1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理熱力學(xué)第1頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四課 程 概 述一、課程的性質(zhì)和任務(wù) 1、研究發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程和性能指標(biāo)，主要包括動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等。 2、分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的因素。 3、找出提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的途徑。三、課程主要內(nèi)容主要內(nèi)容包括：工程熱力學(xué)基礎(chǔ)、發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖和性能指標(biāo)、燃料和燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)換氣、汽油機(jī)混合氣的形成與燃燒過程、柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒過程、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與控制等。第2頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四第一章 工程熱力學(xué)基礎(chǔ)本章要求：了解：熱力系統(tǒng)、工質(zhì)、功、熱量、內(nèi)能和熵等概念，理想氣體和卡諾循環(huán)

2、等。理解：熱力學(xué)第一和第二定律，圖和圖，理想氣體的熱力過程和發(fā)動(dòng)機(jī)的理想循環(huán)。 第3頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四第一節(jié) 氣體的狀態(tài)及狀態(tài)方程一、熱力系統(tǒng)1、在熱力學(xué)中，從若干個(gè)物體中規(guī)劃出所要研究的對(duì)象，稱為熱力系統(tǒng)；熱力系外界界面2、工質(zhì)：在熱力設(shè)備中用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能與其它形式的能量交換的物質(zhì)。熱力設(shè)備通過工質(zhì)狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)與外界的能量交換。研究對(duì)象以外的一切物質(zhì)，稱為外界；熱力系統(tǒng)和外界的分界面，稱為界面。第4頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四二、熱力狀態(tài)與狀態(tài)參數(shù)1、熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。熱力平衡狀態(tài)：當(dāng)外界條件不變系

3、統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間不變，即具有均勻一致的P、V、T。2、狀態(tài)參數(shù)：用來(lái)描述氣體熱力狀態(tài)的物理量基本狀態(tài)參數(shù)：可直接測(cè)量的狀態(tài)參數(shù)，包括：壓力(P)、比容()、溫度(T)。主要狀態(tài)參數(shù)：壓力P、比容、溫度T、內(nèi)能、熵、焓。第5頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四基本狀態(tài)參數(shù)：1、比容：用表示，單位是m3/kg 。定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)所占的容積。即： =V/MV-物質(zhì)的容積,m3; M-物質(zhì)的質(zhì)量，kg。比容的倒數(shù)是？2、壓力：用P表示，單位是Pa，Mpa、kPa。定義：系統(tǒng)單位面積上受到的垂直作用力。即：P=F/A 壓力的測(cè)量3、溫度：用T表示，單位是K。定義：表征物體的冷熱程度（

4、氣體分子的平均動(dòng)能越大）第6頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四三、理想氣體的狀態(tài)方程 1、理想氣體：氣體分子本身不占有體積，分子之間無(wú)相互作用力的氣體。 2、理想氣體的狀態(tài)方程： P=RT PV= mRT V= m 對(duì)空氣，R=0.287kJ/kgK 3、壓容圖 氣體的狀態(tài)也可用P-V圖上的一個(gè)點(diǎn)表示，比較直觀。第7頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四第二節(jié) 熱力過程及過程量功：W=Fdx=APdx=PdV W12=12PdV對(duì)單位質(zhì)量的工質(zhì)： w12=W/m=12PdV/m =12Pd 故P-V圖上,W12為過程線與橫軸圍成的面積。 一、熱力過程 熱力系

5、統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)的變化歷程。 P-V圖上,一個(gè)點(diǎn)表示氣體的一個(gè)熱力狀態(tài);一條曲線表示一個(gè)熱力過程。二、膨脹功（）氣體在熱力過程中由于體積發(fā)生變化所做的功（又稱為容積功）第8頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四規(guī)定：熱力系統(tǒng)對(duì)外界做功為正，外界對(duì)熱力系統(tǒng)做功為負(fù)。由W=PdV得： dV0，膨脹,W0， 系統(tǒng)對(duì)外界做功； dV0，壓縮,W0壓縮,W0,Q0,吸熱;ds0,Q0放熱Q0第11頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四一、熱力學(xué)第一定律表述為：當(dāng)熱能與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換時(shí)，能的總量保持不變。對(duì)于一個(gè)熱力系統(tǒng)： 進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的

6、能量 =系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化量熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱力學(xué)上的具體應(yīng)用，它闡明了熱能和其它形式的能量在轉(zhuǎn)換過程中的守恒關(guān)系。 它表達(dá)工質(zhì)在受熱作功過程中，熱量、作功和內(nèi)能三者之間的平衡關(guān)系。第三節(jié) 熱力學(xué)第一定律第12頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四二、內(nèi)能-工質(zhì)內(nèi)部所具有的各種能量總稱宏觀能量包括：微觀能量即系統(tǒng)的內(nèi)能，包括：宏觀能量微觀能量?jī)?nèi)動(dòng)能內(nèi)位能內(nèi)位能與分子間的距離、吸引力有關(guān),是比容的函數(shù)；內(nèi)動(dòng)能包括移動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和振動(dòng)動(dòng)能，是溫度的單值函數(shù)。對(duì)于理想氣體，不考慮分子間的位能，故內(nèi)能只是分子的內(nèi)動(dòng)能，僅與溫度有關(guān)，是溫度的單值函數(shù)，用符號(hào)u

7、表示，單位J。系統(tǒng)本身所具有的能量包括：動(dòng)能位能機(jī)械能第13頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四三、閉口系統(tǒng)的能量方程1、定義: 與外界沒有質(zhì)量交換的系統(tǒng)。 2、能量方程式 Q-W=U故Q=U+W對(duì)于微元過程：Q=dU+W對(duì)于1kg工質(zhì)：q=u+w （/Kg)閉口系統(tǒng)能量方程以上各項(xiàng)均為代數(shù)值，可正可負(fù)或零，且不受過程的性質(zhì)和工質(zhì)性質(zhì)的限制。第14頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四 四、理想氣體的比熱1、比熱的定義和單位熱容量：向熱力系統(tǒng)加熱（或取熱）使之溫度升高（或降低）1K所需的熱量,用C表示。比熱：?jiǎn)挝毁|(zhì)量工質(zhì)的熱容量，用c表示。即c=C/m 單位J

8、/(kgK）或c=dq/dT（單位質(zhì)量的物質(zhì)作單位溫度變化時(shí)吸放的熱量） 2、比熱與過程的關(guān)系功量和熱量都是過程量，故比熱與過程有關(guān)。熱力過程中最常見的加熱過程是保持壓力不變和容積不變，因此比熱也相應(yīng)的分為定壓質(zhì)量比熱和定容質(zhì)量比熱，分別以符號(hào)cP 和c 表示。絕熱指數(shù)：K= cP / c第15頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四 3、比熱與氣體性質(zhì)、溫度的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)證明，多數(shù)氣體的比熱隨溫度的升高而增大，但為使計(jì)算簡(jiǎn)便，不考慮比熱隨溫度的變化，即采用定值比熱（或定比熱）。 五、理想氣體內(nèi)能的計(jì)算 在保持系統(tǒng)容積不變的加熱過程中，加熱量為： q=c(T2-T1) 由熱力學(xué)第一

9、定律 q=w+u推出：u=cv(T2-T1)內(nèi)能是一狀態(tài)量，與熱力過程無(wú)關(guān)，且理想氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，故上述公式適用于任何熱力過程。且 w =0，第16頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四第四節(jié) 理想氣體的熱力過程要求掌握： 1、過程的定義； 2、過程方程式； 3、過程中各基本參數(shù)之間的關(guān)系； 4、過程量的計(jì)算； 5、過程曲線，重點(diǎn)掌握P-V曲線，對(duì)T-S 曲線作一般了解； 6、多變過程的概念。第17頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四工程熱力學(xué)把熱機(jī)循環(huán)概括為工質(zhì)的熱力循環(huán)，熱力循環(huán)分成幾個(gè)典型的熱力過程定容、定壓、定溫和絕熱稱為基本熱力過程。一、定

10、容過程1、定義：過程進(jìn)行中系統(tǒng)的容積（比容）保持不變的過程。2、過程方程式：=常數(shù)3、參數(shù)間的關(guān)系：P1/P2=T1/T2, P1/T1=P2/T24、過程量的計(jì)算： 由 W12=12PdV，且 dV=0 w=0 q=u即：加入工質(zhì)的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的內(nèi)能。又 q=u+w， q=q=u =c(T2-T1)由 PV=RT 知，P/T=常數(shù)，所以：第18頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四5、過程曲線等容加熱溫度升高等容放熱溫度降低第19頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四二、定壓過程 1、定義：過程進(jìn)行中系統(tǒng)的壓力保持不變。 2、過程方程式：P=常數(shù)3、參數(shù)

11、間的關(guān)系：由/T=常數(shù) 1/T1=2/T2 1/2=T1/T24、過程量的計(jì)算：qp=cp(T2-T1)w=12Pd=P(2-1)又 u =c(T2-T1) 由熱力學(xué)第一定律：qp=u+pdv=u+d（pv）=u+d（RT)=u+RdTcp(T2-T1)=c(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=c+ R 邁耶公式另外： cp/c=k絕熱指數(shù)第20頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四5、過程曲線等壓加熱對(duì)外做功溫度升高21等壓放熱對(duì)內(nèi)做功溫度降低2T-s圖上，等壓曲線要比等容曲線平坦（說(shuō)明在達(dá)到相同氣體溫度下，定壓過程要比定容過程吸收更多的熱量）。第21頁(yè)，共35頁(yè)，202

12、2年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四三、定溫過程1、定義：過程進(jìn)行中系統(tǒng)的溫度保持不變的過程。2、過程方程式： T=常數(shù)3、參數(shù)間的關(guān)系： P=RT=常數(shù)P11=P22 4、過程量的計(jì)算：T=常數(shù) 所以 u=0由 q=w+ u可得： q=w加入系統(tǒng)的熱量全部轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)對(duì)外界做的功。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四5、過程曲線等溫壓縮對(duì)外放熱等溫膨脹 吸熱22第23頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四四、絕熱過程 1、定義：過程進(jìn)行中系統(tǒng)與外界沒有熱量的傳遞（q=0 s=q/T=0，故也稱定熵過程 ）。 2、過程方程式：Pvk=常數(shù)（推導(dǎo)略） K= c

13、p/c：絕熱指數(shù)3、參數(shù)間的關(guān)系：由 Pvk=常數(shù) P1v1k=P2v2k P1/P2=(v2/v1)k又 Pv=RT P=RT/v Tvk-1=常數(shù) T1/T2=(v2/v1)k-1 T2=T1(v1/v2)k-1 =T1k-14、過程量的計(jì)算： q=w+ u q=0推出： w=-u 即：外界對(duì)系統(tǒng)所做的功全部用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能。第24頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四5、過程曲線絕熱壓縮溫度升高絕熱膨脹溫度降低第25頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四 五、多變過程 在實(shí)際的熱力過程中，P、T的變化和熱量的交換都存在，不能用上述某一特殊的熱力過程來(lái)分析

14、，需用一普遍的、更一般的過程即多變過程來(lái)描述。 1、過程方程式：Pvn=常數(shù)n:多變指數(shù)。 等壓過程；n=1,Pv=常數(shù)等溫過程；n=k,Pvk=常數(shù)絕熱過程；n=,v=常數(shù)等容過程。n=0,P=常數(shù)第26頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四2、各過程在P-v圖上的比較等壓線:壓力升高部分壓力降低部分等容線:膨脹部分壓縮部分等溫線:溫度升高部分溫度降低部分絕熱線:吸熱部分放熱部分n=1n=kn=nW0W0n從到0，放熱0 吸熱；等溫線右內(nèi)能增加，左內(nèi)能減少。例如壓縮機(jī)壓縮過程：Kn第27頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四第五節(jié) 熱力學(xué)第二定律 重點(diǎn)掌握：

15、1、熱力學(xué)第二定律的表述； 2、熱力循環(huán)的熱效率； 3、卡諾循環(huán)的熱效率。第28頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四一、熱力學(xué)第二定律的表述 1、熱量不可能自發(fā)的、不付任何代價(jià)的由一個(gè)低溫物體傳至高溫物體。熱量不可能自發(fā)地從冷物體轉(zhuǎn)移到熱物體。 2、不可能制成一種循環(huán)工作的熱機(jī)，僅從單一的高溫?zé)嵩慈幔怪耆D(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而不向低溫?zé)嵩矗ɡ湓矗┓艧?。單熱源熱機(jī)是不存在的。能量傳遞（熱功轉(zhuǎn)換）過程的方向、條件和限度問題，要由熱力學(xué)第二定律來(lái)回答。 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是一切自發(fā)的過程都是不可逆的。第29頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四二、熱力循環(huán)系統(tǒng)從某

16、一狀態(tài)（初始狀態(tài)）出發(fā)，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，又回到初始狀態(tài)，這樣一個(gè)封閉的熱力過程稱為一個(gè)熱力循環(huán)。（在P-V圖上，熱力循環(huán)是一封閉的曲線。）正向循環(huán)把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的循環(huán)。逆向循環(huán)靠消耗機(jī)械功將熱量從低溫?zé)嵩磦飨?高溫?zé)嵩吹难h(huán)。（或稱熱泵循環(huán)）第30頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四1、循環(huán)凈功量1-2-3-4-1：順時(shí)針進(jìn)行的熱力過程，過程曲線所圍成的面積為正，稱為正循環(huán)。w 1-4-3-2-1：逆 時(shí)針進(jìn)行的熱力過程，過程曲線所圍成的面積為負(fù)，稱為負(fù)循環(huán)。循環(huán)凈功 W=Q1-Q2Q1為1-2-3，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰酫2為3-4-1，工質(zhì)從向低溫?zé)嵩捶艧岬?1頁(yè)，

17、共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四定義：循環(huán)凈功與從高溫?zé)嵩次諢崃康谋戎礣=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1 W: 對(duì)外作出的循環(huán)凈功；Q1: 循環(huán)中吸收的總熱量;Q2: 循環(huán)中放出的總熱量。 作用： 評(píng)價(jià)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。三、熱機(jī)循環(huán)的熱效率第32頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四三、卡諾循環(huán)（最理想的熱機(jī)循環(huán)） 由兩個(gè)定溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的可逆循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)的熱效率：1、卡諾循環(huán)的熱效率取決于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟龋邷責(zé)嵩吹臏囟壬仙?，低溫?zé)嵩吹臏囟认陆担瑒t卡諾循環(huán)的熱效率提高。第33頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期四2、卡諾循環(huán)的熱效率永遠(yuǎn)小于1。即在循環(huán)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)中，不可能將吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功，必定有部分熱量傳遞給低溫?zé)嵩础?、當(dāng)T1=T2時(shí)，卡諾循環(huán)的熱效率為0。即在溫度平衡的系統(tǒng)中，不可能將熱量轉(zhuǎn)化為功（不可能由單一熱源循環(huán)作功）。 4、當(dāng)無(wú)論什么工質(zhì)和循環(huán)，在一定溫度范圍T1到T2時(shí)之間，不可能