 2时，吸收或放出的热量时，吸收或放出的热量Q Q为为:规定规定:气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。注意：功和热量都不是状态参数。注意：功和热量都不是状态参数。一、功、热量和内能一、功、热量和内能u3 3内能内能气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分子运动的动能和分子间位能组成。子运动的动能和分子间位能组成。u内能是气体的状态参数。内能是气体的状态参数。u对于理

14、想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所以其内能仅指其内部动能，它是温度以其内能仅指其内部动能，它是温度T T的单值函数。的单值函数。1kg1kg气体的内能用符号气体的内能用符号u u表示，单位为表示，单位为J/kgJ/kg或或kJ/kgkJ/kg，则，则u=f（T）1kg1kg气体的温度从气体的温度从T1变化到变化到T2时，其内能的变化量时，其内能的变化量u为为:u=u2u1=f（T2）f（T1）mkg气体的内能用符号气体的内能用符号U U表示，单位为表示，单位为J J或或kJkJ，温度从，温度从T1变化到变化到T2时，其内能的变化量

15、时，其内能的变化量U为为:U=U 2U 1=mf（T2）f（T1)二、热力学第一定律二、热力学第一定律u热力学第一定律：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的热力学第一定律：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的功，必须消耗一定量的热；反之，消耗一定量的功，必会产生一功，必须消耗一定量的热；反之，消耗一定量的功，必会产生一定量的热。定量的热。u第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的相互转换过程中，能的总量保持不变相互转换过程中，能的总量保持不变-遵循能量守恒原则遵循能量守恒原则。u1kg气体由状态气体由状态1 1变化到状态变

16、化到状态2 2所经历的过程中，如果气体与外所经历的过程中，如果气体与外界交换的热量为界交换的热量为q1-2，机械功为，机械功为w1-2，内能的变化量为，内能的变化量为u2u1，三，三者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为:q1-2=u2u1+w1-2mkg气体由状态气体由状态1 1变化到状态变化到状态2 2所经历的过程中，则有所经历的过程中，则有Q1-2=U2U1+W1-2u气体状态发生变化时，从外界吸收的热量等到于其内能的增加气体状态发生变化时，从外界吸收的热量等到于其内能的增加量与对外所作的机械功之和。量与对外所作的机械功之和。三、开口系统稳定流动能量方程式与焓图-4开口系统示意图四、熵及温熵图)熵是一状态参数，如已知两个独立的状态参数，即可求出熵的值。)只有在平衡状态下，熵才有确定值。)与内能和焓一样，通常只需求熵的变化量，而不必求熵的绝对值。)熵是可加性的量，工质的熵是工质的熵的倍，。)在可逆过程中，从熵的变化过程中可判断热量的传递方向：系统吸热；系统绝热；系统放热。)熵可以判断自然界一切自发过程的熵变。pv图图u循环中工质所作的净功为循环