工程热力学基本概念

1.1　工程热力学基本概念

工程热力学是热力学的一个分支，它研究热能和机械能相互转换(即热功转换)的过程及其规律，并着重研究这些规律在热力设备上的应用。

本章就学习内燃机原理所必需的热力学基本知识作一扼要的叙述，从而为学习内燃机原理提供必要的理论基础和计算方法。

1.1.1　工质、热源和热力系统

工程热力学不深入研究各种热力设备的具体构造和工作特性，它只着重分析存在于热力设备中的共同性问题。例如，在活塞式内燃机中，是通过燃料与空气相混合在气缸内燃烧而获得高温高压的燃气，燃气再推动活塞带动曲轴旋转而对外做功，最后废气排入大气中。蒸汽动力装置却是使水从燃气中吸收热量而获得高温高压的水蒸气，用水蒸气推动蒸汽机的活塞或蒸汽轮机叶轮而对外做功，最后废蒸气被排入大气或冷凝器中凝结;其他热机的工作方式也都不尽相同。但是概括起来，这些热力设备总是用一种工作物质从某一能源中获取热能后，使它具有高能而对机器做功，最后又把余下的热能排入大气或冷却水中。这个过程是任何热动力设备共性的、本质的过程。

通常，我们把实现热能和机械能之间相互转化的工作物质叫做工质，把供给工质热量的高温物质叫做热源(或高温热源)，把吸收工质放出热量的冷却介质或环境叫做冷源(或低温热源)。这样，任何热动力设备的工作就被概括为:工质从热源吸收热能，将其中一部分转化为机械能而做功，并把余下的一部分传给冷源。

为分析问题方便起见，和力学中取分离体一样，热力学中常把分析的对象从周围物体中分割出来，研究它通过分界面与周围物体之间的热能和机械能的传递。这些作为研究对象的物体总称为热力系统，而把热力系统外面和热功转换过程有关的其他物体总称为外界。系统和外界之间的分界面可以是实际存在的，也可以是假想的，通常，我们都称之为边界。

热力系统可以分为闭口系统和开口系统。若一个热力系统和外界之间只可能有热量和机械功等能量交换而无物质交换，这种系统就称为闭口系统，如图1－1所示。若一个热力系统和外界间既有热量和机械功等能量交换，同时又有物质的交换，这种系统就称为开口系统，如图1－2所示。

图1－1　闭口系统

图1－2　开口系统

在热力学中还常使用绝热系统和孤立系统这两个重要概念。绝热系统是指和外界没有热量传递的热力系统，孤立系统是指和外界没有任何形式的能量传递(主要指热量和功)的热力系统。显然，绝对来说，这两种系统是不存在的。它们只是一些实际过程忽略不计某些因素的理想模型。

1.1.2　状态与状态参数

状态，是在某一定瞬间，用以表示物质物理特性的总标志。用来描述物质的状态特征的物理量就是状态参数。

从物理性质上看，由于气体便于流动、压缩和膨胀，因此，在热力设备中往往都使用气体作为工质。在热力学中常用的气体状态参数共有六个，即温度(T)、压力(P)、比体积(V)、热力学能(U)、焓(H)和熵(S)。其中可以直接测量的P、V、T称为基本状态参数。实际上，气体的状态只要用两个彼此独立的参数就可以确定，其他的状态参数可以表示为这两个参数的函数。

1.温度T

温度表示物体的冷热程度。分子运动学说认为，气体的温度与分子运动的平均移动动能成正比。

在法定计量单位中，温度的单位为开尔文，代号为K。它选取水的固相、液相、气相三相平衡状态下的温度，作为定义热力学温标的单一固定点，并规定水的三相点温度为273.16K，而热力学温标中温度单位开尔文为二相点温度的1/273.16。

为了使用上方便，在法定计量单位中也规定了一种实用温标，即摄氏温标，符号为t，单位为摄氏度(℃)。两种温标起点不同，它们两者间的关系为

式中，T₀=273.15K，为冰点的热力学温度。

2.压力P

单位面积上受到的垂直作用力称为压力，分子运动学说认为，气体对容器壁的压力是气体分子撞击容器壁的结果，它与分子浓度及分子平均移动动能成正比。

在法定计量单位中，压力的单位是帕斯卡(Pa)，因工程应用中Pa单位太小，有时以10⁶ Pa和10³ Pa作单位，称为兆帕(MPa)和千帕(kPa)。

流体的压力用压力计测量，工程上常应用的压力计有弹簧管式和U形管式两类。压力计测得的压力为绝对压力与当地大气压力之差，称为表压力。

3.比体积V

单位质量的气体所占的容积称为气体的比体积，用符号v表示。在法定计量单位中体积的单位是m³/kg。如气体的质量为m kg，容积为V m³，则

比体积的倒数称为密度，用p表示。在法定计量单位中，密度的单位为kg/m³。

密度和比体积反映了气体分子聚集疏密的程度。

4.热力学能U

在工程热力学中，气体的内热能称为热力学能或内能，它包括气体的内动能和内位能。

根据分子运动学说的理论，分子在不断地作不规则的平移运动，其动能可由温度来反映，如果是多原子分子，则分子还有旋转运动和振动，这些能量也是与温度有关的。此外，由于分子间作用力的存在，分子还具有能量的大小决定于分子间的平均距离，即决定于比体积。因此，热力学能是温度和比体积的函数。

热力学能用符号U表示，单位为焦耳(J)。1kg气体具有的热力学能用符号u表示，叫做比热力学能，单位为J/kg，即

5.焓H

设有1kg状态为P₁、v₁、u₁的工质从大气中进入气缸，如图1－3。此时以压力p₁推动活塞占有等于气缸容积而做的功，其值为p₁ v₁。此时工质的状态没有变化，其热力学能仍为u₁。对这个系统(气缸)来说，由于进入1kg而带进系统的总能量，则为u₁+ p₁ v₁。我们把这一能量称为比焓h₁。同样，当1kg工质在状态p₂、v₂、u₂下离开气缸时，它带走的总能量为比焓h₂= u₂+ p₂ v₂，即有

对于mkg

图1－3　工质焓的示意图

其中，H叫做焓，它的单位是焦耳(J)。比焓h的单位是J/kg。根据它们的定义式，即:

比焓h是1kg的热力学能u和在流动时由机械移动而携带的功pv的总和，其中pv又称为流动功或推进功。既然p、v、u都是工质状态的状态参数，由它们所决定的h也是工质状态的状态参数。

6.熵S

在可逆过程(见下文)中，熵的增量等于在过程中所接受的热量除以的温度所得到的熵。

熵用符号S表示，单位是J/K。1kg所具有的熵用符号s表示，叫做比熵，单位为J/kg·K，因此有:

及

其中，Q表示过程中吸收的热量，q表示过程中每kg吸收的热量。

1.1.3　可逆过程与不可逆过程

1.平衡状态与准静态过程

热力系统的平衡状态，是指系统内各部分的温度、压力等都相同时的状态。显然，它应包括热的平衡与力的平衡两个方面。

由于独立的状态参数只有两个，因而可以利用任意两个独立状态参数组成二维平面坐标系。坐标图上任一点就代表了气体的某一确定的平衡状态。通常用的最多的是p－v图(图1－4)和T－s图(图1－5)。由于系统处于平衡状态时，系统内各处温度和压力都相等，即它有确定的状态参数，所以只有平衡状态才能在坐标图上表示。

系统由一个状态变到另一个状态叫做系统经历了一个过程。例如，热力机械中的压缩、膨胀等都是一个过程。在实际的设备中所经历的过程都是很复杂的。由于一切过程都是平衡被破坏的结果，即只有系统与外界有了力或热的不平衡之后，才能促使系统向新的状态变化，因此，实际的过程都是不平衡的。但是某些情况下，系统在平衡被破坏之后能自动回复到平衡状态，而且回复所需的时间又很短，如果过程进行得很缓慢，过程经历的时间与回复的时间比较起来相当大，则可以认为每一个中间状态，系统都来得及在全部容积中建立起同一温度和同一压力，即每一个中间状态都是平衡状态。这样的过程叫做准静态过程。

图1－4　p－v图

图1－5　T－s图

实现准静态过程的条件是系统和外界不断存在热的平衡和力的平衡以及过程进行的无限慢。它是实际过程的理想化模型，是实际过程进行的非常缓慢时的一个极限。实际过程都不是绝对平衡的。但是在适当的条件下，许多过程都可以近似地作为准静态过程研究。

在准静态过程中，所经历的每一个状态都是平衡状态，而任一平衡状态都可用p－v图、T－s图上的一个点来表示，因此一个准静态过程就可用p－v图、T－s图中的一条连续曲线来表示，如图1－4、1－5中曲线1－2。不是准静态过程不能用连续曲线表示，也不能用热力学方法分析。

2.可逆过程和不可逆过程

当完成某一个过程之后，如果有可能使沿相同的路径逆向进行，并使整个系统和外界全部回复原来状态而不留下任何改变，这一过程就叫做可逆过程。如果没有这种可能，就叫做不可逆过程。

需要强调的是，不可逆过程并不是说不可能回复到原来状态，而是说整个系统和外界不能全部回复到原来状态。

非准静态过程一定是不可逆的，只有没有摩擦的准静态过程才是可逆的。换言之，可逆过程就是没有摩擦的准静态过程。准静态过程是针对内部过程的性质而言的，而可逆过程则更加充分地考虑了系统和外界的全部效果。当讨论的对象不仅仅局限于此时，用可逆这一概念更恰当一些。确切地说，只有可逆过程才能在坐标图上表示。

1.1.4　理想气体及状态方程式

1.理想气体和实际气体

实际的气体，分子总是占据一定的容积，而分子间总是存在着作用力的。在研究气体性质时，如果考虑分子间的作用力和分子占据的容积，问题就比较复杂。因此在热力学中，对气体作了两点假设:①气体分子是些弹性的、本身不具有体积的质点;②气体分子之间不存在相互作用力。在这两点假设条件下，分子运动规律就大大简化，并能用简单的数学表达式来描述。这种气体就称为理想气体。

自然界中的实际气体，一般来讲，压力越低，温度越高，它的性质越接近于理想气体。对于氧气、氮气、氢气、空气等气体，常温常压下一般都可作为理想气体处理。而对于一些离液态不远的气体如水蒸气等，则要根据具体情况进行具体分析。

2.理想气体状态方程式

理想气体状态方程式反映了理想气体在平衡状态下，三个基本参数(P、V、T)之间的关系。它可以由几个实验定律推导得出，也可以根据分子运动学说直接得出。理想气体状态方程式为:

式中，R_g为气体常数，单位为J/kg·K，它仅和气体种类有关，而与气体的状态无关。对任何一种气体，R_g为确定值，可由下式计算得出:

式中，M为气体的千摩尔质量，kg/kmol;R为通用气体常数，亦称为摩尔气体常数，其数值为R= 8314.3J/(kmol.K)。

理想气体状态方程式建立在平衡状态下，三个基本状态参数间的关系式。它的主要用途是可以根据任意两个已知的状态参数求第三个状态参数，或根据已知的三个状态参数求气体的质量。