第一章

基本概念

BasicConceptsandDefinition1-1熱能在熱機中轉變為機械能的過程奧迪(進口)-奧迪A8

發動機電動機總功率(kW)排量(mL)最大功率(kW)進氣形式缸徑(mm)行程(mm)奧迪A82016款A8L30FSI舒適型2.5L204馬力V6-2498150自然吸氣--奧迪A82016款A8L40hybrid2.0T211馬力L4401984155渦輪增壓--奧迪A82016款A8L45TFSIquattro時尚型3.0T290馬力V6-2995213機械增壓84.589奧迪A82016款A8L60TFSIquattro豪華型4.0T435馬力V8-3993320雙渦輪增壓--奧迪A82016款A8L6.3FSIW12quattro旗艦型6.3L500馬力W12-6299368自然吸氣8690.4

內燃機的工作原理圖

內燃機的工作原理圖活塞曲柄連桿機構氣缸四沖程內燃機工作過程四沖程內燃機工作過程進氣排氣2.壓縮3.燃燒、膨脹1.吸氣4.排氣研究熱機（內燃機）中將熱能（燃油燃燒釋放的化學能）轉化成機械能（輸出動力）的過程，首先要建立一個研究對象-熱力系統，要有熱能的來源（燃料燃燒）和去處（尾氣等中的熱能排到環境）-熱源，要有熱能轉化成機械能的媒介物（燃氣）-工質工質:實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質。熱源:工質從中吸取或向之排出熱能的物質系統。高溫熱源（熱源--

heat

source

）

低溫熱源（冷源—heat

sink）恒溫熱源(constant

heat

reservoir)變溫熱源1-2熱力系統（或稱熱力系）熱力系統：人為分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統，簡稱為系統或熱力系。外界：系統以外的一切物質系統。邊界：系統與外界的界面。系統與外界之間，通過邊界進行能量的傳遞與物質的遷移。一、熱力系統二、熱力系統分類（一）以系統與外界關系劃分：

有無是否傳質開口系

閉口系是否傳熱非絕熱系絕熱系是否傳功非絕功系絕功系是否傳熱、功、質非孤立系孤立系閉口熱力系(CM)開口熱力系(CV)?注意：1、系統與外界的人為性；

2、邊界可以是：

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動的

c）實際的或虛擬的

邊界特性真實、虛構固定、活動系統系統界面熱力系、界面、外界例研究氣缸中的氣體(打開閥門)。是什么熱力系？1234mQW1開口系非孤立系＋相關外界＝孤立系1+2

閉口系1+2+3

絕熱閉口系1+2+3+4孤立系熱力系統物理化學性質

均勻系

非均勻系工質種類多元系單元系相態多相單相（二）熱力系統其它分類：思考題結論：

1、不計恒外力場影響；

2、多相系未必不均勻—濕蒸汽；

單元系未必均勻—氣液平衡分離狀態；

1、多相系一定不均勻。2、單元系一定是均勻的。簡單可壓縮系統simplecompressiblesystem

體積變化功壓縮功膨脹功定義：由可壓縮物質組成，無化學反應、與外界只有交換體積變化功的有限物質系統。1-3狀態和狀態參數狀態：某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況狀態參數：描述熱力系狀態的物理量狀態參數的特征：1、狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然2、狀態參數的積分特征：狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關3、狀態參數的微分特征：全微分狀態參數的積分特征

狀態參數變化量與路徑無關，只與初終態有關。數學上：點函數、態函數12ab例：溫度變化山高度變化狀態參數的微分特征設z=z(x,y)dz是全微分充要條件：可判斷是否是狀態參數狀態參數的分類

①基本狀態參數能夠用儀器儀表直接或間接測量的參數稱為┄。②導出狀態參數不能用儀器儀表直接或間接測量的參數稱為┄。如：溫度、壓力、比容如：熱力學（內能）、焓、熵。１按能否用儀器或儀表進行直接或間接測量劃分２按與系統內包含物質多少有無關系劃分①強度量——與系統內包含物質的多少無關。②廣延量——與系統內包含物質的多少有關。如：溫度、壓力等。如：體積、熱力學能、焓、熵等。注意：廣延量的比參數具有強度量的性質如：比體積、比熱力學能、比焓、比熵等基本狀態參數１.比體積、密度和重度①比體積單位質量物質所占有的容積，稱為比體積。表達式②密度單位容積的物質所具有的質量，稱為密度。表達式表達式③重度單位容積內所含有物質的重量，稱為重度。２.壓力熱力系的單位面積上所受到的垂直作用力。表達式或上式計算出的是熱力系的真實壓力稱為絕對壓力

p。常用的壓力單位間的關系測量的壓力一般是工質絕對壓力與環境壓力的相對值——相對壓力注：barometricpressure（atmosphere）U形管式壓力計示意圖真空度pe表壓力例題1-l某容器被一剛性壁分成兩部分，在容器的不同部位安裝有壓力計，如圖1-2所示，設大氣壓力為97kPa。

(1)若壓力表B、表C的讀數分別為75kPa，0．11MPa，試確定壓力表A上的讀數，及容器兩部分內氣體的絕對壓力。(2)若表C為真空計，讀數為24kPa，壓力表B的讀數為36kPa，試問表A是什么表?讀數是多少?解:(1)因

由上式得

則

或

(2)由表B為壓力表知，pI>pⅡ；又由表C為真空計知

所以，表A一定是真空計。于是則

討論

(1)需要注意的是，不管用什么壓力計，測得的都是工質的絕對壓力p和環境壓力之間的相對值，而不是工質的真實壓力。

(2)這個環境壓力是指測壓計所處的空間壓力，可以是大氣壓力pb，如題目中的表A、表C。也可以是所在環境的空間壓力，如題目中的表B，其環境壓力為pⅡ。

1)溫度T的一般定義傳統：冷熱程度的度量。微觀：衡量分子平均動能的量度

3.溫度2)熱力學第零定律溫度的熱力學定義熱力學第零定律（R.W.Fowler）

如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡，則兩個系統彼此必然處于熱平衡。溫度測量的理論基礎B溫度計3)溫度的熱力學定義

處于同一熱平衡狀態的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。

溫度是確定一個系統是否與其它系統處于熱平衡的物理量4)溫度的測量溫度計物質（水銀，鉑電阻）特性（體積膨脹，阻值）基準點刻度溫標②熱力學溫標ＴＫ5)常用的溫標①攝氏溫標

t℃基準點：標準大氣壓力下純水的冰點和沸點溫度為基準點，規定冰點溫度為0℃。沸點溫度為100℃。分度方法：認定測溫物質的測溫屬性隨溫度的變化是線性的。0℃與100℃這兩個基準點之間分成100等分,

每一等分為1度。基準點：純水的汽、液、固三相平衡共存的狀態點(三相點)為基準點，并規定它的溫度為273.16K。

常用的溫標常用溫標（temperature

scale）絕對K攝氏℃

華氏℉朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔點水三相點鹽水冰點發燒水沸點559.67攝氏溫標（Celsiustemperaturescale）℃攝氏溫標是瑞典物理學家、天文學家，瑞典科學院院士安德斯·攝爾修斯（AndersCelsius，1701～1744）在1742年首先提出的一種經驗溫標。安德斯·攝爾修斯在總結前人經驗的基礎上，1742年創立了攝氏溫標。這是攝爾修斯對熱學不可磨滅的貢獻。他把水銀溫度計插人正在熔解的雪中，定為冰點作為一個標準溫度點；然后又把溫度計插入沸騰的水中，定為沸點作為另一個標準溫度點（這其中實際上暗含了正常大氣壓這個條件）。并把冰點和沸點之間等分100度，所以攝氏溫標又叫百分溫標。為了避免測量低溫時出現負值，他把水的沸點定為零度，而冰點定為100度。到1750年根據他的同事M.施勒默爾的建議，把這種標度倒轉過來，以冰點為零度，沸點為100度。開始人們稱它為“瑞典溫度計”，大約在1800年人們才稱它為攝氏溫度計。1948年在巴黎召開的第九屆國際計量大會根據“名從主人”的慣例，把百分溫標正式命名為“攝氏溫標”，以紀念攝爾修斯。攝氏溫標的單位是“攝氏度”，用℃表示。攝氏溫度現在仍然是世界通用的溫度數值表示方法。攝爾修斯對溫度計的制作和改進，對促進熱學的研究和發展做出了貢獻。華氏溫標（Fahrenheittemperaturescale）℉華氏度是以其發明者德國人GabrielD.Fahrenheit（華倫海特1681—1736）命名的。1714年，他制成了第一支玻璃水銀溫度計。這種溫度計的刻度是按歷史上最早出現的溫標(華氏溫標)來劃分的。最初，華氏溫標選用NH4Cl(氯化銨)和水的混合物的凝固點溫度為0°，而以人(他妻子)的體溫為96°。此后，改為水的冰點為32°，而以水沸點的溫度為212°，這就是華氏溫標，用符號℉表示。溫標的換算例題l-2定義一種新的線性溫度標尺——牛頓溫標(單位為牛頓度，符號為oN)，水的冰點和汽點分別為100oN和200oN。

(1)試導出牛頓溫標TN與熱力學溫度T的關系式。(2)熱力學溫度為0K時，牛頓溫度為多少oN?

解:(1)若任意溫度在牛頓溫標上的讀數為TN，而在熱力學溫標上的讀數為T，則

(2)當T=0K時，由上面所得的關系式有1-4平衡狀態,狀態方程,坐標圖

定義：若無外界影響系統保持狀態參數值不隨時間而改變的狀態。

溫差—

熱不平衡勢壓差—

力不平衡勢化學反應—

化學不平衡勢平衡的本質：不存在不平衡勢一、平衡狀態thermodynamicequilibriumstate?熱平衡—thermalequilibrium：

在無外界作用的條件下，系統內部系統與外界處處溫度相等。?力平衡—mechanicalequilibrium：

在無外界作用的條件下，系統內

部，系統與外界處處壓力相等。?熱力平衡的充要條件—系統同時達到熱平

衡和力平衡。平衡與穩定穩定：參數不隨時間變化穩定不一定平衡，但平衡一定穩定平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態則一定是均勻的為什么引入平衡概念？

如果系統平衡，可用一組確切的參數（壓力、溫度）描述但平衡狀態是死態，沒有能量交換能量交換狀態變化破壞平衡如何描述二、狀態方程對于簡單可壓縮系統,狀態方程:或三、狀態參數坐標圖1反映工質處于平衡狀態時基本狀態參數之間的關系式，稱為狀態方程。1-5工質的狀態變化過程平衡狀態狀態不變化能量不能轉換非平衡狀態無法簡單描述熱力學引入準靜態（準平衡）過程12v21p一、準靜態過程(準平衡過程)2系統隨時接近于平衡態針閥的開度非常小（Δp→0）準靜態過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可以用狀態參數描述，又可進行熱功轉換疑問：理論上準靜態應無限緩慢，工程上怎樣處理？準靜態過程的工程條件破壞平衡所需時間（外部作用時間）恢復平衡所需時間（馳豫時間）>>有足夠時間恢復新平衡

準靜態過程準靜態過程的工程應用例：活塞式內燃機2000轉/分曲柄2沖程/轉，0.15米/沖程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）350m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是準靜態過程具體工程問題具體分析。“突然”“緩慢”可逆過程的描述：系統經歷一個過程后，如令過程逆行而能使系統與外界同時恢復到初始狀態而不留下任何痕跡，則此過程稱為可逆過程。可逆過程的描述注意：可逆過程只是指可能性，并不是指必須要回到初態的過程。二、可逆過程可逆過程的實現準靜態過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源耗散效應

耗散效應典型的不可逆過程不等溫傳熱節流過程

(閥門）自由膨脹混合過程可逆過程與準平衡過程的區別：1.可逆過程一定是準平衡過程；2.準平衡過程不一定是可逆過程。實際過程都是不可逆過程！三、循環過程工質從一個狀態出發經過一系列的狀態變化又回到了原來的狀態稱之經歷了一個熱力循環。v1pvp可逆循環不可逆循環循環過程及在坐標圖上的表示1-6過程功和熱量一、功的定義定義:力和力的方向上位移的乘積.對于過程1-2:

符號約定:熱力系統對外輸出功為正,外界對系統作功為負.

二、可逆過程的功

功有何性質?1.是過程量,不是狀態量2.其大小與初、終狀態有關,

也與路徑有關v1p2ab三、過程熱量定義:熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量.

計算公式:sT21熱量單位:J,kJ系統吸熱時為正

Q>0