工程热力学基础及理论循环

第一章工程热力学基础知识热力学是研究能量（特别是热能）性质及其转换规律的科学。工程热力学是热力学最早发展起来的一个分支。它的主要内容包括三部分：（1）介绍构成工程热力学理论基础的两个基本定律—热力学第一定律和热力学第二定律。（2）介绍常用工质的热力学性质。（3）根据热力学基本定律，结合工质的热力性质，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。本章仅就工程热力学基础知识作一简要阐述，为学习汽车发动机原理提供必要的理论基础和分析计算方法。1.1气体的热力性质一、气体的热力状态及其基本参数热机的运转是靠气态工质及在特定的条件下不断地改变它的热力状态（简称状态），执行某一具体的热功转换过程来实现的。常用的气态工质基本上可分为两类：气体和蒸气。气体是指远离液态，不易液化的气态，而蒸气则是指液态过渡过来或者比较容易液化的气态。内燃机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气），所以我们仅讨论气体的性质。标志气体热力状态的各个物理量叫做气体的状态参数。常用的状态参数主要有6个，即压力p、温度T、比体积v、内能U、焓H、熵S。其中p、T、v可以直接用仪表测量。且其物理意义易被理解，所以称为描述工质状态最常用的基本状态参数。（一）压力p气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力称为压力p，按照分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的统计量。压力的单位为Pa，或记作N/m2，工程上亦常用kPa与MPa。容器内气体压力的大小有两种不同的表示方法。一种是指明气体施加于器壁上的实际数值，叫绝对压力，记作p；另一种是测量时压力计的读数压力，叫表压力，记作pg。由图1-1可知，表压力是绝对压力高出于当时当地的大气压力po的数值。其关系式为:p=po+pg(1-1)如果容器内气体的绝对压力低于外界大气压力时，表压力为负数，仅取其数值，称之为真空度，记作pv。即p=po-pv(1-2)真空度的数值愈大，说明愈接近绝对真空。表压力、真空度都只是相对于当时当地的大气压力而言的。显然，只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数。（二）温度T温度表示气体冷热的程度。按照分子运动论，气体的温度是气体内部分子不规则热运动激烈程度的量度，是与气体分子平均速度有关的一个统计量。气体的温度愈高，表明气体分子的平均动能愈大。热力学温度（习惯上称为绝对温度）T是国际单位制SI制中的基本温度，单位为K。选取水的三相点温度为基本定点温度，规定其温度为273.16K。1K等于水的三相点热力学温度的1/273.16，SI容许使用摄氏温度t，并定义t=T-To(1-3)式中：To=237.15K，即水的冰点的热力学温度。在一般工程计算中，把To取作273K已足够精确，摄氏温度每一度间隔与热力学温度每一度间隔相等，但摄氏温度的零点比热容力学温度的零点高273.15K。热力学温度不可能有负值。必须指出，只有热力学温度才是状态参数。（三）比体积v比体积是单位质量的物质所占有的容积：式中：v——比体积；V——容积；m——质量。比体积的倒数称为密度ρ。密度是指单位容积的物质所具有的质量；(1-5)比体积的单位为m3/kg；密度的单位为kg/m3。二、热力系统、工质及其平衡态和热力过程（一）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，称为热力系统，简称系统。与该系统有相互作用的其他系统称为外界。包围系统的封闭表面就是系统与外界的分界面，称为边界（或界面）。边界可以是真实的，也可以是假想的。根据边界上物质和能量交换情况，热力系统分为下述几类：（１）开口系统，指与外界有物质交换的系统；（２）封闭系统，指与外界无物质交换的系统；（３）绝热系统，指与外界无热交换的系统；（４）孤立系统，指与外界即无热交换，也无能量交换的系统。（二）工质及其平衡态工程热力学中，把实现热能与机械能相互交换的工作物质称为“工质”。内燃机的工质是空气和燃气。因为气体具有最好的流动性和膨胀性，便于迅速引进热机，作功以后又能迅速排出热机，在相同的压差或温差下，其膨胀比最大，因而能够更有效地作功。同时气体的热力性质简单，可以简化为理想气体。为了对系统中能量转换情况进行分析计算，系统中气体各部分的温度和压力必须均匀一致（即处于热平衡和力平衡），且不随时间而变化，这样的状态称为热力学平衡态（简称平衡态）。处于平衡态时，气体的所有的参数都有确定的数值。只要知道两个独立的状态参数（如压力p和温度T）就可确定气体所处的状态。（三）热力过程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合。热力系统从一个平衡（均匀）状态连续经历一系列（无数个）平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态，这样的过程称为内平衡过程。否则便是内不平衡过程。在热力学中，常用两个彼此独立的状态参数构成坐标图，例如以p为纵坐标、V为横坐标组成的坐标图（简称压容图）来进行热力学分析，如图1-2所示。图1-2内平衡过程在p—V图上的表示图中1、2分别代表p1、v1两个独立的状态参数所确定的两个平衡状态；1-2曲线代表一个内平衡过程。如果工质由状态1′变化到状态2′所经历的不是一个内平衡过程，则该过程无法在p—v图上表示，仅可标出1′、2′两个平衡态，其过程用虚线表示。可逆过程：假设系统经历平衡过程1-2，由状态1变化到状态2，并对外作膨胀功W，见图1-2。如果外界给以相同大小的压缩功W使系统从状态2反向循着原来的过程曲线经历完全相同的中间状态回复到原来的状态1，外界也回复到原来的状态，即没有得到功，也没有消耗功，这样的平衡过程称为可逆过程。只有无摩擦、无温差的平衡过程才有可逆性，即可逆过程就是无摩擦、无温差的平衡过程。可逆过程是没有任何损失的理想过程，实际的热力过程既不可能是绝对的平衡过程，又不可避免地会有摩擦。因此，可逆过程是实际过程的理想极限。今后我们所讨论的主要是可逆过程。三、理想气体状态方程式假设在气体内部其分子不占有体积，分子间又没有吸引力，这样的气体称为理想气体。在热力计算和分析中，常常把空气、燃气、烟气等气体都近似地看作理想气体。因气体分子之间的平均距离通常要比液体和固体的大得多，所以，气体分子本身的体积比气体所占的容积小得多；气体分子之间的相互吸引力也很小。通常把实际气体近似地看作理想气体来进行各种热力计算，所以对理想气体性质的研究在理论上和实际上都是很重要的。根据分子运动论和对理想气体的假定，结合试验所得的一些气体定律，并综合表示成理想气体状态方程式（或称克拉贝隆方程式）。对于质量为1（单位为kg）的理想气体，其状态方程为：pv=RT(1-6)对于质量为m（单位为kg）的理想气体，其总容积V=mv其状态方程为：pV=mRT(1-6′)式中的R称为气体常数，它的数值决定于气体的种类，其单位为：对于1千摩尔（kmoL）理想气体，其质量为μkg（为气体分子量），其容积为μv=Vm(m3/kmoL)，按式(1-6′)可以得出1kmoL理想气体的状态方程式为：pμv=μRT(1-6〞)即pVm=RmT(1-6〞)根据上式可得：Rm=μR=pVm/T(1-7)根据阿佛加德罗定律：同温同压下，相同容积的任何气体都具有相同数目的分子。因此，在同温同压下任何气体的千摩尔容积相等。在物理标准状况（po=101325Pa及To=273.15K）条件下，千摩尔容积Vm的数值等于22.4m3/kmoL。故对于任何理想气体Rm的数值都相同，并称为通用气体常数，将po、To及Vm值代入（1-7）可得到：Rm=8314.3[J/kmoL·K](1-7′)或：(1-7〞)理想气体状态方程式反映了理想气体三个基本状态参数间的内在联系：F(p1V1T)=0，只要知道其中的两个参数就可以通过该方程求出第三个参数。四、工质的比热容在热力工程中，热量的计算常利用比热容。工质的比热容就是单位量的物质作单位温度变化时所吸收或放出的热量。用符号C表示。按定义：式中：dq—某工质在某一状态下温度变化dT时所吸收或放出的热量。单位是J（焦）或kJ（千焦)。比热容是物质的一个重要的热力学性质。气体比热容数值与气体的性质、热力过程的性质和加热的状态等有关。（一）比热容与物量单位的关系因为工质的计量单位可用kg、kmoL、m3，工质的比热容有如下三种：质量热容(比热容)c,单位为kJ/(kg·K)摩尔热容Cm,单位为J/(moL·K)容积热容C′,单位为kJ/(m3·K)（二）比定压热容和比定容热容气体在压力不变或容积不变的条件下被加热是的比热容，分别叫做比定压热容和比定容热容，通常用脚标p和v来识别。如定压千摩尔比热容记作μcp[kJ/(kmoL·K)]，定容千摩尔比热容为μcv[kJ/(kmoL·K)]等等。定义比热容比k=cp/cv。气体在定压下受热时，由于在温度升高的同时，还要克服外界抵抗力而膨胀作功，所以同样升高1℃，比在定容下受热时需要更多的热量。试验表明，理想气体的比定压热容值和比定容热容值差是一个常数，即：μcp-μcv=μR=8.3143(1-9)或cp-cv=R(梅耶公式)(1-9′)设比热容比k=cp/cv，k又称绝热指数，它在工程热力学中有很重要的作用，将在以后用到。如果以k和R来表示cp、cv，由梅耶公式可得(1-9〞)（三）真实比热容和平均比热容根据大量精确的试验数据和比热容的量子力学理论，理想气体的比热容与压力无关，是温度的函数，可表示成下式：C=a+bt+et2+……[kJ/[(kg·K)](1-10)式中：a、b、e是常数，它们的数值随气体的种类及加热过程的不同而异。这种相应于每一温度下的气体比热容就叫做真实比热容。已知气体的真实比热容随温度变化的关系C=f(t)时，气体由t1升到t2所需的热量可按下式计算：（四）定比热容在实际应用中，当温度变化不大或不要求很精确的计算时，常忽略温度的影响而把理想气体的比热容当作常量，只按理想气体的原子数确定比热容，称为定比热容，如表1-1所示。表1-1理想气体的定比热容理想气体原子数定容千摩尔比热容cv[J/(moL·K)]定压千摩尔比热容cp[J/(moL·K)]单原子气体双原子气体多原子气体3×4.18685×4.18687×4.18685×4.18687×4.18689×4.18681.2热力学第一定律热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力系统中的具体应用。它主要表达：工质经历受热作功的热力过程时，工质从外界接受的热量、工质因受热膨胀而对外界所作出的功、同时间内工质部储存或付出的能量三者之间必须保持收支上的平衡，否则就不符合能量守恒的原则。因此在介绍热力学第一定律解析式之前，对功、热量和内能作必要的介绍。一、功、热量和内能（一）工质的膨胀功W图1-4可逆过程的膨胀功图1-4表示质量为1（单位为kg）的工质封闭在气缸内进行一个可逆过程的膨胀作功情况。设活塞截面面积为A(m2)，工质作用在活塞上的力的pA，活塞被推进一微小距离dx，在这期间，工质的膨胀极小，工质的压力近乎不变，因而工质对活塞作的功为：dw=pAdx=pdv(1-12)对可逆过程1-2，工质由状态1膨胀到状态2所作的膨胀功为：如果已知工质的初、终态参数，以及过程1～2的函数关系p=f(v)，则可求得工质的膨胀功W，其数值等于p—v图上过程曲线1～2下面所包围的面积。因此压容图也叫示功图。由图可见，膨胀功不仅与状态改变有关。而且与状态变化所经历的过程有关。若气缸中的工质为m（单位为kg），其总容积为V=mw，膨胀功为：当工质不是膨胀，而是受到外界压缩时，则是外界对工质作功。这时dv成为负值，由式（1-13）算出的W也是负值，负的膨胀功实际上表明工质接受了外界的压缩功。（二）热力Q热量和功一样不是热力状态的参数，而是工质状态改变时对外的效应，即传递中的能量。因此不能说：“工质在该状态下具有多少热量。”热量和功的根本区别在于：功是两个物体间通过宏观的运动发生相互作用而传递的能量；热量则是两物体间通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。按习惯，规定外界加给系统的热量为正，而系统放给外界的热量为负。国际单位制