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第1章发动机的工作原理; 1.1工程热力学基础知识

1.1.1工质的热力状态

1.工质的基本状态参数

表述工质所处状态的物理量叫做工质的状态参数。在工程热力学中，压力、比容、温度这三个可测状态参数叫做工质的基本状态参数。发动机工作时，通过工质状态参数的变化把热能转变为机械能。;1)压力

工质在容壁单位面积上作用的垂直力称为工质的压力，也叫绝对压力，用p表示。绝对压力的单位有帕(Pa)、千帕(kPa)、兆帕(MPa)等。在一些特殊场合，压力也有用巴(bar)作单位的，1?bar?=100kPa。绝对压力p不能测量，只能通过换算得出。

气体的绝对压力p与大气压力p0之差，称为表压力。高于大气压力的压力可以用压力表测量，设测出的压力为pb，则此时气体的绝对压力为：;低于大气压力的压力可以用真空表测量，测出的表压力称为真空度pc。真空度表示气体压力低于大气压力的值。此时气体的绝对压力为：;2)比容

单位质量的工质所占有的容积称为比容，用v表示：;3)温度

温度表示气体分子运动强弱的程度。气体温度愈高，其分子运动速度愈高；气体分子运动速度愈高，其温度也愈高。常用的温标是开氏温标，开氏温标的温度用T表示，它与摄氏温标的温度t之间的关系为：;2.理想气体状态方程

理想气体是分子不占体积、分子之间没有吸引力的假想气体。一些实际中的气体，由于分子体积很小，分子之间的距离比分子直径大很多，因此分子间的吸引力可以忽略不计，通常都可以按理想气体对待。汽车发动机用的工质可以看成是理想气体。

对于1kg质量的理想气体，其状态方程为：;3.热力过程功量

工质由某一初态变化到另一终态所经历的全部状态过程的总和称为热力过程。热力过程中外界对工质或工质对外界所做的功称为热力过程功量，用W表示。

4.工质的比热容

1kg的工质，温度增加1K所需加入的热量，称为该工质的比热容c。工质的比热容有比定容热容cV和比定压热容cp，且cp＞cV。

比定压热容和比定容热容之比称为质量热容比γ：;5.工质的内能

工质内部具有的总能称为工质的内能，用U表示。理想气体的内能是温度的单值函数，它只与温度有关，而与所进行的热力过程无关。mkg的理想气体从某初态1开始，无论经历什么热力过程到达终态2，其内能的变化只取决于温度的变化。此时：;1.1.2热力学基本定律

1．热力学第一定律

热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的应用，即热可以转变为功，功可以转变为热，转变前后的能量保持不变。

设Q表示转变为功的那部分热量，W表示转换得到的功，热量和功的单位都是千焦耳，则：;3.热力学第二定律

实践证明：通过摩擦作用可以将机械能全部转变为热，而发动机却不可能把全部吸收的热连续地转变为机械能。

热力学第二定律指出：不可能创造出只从热源吸收热量做功而不向冷源放出热量的发动机，即内燃机的热效率不可能达到100%。

工质经历一个工作循环，转变为功的热量与所加入热量之比称为循环的热效率，用η表示。设工质经历一个循环从热源吸收的热量为Q1千焦耳，对外做功为W千焦耳，放给冷源的热量为Q2千焦耳，则：;1.1.3气体的基本热力过程

1.等容过程

气体容积保持不变的过程称为等容过程，过程曲线如图1-1所示。在此过程中，由于比容v不变，根据理想气体的状态方程pv=RT，可得：;2.等压过程

气体压力保持不变的过程称为等压过程，过程曲线如图1-2所示。在此过程中，由于压力p不变，根据理想气体的状态方程pv=RT，可得：;图1-1等容过程;图1-2等压过程;3.等温过程

气体温度保持不变的过程称为等温过程，过程曲线如图1-3所示。在此过程中，由于温度T不变，根据理想气体的状态方程pv=RT，可得：;图1-3等温过程;4.绝热过程

工质与外界没有热交换的过程称为绝热过程，过程曲线如图1-4所示。在此过程中，由于工质与外界没有发生热交换，根据热力学第一定律推导可得：;图1-4绝热过程;5.多变过程

比较以上四种典型的热力过程方程式，可以看出这些方程式可用一个通用方程式来表示：;图1-5多变过程;1.1.4卡诺循环和卡诺定理

1.卡诺循环

卡诺循环是最理想的循环方案，是由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程交错组成的，如图1-6所示。现将四个过程介绍如下：

(1)等温膨胀过程(a→b)：工质由状态a在等温下从恒温热源(或高温热源)吸收热量q1而变化至状态b。

(2)绝热膨胀过程(b→c)：工质由状态b进行绝热膨胀到状态c，此时温度由