發(fā)動機原理---工程熱力學基礎(chǔ)

1、第一章 工程熱力學基礎(chǔ),第一節(jié) 熱力學第一定律第二節(jié) 理想氣體的熱力過程第三節(jié) 熱力學第二定律 第四節(jié) 發(fā)動機理論循環(huán)及熱效率,幾個名詞術(shù)語：,1、工質(zhì)：實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)。主要為氣體或水蒸氣（因氣態(tài)物質(zhì)吸熱后容易膨脹）。 發(fā)動機中所說的工質(zhì)是指氣缸內(nèi)的可燃混合氣。2、熱力系統(tǒng)：選取某一宏觀范圍內(nèi)的物質(zhì)或空間作為研究對象，稱為熱力系統(tǒng)。 對于發(fā)動機而言，是將氣缸內(nèi)的氣體作為熱

2、力系統(tǒng)，而將氣缸看做“外界”。,3、熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)（工質(zhì)）在某一瞬間所處的宏觀熱力狀況，簡稱狀態(tài)。,系統(tǒng)的狀態(tài)可以不隨時間變化——平衡狀態(tài)，也可以隨時間變化——非平衡狀態(tài)。處于熱力平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，只要不受外界的影響，其狀態(tài)就不會隨時間變化，平衡也不會自發(fā)地破壞。處于不平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，其狀態(tài)將隨時間而改變，直至形成一個新的平衡狀態(tài)。工程熱力學中，只研究平衡狀態(tài)。,4、平衡狀態(tài)：指在沒有外界影響的條件下，工質(zhì)（或系統(tǒng)）的狀態(tài)不隨時

3、間變化。,5、熱力過程：熱力系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間變化的過程。如發(fā)動機工作時的壓縮過程、膨脹過程等。6、外界：系統(tǒng)以外與熱工過程有關(guān)的其他物質(zhì)或空間。7、邊界：系統(tǒng)與外界之間的分界面（分界面可以是真實的、假想的、固定的、移動的）。,8、狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)所處狀態(tài)的物理量，其數(shù)值的大小只取決于工質(zhì)的狀態(tài)。,處于平衡狀態(tài)的工質(zhì)對應著唯一的狀態(tài)參數(shù)（如比容、壓力、溫度）。工質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化，其狀態(tài)參數(shù)隨之改變，如向輪胎內(nèi)充氣，充氣量的多少

4、決定了氣壓、溫度的高低。,第一節(jié) 熱力學第一定律,熱力學：研究熱能的性質(zhì)以及與其他能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學。生活中的實例：1）電燈照明：電能 光能、熱能；2）用煤燒水：燃料的化學能 熱能；3）車用發(fā)動機燃料在氣缸內(nèi)燃燒、膨脹： 化學能 熱能 機械能；4）發(fā)動機帶動發(fā)電機：機械能 電能。,,,,,,能量轉(zhuǎn)換與守恒定理：,能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅（能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失

5、），它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，且轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）前后能量總和保持不變。能量守恒定律如今被人們普遍認同，但是并沒有嚴格證明。重要意義：①揭示了自然界中總能量為一常數(shù)（不能無中生有）； ②揭示了能量在形式上具有可轉(zhuǎn)換（變）性。,一、熱力學第一定律的內(nèi)容,內(nèi)容：在熱能與機械能之間，一定量的熱能消失時，必將產(chǎn)生數(shù)量完全相同的機械能（做了功），反之，亦是一樣。即： 熱能 機械能（功）

6、正向：獲得功必須消耗熱，如車用發(fā)動機燃料在氣缸內(nèi)燃燒后對外輸出功；逆向：產(chǎn)生熱一定要消耗功，如汽車制動鼓的制動過程（摩擦生熱）。表達式：Q=W 同一計量單位 Q=AW或Q=JW 不同計量單位,,,二、熱力學第一定律的解析式及其應用,1、幾個概念 1）功 力學中 W=FX 公式的意義：物體所受的力F和物體在受力方向上的位移的X乘積。做功的條

7、件：①力的作用； ②產(chǎn)生的位移。熱力學中的功如何表現(xiàn)？是否滿足功的條件（力、位移） 外界對氣體的元功： 令 則,1）功的符號：,“-” ，   外界對系統(tǒng)作功；“+” ，   系統(tǒng)對外界作功。2）功的圖示（數(shù)值）：,定義：熱力學中，熱力系統(tǒng)和外界間越過邊界而傳,遞能量，若它的全部效果可表現(xiàn)為使（外界）物體改變宏觀運動的狀態(tài)，則這種傳遞的能量稱為功。 微

8、元狀態(tài)：dw=pAdx=pdv 整個過程： 對于發(fā)動機而言，越過邊界而傳遞的能量是通過活塞、曲柄連桿機構(gòu)而傳遞的能量。 熱力學中功的本質(zhì)：使外界物體發(fā)生宏觀位移。,2）熱量：熱力系統(tǒng)與外界間越過邊界而傳遞能,量，若它的全部效果未能表現(xiàn)為使（外界）物體改變宏觀運動的狀態(tài)，僅使物體的溫差發(fā)生變化，表現(xiàn)為物體內(nèi)部分子的微觀運動，則這種傳遞的能量稱為熱量。功和

9、熱量的比較：相同點：都是過程量，均為能量的傳遞形式；不同點：功使（外界）物體改變宏觀位移，熱量僅使物體的溫度發(fā)生變化。,討論：假定一杯水在未加熱前水溫為200C，經(jīng)加熱,后獲得能量升至1000C。從外界感覺，通過邊界傳遞了能量，水溫升高；從水本身的內(nèi)部分子運動看：水分子因吸熱其平均運動動能增大，運動加快，對此，已有的熱量、溫度都不能反映出水分子微觀運動狀態(tài)的改變，需引入一個新的標量——內(nèi)能。,3、內(nèi)能,描述系統(tǒng)內(nèi)部（微觀狀態(tài)）工

10、質(zhì)運動狀態(tài)的改變情況。對于氣體，是氣體分子內(nèi)部所具有的動能與位能的總和。對于一個熱力系統(tǒng)，系統(tǒng)所接受的熱量如果不能使外界物體產(chǎn)生宏觀位移，則會使工質(zhì)的內(nèi)能增加。理想氣體：U=U動=f(T),1）如果將一壺水在未加熱前分成兩半，一半加,熱至沸騰，另一半不加熱，隨后將兩部分接觸，如果接觸過程完全絕熱，則平均溫度： 2）能否將原來溫度低的一杯水所吸收的熱量無條件全部還原給溫度高的另一杯呢？ 這說明了什么問題？（熱量傳遞具

11、有方向性）,2、第一定理解析式,將氣缸活塞做功簡化為一閉口系統(tǒng)模型。閉口系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界無質(zhì)量交換，系統(tǒng)沒有散熱損失。條件：在一個具有活塞的理想氣缸中，儲有1kg工質(zhì)（氣體），如果給氣體以微量熱量dq,其結(jié)果將使工質(zhì)（氣體）的狀態(tài)發(fā)生變化，同時使活塞移動dx的距離。根據(jù)能量守恒：對于1kg物質(zhì)，dq=△u+dw 即：輸入=儲存+輸出 （或： ，

12、 ）,討論：,1）對于等溫過程：T=C △u=0 q w,即加入的熱量全部轉(zhuǎn)化為功；2）對于絕熱過程：dq=0，當T?，外界消耗功--壓縮過程，△u﹥0；當T?，向外界輸出功--膨脹過程，△u﹤0；3）對于等容過程：dv=0， q u, 即加入的熱量全部轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的內(nèi)能（煤氣罐旁邊禁止加熱就是此原因）。,,,第二節(jié) 理想氣體的熱力過程,理想氣體：是指分子本身不占有體積、分子之間沒有作用力的氣體（一種理想模型

13、——實際中并不存在的“假想氣體”）。 當溫度不是很低或很高、壓力不是很低或很高，或沒有其他特殊條件時，一般氣體均可視為理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程 pv=RT 或PV=mRT,1、等容過程,過程方程式：V=C功： （因 ）內(nèi)能： （根據(jù) ）,2、等壓過程,過程方程式：P=C功：內(nèi)能：,3、等溫過程（C-D線）,過程方程式：

14、T=C　(PV=Ｃ)功： 內(nèi)能：,4、絕熱過程,過程方程式：功：內(nèi)能： （因Q=0）,絕熱線和等溫線的比較:,絕熱過程曲線的斜率,等溫過程曲線的斜率,絕熱線的斜率大于等溫線的斜率。,常量,第二節(jié) 熱力學第一定律對理想氣體的應用,5、多變過程,1）多變過程方程式 n——多變指數(shù)，一般1＜n＜k當n=0 ——等壓過程； n=1 ——等溫過程； n=k ——絕熱過程； n=∞ ——等容

15、過程；　　　因而，等容、等壓、等溫、絕熱過程都是多變過程的特例。,2）多變過程的功、熱量、內(nèi)能,功：熱量：內(nèi)能：,第三節(jié) 熱力學第二定律,熱力學第一定律說明了熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，但并未指出實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的條件問題，即并未說明能量轉(zhuǎn)換之間質(zhì)的差別。生活經(jīng)驗告訴我們：　①物體傳熱：Ｔ高　　?。缘汀　　　】勺园l(fā)　　　　　　?。缘汀　　。愿摺　　　〔豢勺园l(fā)　②氣體混合：一瓶氧氣與大氣混合可自發(fā)進行，而將其分開可不可

16、自發(fā)進行；　③機　　熱，可自發(fā)進行，如摩擦生熱；　　熱　　機，不可自發(fā)進行，需有附加條件作為補充。雖然熱　　機、Ｔ低　　?。愿卟⒉贿`反熱力學第一定律，但在實際中確是不能自發(fā)進行的，這說明了說明問題？,,,,,,,一、熱力循環(huán),熱　　機這一轉(zhuǎn)換過程中，依靠工質(zhì)膨脹可做功，但不連續(xù)；為了使熱　　機轉(zhuǎn)換連續(xù)，工質(zhì)膨脹做功后須被壓縮（回復到原來狀態(tài)）。 在發(fā)動機里是直接把做功后的“廢氣”排入大氣，然后再從大氣中吸入新氣，為下一

17、循環(huán)作準備。熱力循環(huán)：使工質(zhì)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化又回到原來狀態(tài)的全過程。 在P-V圖上為一條封閉曲線。工質(zhì)完成一個循環(huán)時，其內(nèi)能變化量為零。,,,膨脹功：圖中VAAcBVB包圍的面積;壓縮功：圖中VAAdBVB包圍的面積。,正向循環(huán)：P-V圖上封閉曲線順時針方向走向，其意義為：將熱 功（熱機循環(huán)）， 膨脹功＞壓縮功 對外輸出功。逆向循環(huán)：P-V圖上封閉曲線逆時針方向走向，其意義為：消

18、耗機械能將熱量從Ｔ低　 Ｔ高（制冷機）， 膨脹功＜壓縮功 消耗外部功。,,,,,正向循環(huán)（熱機）效率,正向循環(huán)效率：經(jīng)歷一個循環(huán)后熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的程度。 W0——循環(huán)凈功； Q1——加入循環(huán)的熱量； Q2——循環(huán)放出的熱量。,,,,,二、熱力學第二定

19、律的內(nèi)容（兩種說法）,開爾文說法：不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只從單一熱源取熱并全部轉(zhuǎn)化為功。即： 熱 功，不能自發(fā)進行，須要有兩個熱源：T1——高溫熱源；T2——低溫熱源，且效率小于1。 熱功轉(zhuǎn)化為什么非要兩個熱源：保證工質(zhì)能夠連續(xù)做功。（膨脹 壓縮 再膨脹，使工質(zhì)回復到原來狀態(tài)）?？藙谛匏拐f法：熱量不可能自發(fā)的、不負代價地從低溫物體傳至高溫物體。即：熱量傳遞具有方向性，從高

20、溫向低溫傳遞可自發(fā)進行，反之不行。,,,,1、熱力學第二定律是大量實驗和經(jīng)驗的總結(jié)。,3、熱力學第二定律可有多種說法，每一種說法都反映了自然界過程進行的方向性。,2、熱力學第二定律開爾文說法與克勞修斯說法具有等效性。,第四節(jié) 熱力學第二定律,舉例：,有人宣布已設計出一種新型發(fā)動機，如果每小時供給158000千卡的燃料發(fā)熱量，就能夠連續(xù)發(fā)出250馬力的動力，試問該發(fā)動機的熱效率為多少？，是否可能？解： 1馬力小時=632千卡，或1

21、馬力=632千卡/小時 250×632= 58000千卡/小時熱效率： 不可能，違背了熱力學第二定律。,三、卡諾循環(huán)及其熱效率分析,1824年，法國的年青工程師卡諾提出一個工作在兩熱源之間的理想循環(huán)—卡諾循環(huán)，給出了熱機效率的理論極限值; 他還提出了著名的卡諾定理。1、卡諾循環(huán)——由兩個可逆等溫過程和兩個可逆絕熱過程組成。,卡諾循環(huán)熱機效率的

22、計算,C—D 等溫壓縮D—A 絕熱壓縮A—B 等溫膨脹B—C 絕熱膨脹,卡諾循環(huán)各過程：,A — B 等溫膨脹吸熱,第三節(jié) 卡諾循環(huán) 熱機效率,C — D 等溫壓縮放熱,第三節(jié) 卡諾循環(huán) 熱機效率,B — C 絕熱過程,D — A 絕熱過程,,卡諾熱機效率,卡諾熱機效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩個熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高。,圖中兩卡諾循環(huán) 嗎 ？,第三節(jié) 卡諾循環(huán) 熱機效

23、率,1）在相同高溫熱源和低溫熱源之間工作的任意工作物質(zhì)的可逆機都具有相同的效率 .,2、卡諾定理,2）工作在相同的高溫熱源和低溫熱源之間的一切不可逆機的效率都不可能大于可逆機的效率 .,第四節(jié) 熱力學第二定律,3、幾點結(jié)論,1）卡諾循環(huán)熱效率 僅于熱源溫度T1、冷源溫度T2相關(guān)，與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)；2）T1?， ?；T2?， ?；3）當T1= T2 ， =0；說明單一熱源熱機不存在；4）當T1≠∞，T2≠0， ﹤1；說

24、明Q1不能全部轉(zhuǎn)換為功；5）在同樣的T1 、T2條件下，卡諾循環(huán)的 最高。,研究卡諾循環(huán)的意義：,1）指明了提高熱機循環(huán)熱效率的方向，?T1與?T2； 實際中，T1受限于金屬材料的熱特性；T2受限于環(huán)境的溫度。2）指出了在熱源溫度時，熱能轉(zhuǎn)換機械能的最高極限。 目前，柴油機的最高有效熱效率為46%。 若T1 =2500K，T2 =350K，則：,第四節(jié) 發(fā)動機理論循環(huán)及熱效率,內(nèi)燃機實際做

25、功的復雜性：1）內(nèi)燃機能夠連續(xù)對外做功，須每循環(huán)都對工質(zhì)進行“吐故納新”，即做功后排出廢氣，然后吸入新鮮工質(zhì)；2）存在多種損失：燃料燃燒不完全；缸壁散熱；換氣損失；摩擦損失；排氣損失。,,,,一、對內(nèi)燃機實際工作過程的簡化,內(nèi)燃機工作時，其主要任務 熱能 轉(zhuǎn)化 機械能 熱能的獲得：燃料在氣缸內(nèi)迅速燃燒，即加熱；保證燃料在氣缸內(nèi)迅速燃燒進行的條件：壓縮；機械能的產(chǎn)生：工質(zhì)膨脹推動活塞曲柄連桿機

26、構(gòu)運動：膨脹；根據(jù)熱力學第二定律，還有向冷源放熱的問題：放熱。由此構(gòu)成一個基本循環(huán)：壓縮 加熱 膨脹 放熱。,,,,,發(fā)動機理論循環(huán),是假想的簡化循環(huán)，由4個熱力過程（壓縮過程、加熱過程、膨脹過程、放熱過程）組成，用以代替發(fā)動機復雜的實際循環(huán)。,將復雜的實際循環(huán)簡化為理論循環(huán)的條件是：,①假定工質(zhì)為理想氣體；②忽略進、排氣過程（假定整個循環(huán)中工質(zhì)的質(zhì)量不變，工質(zhì)在密閉系統(tǒng)中作封閉循環(huán)，即沒有進、排氣過程）；③假定壓縮過程和

27、膨脹過程均為絕熱過程；④燃燒過程簡化為定容加熱、定壓加熱過程；⑤排氣放熱簡化為定容放熱過程。,二、三種基本循環(huán)及其熱效率,主要根據(jù)加熱方式即燃燒過程特征的不同，將不同發(fā)動機（汽油機、柴油機等）的實際循環(huán)簡化為三種不同的理論循環(huán)：定容加熱循環(huán)；定壓加熱循環(huán)；混合加熱循環(huán)。,1）汽油機——簡化為定容加熱循環(huán)理論循環(huán),其燃燒過程的特點是燃燒速度很快，加熱過程近似在等容條件下完成，即瞬時完成，對應的加熱過程簡化為——定容加熱過程；對應

28、的理論循環(huán)為定容加熱循環(huán)。,2）大型低速船用柴油機——簡化為定壓加熱循環(huán)理論循環(huán),其燃燒過程的特點是燃燒速度較慢，氣缸壓力基本不變，對應的加熱過程簡化為——定壓加熱過程；對應的理論循環(huán)為定壓加熱循環(huán)。,3）車用柴油機——簡化為混合加熱循環(huán)理論循環(huán),其燃燒過程的特點是先快后慢，氣缸壓力開始快速上升，后來基本不變，對應的加熱過程簡化為——混合加熱過程（先定容、再定壓）；對應的理論循環(huán)為混合加熱循環(huán)。,循環(huán)熱效率?t,循環(huán)熱效率?t：是工質(zhì)所

29、做循環(huán)功W與循環(huán)加熱量Q1之比，用以評定循環(huán)經(jīng)濟性。式中： Q1——循環(huán)加熱量； Q2——循環(huán)放熱量； W0 ——循環(huán)功。,混合加熱循環(huán)的熱效率計算公式,循環(huán)特征參數(shù)：,（1） 壓縮比ε（2） 壓力升高比λ （3） 初始膨脹比ρ（4） 等熵指數(shù)k,,,,對計算公式中相關(guān)參數(shù)的影響分析:,1）壓縮比?： 隨?? ? ?t ? ， ?t隨?? 而?的變化趨勢如下圖。

30、 ?t 1 ?,?t隨??而?的原因：,提高壓縮比?，可以提高循環(huán)平均吸熱溫度，降低循環(huán)平均放熱溫度，擴大循環(huán)溫差，增大膨脹比，所以可以提高發(fā)動機的熱效率?t。,由圖可以看出：,在?較低時， 隨?? ?t 快速?，當?較高時，隨?? ?t上升速度變緩。目

31、前，汽油機：?=7～11；柴油機：?=14～22。由于汽油機的?較低，?? 能夠有效??t ，但由于存在爆燃的原因，目前汽油機的?難以繼續(xù)?。而柴油機的?已經(jīng)較高，進一步提高?難以有效提高?t，對于柴油機而言，進一步提高? 將會得不償失。,2）壓力升高比?和初始膨脹比?,在Q1、? 一定，????t? ； ??? ?t?；??：意味著燃燒過程變快，大部分燃料在上止點附近燃燒；即定容部分的加熱量增加，定壓部分的加熱量減少，所以?t

32、? ；?? ：意味著后燃增加，熱量利用率變差，且排氣溫度?，即定容部分的加熱量減少，而定壓部分的加熱量增加，所以?t? 。,3）絕熱指數(shù)k,k: k?，混合氣變稀??t?。k值的大小取決于工質(zhì)的性質(zhì)。,討論：,當?=1時，混合加熱循環(huán)變?yōu)槎ㄈ菁訜嵫h(huán)；當?=1時，混合加熱循環(huán)變?yōu)槎▔杭訜嵫h(huán)。這表明，定容加熱循環(huán)、定壓加熱循環(huán)都是混合加熱循環(huán)的特例。,三、 三種理想循環(huán)熱效率的比較,1）壓縮比?相同、加熱量Q1相同，,2）在加熱

33、量Q1相同、最高壓力 相同，,,循環(huán)平均壓力pt,Pt 是單位汽缸容積所做的循環(huán)功，用來評定循環(huán) 的做功能力。 定義式：式中： Pt——循環(huán)平均壓力； W ——循環(huán)功； VS——氣缸工作容積。,Pt的計算公式,Pt隨Pa、? 、?、?、 k和?t 的增加而增加。,發(fā)動機理論循環(huán)熱效率用于實際的約束,發(fā)動機理論循環(huán)所得到的提高熱效率的方法用于實際時，必須要考慮發(fā)動機實際工作條件的約束和限制：1