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第一章 工程热力学基础 第一节 热力学第一定律 第二节 理想气体的热力过程 第三节 热力学第二定律 第四节 发动机理论循环及热效率 几个名词术语: 1、工质:实现热能与机械能相互转换的工作物质。主要为气体或水蒸气(因气态物质吸热后容易膨胀)。 发动机中所说的工质是指气缸内的可燃混合气。 2、热力系统:选取某一宏观范围内的物质或空间作为研究对象,称为热力系统。 对于发动机而言,是将气缸内的气体作为热力系统,而将气缸看做“外界”。 3、热力状态:热力系统(工质)在某一瞬间所处的宏观热力状况,简称状态。 系统的状态可以不随时间变化——平衡状态,也可以随时间变化——非平衡状态。 处于热力平衡状态的系统,只要不受外界的影响,其状态就不会随时间变化,平衡也不会自发地破坏。 处于不平衡状态的系统,其状态将随时间而改变,直至形成一个新的平衡状态。 工程热力学中,只研究平衡状态。 4、平衡状态:指在没有外界影响的条件下,工质(或系统)的状态不随时间变化。 5、热力过程:热力系统的状态随时间变化的过程。如发动机工作时的压缩过程、膨胀过程等。 6、外界:系统以外与热工过程有关的其他物质或空间。 7、边界:系统与外界之间的分界面(分界面可以是真实的、假想的、固定的、移动的)。 8、状态参数:描述工质所处状态的物理量,其数值的大小只取决于工质的状态。 处于平衡状态的工质对应着唯一的状态参数(如比容、压力、温度)。 工质的状态发生变化,其状态参数随之改变,如向轮胎内充气,充气量的多少决定了气压、温度的高低。 第一节 热力学第一定律 热力学:研究热能的性质以及与其他能量相互转换规律的科学。 生活中的实例: 1)电灯照明:电能 光能、热能; 2)用煤烧水:燃料的化学能 热能; 3)车用发动机燃料在气缸内燃烧、膨胀: 化学能 热能 机械能; 4)发动机带动发电机:机械能 电能。 能量转换与守恒定理: 能量既不能被创造,也不能被消灭(能量既不会凭空产生,也不会凭空消失),它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,且转化(转移)前后能量总和保持不变。 能量守恒定律如今被人们普遍认同,但是并没有严格证明。 重要意义:①揭示了自然界中总能量为一常数(不能无中生有); ②揭示了能量在形式上具有可转换(变)性。 一、热力学第一定律的内容 内容:在热能与机械能之间,一定量的热能消失时,必将产生数量完全相同的机械能(做了功),反之,亦是一样。即: 热能 机械能(功) 正向:获得功必须消耗热,如车用发动机燃料在气缸内燃烧后对外输出功; 逆向:产生热一定要消耗功,如汽车制动鼓的制动过程(摩擦生热)。 表达式:Q=W 同一计量单位 Q=AW或Q=JW 不同计量单位 二、热力学第一定律的解析式及其应用 1、几个概念 1)功 力学中 W=FX 公式的意义:物体所受的力F和物体在受力方向上的位移的X乘积。 做功的条件:①力的作用; ②产生的位移。 热力学中的功如何表现?是否满足功的条件(力、位移) 外界对气体的元功: 令 则 1)功的符号: “-” , ? 外界对系统作功; “+” , ? 系统对外界作功。 2)功的图示(数值): ? ?? 定义:热力学中,热力系统和外界间越过边界而传 递能量,若它的全部效果可表现为使(外界)物体改变宏观运动的状态,则这种传递的能量称为功。 微元状态:dw=pAdx=pdv 整个过程: 对于发动机而言,越过边界而传递的能量是通过活塞、曲柄连杆机构而传递的能量。 热力学中功的本质:使外界物体发生宏观位移。 2)热量:热力系统与外界间越过边界而传递能 量,若它的全部效果未能表现为使(外界)物体改变宏观运动的状态,仅使物体的温差发生变化,表现为物体内部分子的微观运动,则这种传递的能量称为热量。 功和热量的比较: 相同点:都是过程量,均为能量的传递形式; 不同点:功使(外界)物体改变宏观位移,热量仅使物体的温度发生变化。 讨论:假定一杯水在未加热前水温为200C,经加热 后获得能量升至1000C。 从外界感觉,通过边界传递了能量,水温升高; 从水本身的内部分子运动看:水分子因吸热其平均运动动能增大,运动加快,对此,已有的热量、温度都不能反映出水分子微观运动状态的改变,需引入一个新的标量——内能。 3、内能 描述系统内部(微观状态
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