汽車發(fā)動機原理教案

1、發(fā)動機原理與汽車?yán)碚摪l(fā)動機原理與汽車?yán)碚摻贪附贪?1第一章第一章 工程熱力學(xué)基礎(chǔ)工程熱力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目的與要求掌握汽車發(fā)動機熱力學(xué)的基本概念。了解傳熱學(xué)的基本概念和逆循環(huán)。掌握熱力學(xué)第一定律和第二定律。理解理想氣體狀態(tài)方程和多變過程方程。了解混合氣體的比熱、熱力學(xué)性質(zhì)。學(xué)習(xí)重點熱力系統(tǒng)、熱力過程及熱力狀態(tài)的基本概念，熱力學(xué)第一定律。多變過程方程。燃燒基本知識。熱效率的計算及影響因素。學(xué)習(xí)難點熱力過程方程，功、能、熱的異同點?？ㄖZ循環(huán)與卡諾定理。1.1 工程熱力學(xué)基本概念工程熱力學(xué)基本概念1.什么是工程熱力學(xué) 從工程技術(shù)觀點出發(fā)，研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，熱能轉(zhuǎn)換為機械能的規(guī)律和方法，以及有效、合理地

2、利用熱能的途徑。鍋爐一 煙氣 一 水 一水蒸氣一(直接利用) 供熱；鍋爐一 煙氣 一 水 一水蒸氣一汽輪機一 (間接利用)發(fā)電冰箱、空調(diào)一一(耗能) 制冷2.本課程的研究對象及主要內(nèi)容 研究對象：與熱現(xiàn)象有關(guān)的能量利用與轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。研究內(nèi)容：（1） 研究能量轉(zhuǎn)換的客觀規(guī)律，即熱力學(xué)第一與第二定律。（2） 研究工質(zhì)的基本熱力性質(zhì)。（3） 研究各種熱工設(shè)備中的工作過程。（4） 研究與熱工設(shè)備工作過程直接有關(guān)的一些化學(xué)和物理化學(xué)問題?；咎攸c：1、熱源，冷源2、工質(zhì)（制冷劑）3、得到容積變化功4、循環(huán) (加壓、放熱、膨脹、吸熱)2 1.1.1 工質(zhì)及熱力系統(tǒng)(一)工質(zhì)用以實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換

3、或熱能轉(zhuǎn)移的媒介物質(zhì)。如：水蒸氣，制冷劑(二)熱力系統(tǒng)、外界和邊界 1.熱力系統(tǒng)：具體制定的，用界面分離出來的研究對象。 2.外界：系統(tǒng)以外與之相關(guān)的所有有關(guān)物體。 3.邊界(界面)：系統(tǒng)與外界的分界面。 界面的性質(zhì)：它可以是真實的，也可以假想；可以固定也可以移動。邊界特性：真實、虛構(gòu)固定、活動(三) 閉口系和開口系、絕熱系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)1.熱力系統(tǒng)分類： 按熱力系統(tǒng)與外界進行物質(zhì)交換的情況分： 閉口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，即無物質(zhì)穿過邊界。 開口系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，即有物質(zhì)穿過邊界。絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無熱交換。 孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界無任何相互作用，既沒有物質(zhì)穿過邊界，也不與外界發(fā)

4、生任何形式的能量交換。熱源熱力系統(tǒng)分類以系統(tǒng)與外界關(guān)系劃分：有 無是否傳質(zhì) 開口系 閉口系是否傳熱 非絕熱系 絕熱系是否傳功 非絕功系 絕功系是否傳熱 功、質(zhì) 非孤立系 孤立系1 開口系熱力系統(tǒng)非孤立系相關(guān)外界孤立系1+2 閉口系1+2+3 絕熱閉口系1+2+3+4 孤立系3簡單可壓縮系統(tǒng)：最重要的系統(tǒng) 簡單可壓縮系統(tǒng)只交換熱量和一種準(zhǔn)靜態(tài)的容積變化功容積變化功壓縮功膨脹功1.1.2 工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)一、狀態(tài)參數(shù)和熱力過程 （一）狀態(tài)參數(shù)1.狀態(tài)：某一瞬間熱力系所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況2.狀態(tài)參數(shù)：描述工質(zhì)狀態(tài)的宏觀物理量3.狀態(tài)參數(shù)的特征：(1)狀態(tài)確定，則狀態(tài)參數(shù)也確定，反之亦然

5、(2)狀態(tài)參數(shù)的積分特征：狀態(tài)參數(shù)的變化量 與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式中，x1，x2 分別代表兩種狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的積分特征狀態(tài)參數(shù)變化量與路徑無關(guān)，只與初終態(tài)有關(guān)。例：溫度變化山高度變化強度參數(shù)與廣延參數(shù)強度參數(shù)：與物質(zhì)的量無關(guān)的參數(shù) 如壓力 p、溫度 T廣延參數(shù)：與物質(zhì)的量有關(guān)的參數(shù)可加性 如 質(zhì)量 m、容積 V、內(nèi)能 U、焓 H、熵 S比參數(shù)、比容、比內(nèi)能、比焓、比熵單位：/kg /kmol 具有強度量的性質(zhì)二、基本狀態(tài)參數(shù)、溫度 溫度：標(biāo)志物體冷熱程度的物理量。其數(shù)值稱為溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)：用 t 表示，單位為 熱力學(xué) (開爾文或絕對)溫標(biāo)：用 T 表示，單位為 K

6、 可以看出兩種溫標(biāo)的溫差是相等的熱力學(xué)第零定律：溫度的熱力學(xué)定義熱力學(xué)第零定律（R.W. Fowler）如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。4溫度測量的理論基礎(chǔ)溫度計溫度的熱力學(xué)定義：處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系，必定有某一宏觀特征彼此相同，用于描述此宏觀特征的物理量溫度。溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。、壓力 壓力：單位面積上所承受的垂直作用力。表壓與真空： 工程上，工質(zhì)的壓力常用壓力表或真空表來測量。測量壓力的儀表通常處于大氣環(huán)境中，不能直接測量出絕對壓力，顯示的是絕對壓力和當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮旱牟钪?。表壓力：?dāng)氣體的絕對壓力高于大氣壓力時

7、，壓力計顯示的絕對壓力超出大氣壓力的部分。表壓力=絕對壓力-大氣壓力真空度：當(dāng)氣體的絕對壓力低于大氣壓力時，真空計顯示的絕對壓力低于大氣壓力的部分。真空度=大氣壓力-絕對壓力要想知道氣體的絕對壓力，還要知道當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ缓笸ㄟ^上述公式進行計算。如果大氣壓力發(fā)生變化，即使工質(zhì)的絕對壓力不變，測壓計的對數(shù)也會變，所以只有絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù)。 注：工程計算中，必須選取絕對壓力5壓力的單位： 國際單位制中壓力的單位: Pa , 1 Pa=1 N/m2 1 MPa = 106Pa常用單位： 1 atm (標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)= 760 mmHg(毫米汞柱) = 1.013105 Pa 1 mmHg =

8、133.3 Pa 1 at(工程大氣壓)=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa.比體積和密度 比體積：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的體積，用 v 表示。式中 V體積 ； m質(zhì)量。 比體積是表示物質(zhì)內(nèi)部分子疏密程度的狀態(tài)參數(shù)。比體積大，物質(zhì)內(nèi)部分子間的距離大比體積的倒數(shù)為密度1.1.3 平衡狀態(tài)及其狀態(tài)方程1、定義：在不受外界影響的條件下（重力場除外） ，如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。溫差 熱不平衡勢 壓差 力不平衡勢 化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)不平衡勢平衡的本質(zhì)：不存在不平衡勢平衡與穩(wěn)定穩(wěn)定：參數(shù)不隨時間變化穩(wěn)定但存在不平衡勢差去掉外界影響，則狀態(tài)變化若以（熱源+銅棒+冷源

9、）為系統(tǒng)，又如何？穩(wěn)定不一定平衡，但平衡一定穩(wěn)定平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，單相平衡態(tài)則一定是均勻的。為什么引入平衡概念？6如果系統(tǒng)平衡，可用一組確切的參數(shù)（壓力、溫度）描述，但平衡狀態(tài)是死態(tài)，沒有能量交換.狀態(tài)方程、坐標(biāo)圖平衡狀態(tài)可用一組狀態(tài)參數(shù)描述其狀態(tài)狀態(tài)公理：對組元一定的閉口系，獨立狀態(tài)參數(shù)個數(shù) N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態(tài)參數(shù)？狀態(tài)公理：閉口系：不平衡勢差 狀態(tài)變化 能量傳遞 獨立參數(shù)數(shù)目 N=不平衡勢差數(shù) =能量轉(zhuǎn)換方式的數(shù)目 =各種功的方式+熱量= n+1n 容積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等狀態(tài)方程簡單可壓縮系統(tǒng)：N = n + 1

10、 = 2絕熱簡單可壓縮系統(tǒng) N = ?狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)（p,v,T)之間的關(guān)系狀態(tài)方程的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)坐標(biāo)圖簡單可壓縮系 N=2，平面坐標(biāo)圖1）系統(tǒng)任何平衡態(tài)可 表示在坐標(biāo)圖上2）過程線中任意一點為平衡態(tài)3）不平衡態(tài)無法在圖上用實線表示常見 p-v 圖和 T-s 圖1.1.4 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體理想氣體是一種經(jīng)過科學(xué)抽象的假想氣體模型。假設(shè)：氣體分子是一些彈性的質(zhì)點，分子體積與氣體的總體積相比可以忽略不計； 分子相互之間沒有作用力（引力和斥力） 。實際氣體實際氣體氣體所處的壓力很高，溫度很低，或者是剛剛脫離液態(tài)，此時它具有很高的密度，以至于分子本身的體積和分子之間的相互作

11、用力均不能忽略的氣體。例如，鍋爐中產(chǎn)生的水蒸氣，制冷劑蒸氣，石油氣等都屬于實際氣體。理想氣體是實際存在的氣體當(dāng) p0，0 時的極限氣體模型。 7比如空氣，煙氣中的水蒸氣，因其含量少，比體積大，均可當(dāng)理想氣體看待。二、二、 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程（克拉貝龍方程） 理想氣體的三個基本狀態(tài)參數(shù)之間存在的一定的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)理想氣體處于任一平衡狀態(tài)時，三個基本狀態(tài)參數(shù)之間滿足: pv = R TgRg 氣體常數(shù)，單位為 J/(kgK)，其數(shù)值取決于氣體的種類，與氣體狀態(tài)無關(guān)。 對于質(zhì)量為 mkg 的理想氣體，有 pV = mR T g 【補充知識點補充知識點】物質(zhì)的量：物質(zhì)的量：n ，單位：，

12、單位： mol（摩爾）（摩爾） 。物物質(zhì)質(zhì)的的量量是表示物質(zhì)所含微粒數(shù) (N)（如：分子，原子等）與 阿阿伏伏加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)(NA)之比,即 n=N/NA。它是把微觀粒子與宏觀可稱量物質(zhì)聯(lián)系起來的一種物理量。 阿阿伏伏加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)：0.012kg12C 中所含的原子數(shù)目。阿伏加德羅常數(shù)的符號為 NA。阿伏加德羅常數(shù)的近似值為： 6.02310/mol。1mol 任何物質(zhì)所含的粒子數(shù)均為阿伏加23德羅常數(shù)個。摩爾質(zhì)量：摩爾質(zhì)量： M ，1 mol 物質(zhì)的質(zhì)量，物質(zhì)的質(zhì)量，kg/mol。 定義：單位物質(zhì)的量的物質(zhì)所具有的質(zhì)量 (1mol 物質(zhì)的質(zhì)量）叫摩摩爾爾質(zhì)質(zhì)量量，即 1mol

13、該物質(zhì)所具有的質(zhì)量與摩爾質(zhì)量的數(shù)值等同 。 物物質(zhì)質(zhì)的的量量（n） 、質(zhì)質(zhì)量量（m） 、摩摩爾爾質(zhì)質(zhì)量量（M）之之間間的的關(guān)關(guān)系系為為：n=m/M 1kmol 物質(zhì)的質(zhì)量在數(shù)值上等于該物質(zhì)的相對分子質(zhì)量。摩爾體積：摩爾體積： Vm ，1 mol 物質(zhì)的體積，物質(zhì)的體積， m /mol。 3 pv = R T pV= MR T gmg若令 RMRg ， n = ， 則有 pV = nRT mVVR摩爾氣體常數(shù)（又稱為通用氣體常數(shù)摩爾氣體常數(shù)（又稱為通用氣體常數(shù)), J/(mol K)。根據(jù)阿佛伽德羅定律，同溫、同壓下任何氣體的摩爾體積 Vm 都相等，所8以任何氣體的摩爾氣體常數(shù) R 都等于常數(shù)，

14、并且與氣體所處的具體狀態(tài)無關(guān)。已知在物理標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(壓力為 101325Pa，溫度為 273.15K)下，1kmol 任何氣體所占有的體積為 22.41410 m 。故有 R=8.314J/(molK) 3例例 4-1 氧氣瓶內(nèi)裝有氧氣，其體積為 0.025m3，壓力表讀數(shù)為 0.5MPa，若環(huán)境溫度為 20，當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?0.1 MPa，求：（1）氧氣的比體積；（2）氧氣的物質(zhì)的量。解：（1）瓶中氧氣的絕對壓力為 p（0.50.1）1060.6106（Pa） 氣體的熱力學(xué)溫度為 T273.1520293.15 （K） 氣體常數(shù)為 R =259.8 J/（kgK）gMR3-10328.314

15、 根據(jù)公式（3-1）得氧氣的比體積為 V=0.127 （m /kg） pTRg6106 . 015.2938 .2593（2）根據(jù)公式（3-4）得氧氣物質(zhì)的量為 N= 0.610 = 6.154（mol）RTpV15.293314. 8025. 0106 . 066難重點難重點 1、什么是平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程。2、理想氣體的假設(shè)條件是什么？3、理想氣體的狀態(tài)方程的各種表達(dá)形式？4、什么是物質(zhì)的量，摩爾質(zhì)量，摩爾體積？91.21.2 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律能量守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用，確定了熱能和機械能之間相互轉(zhuǎn)換時的數(shù)量關(guān)系，從能量“量”的方面揭示了能量轉(zhuǎn)換的基

16、本規(guī)律。 本章以熱力學(xué)第一定律為理論基礎(chǔ)，建立閉口系統(tǒng)和穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)的能量方程，即熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為熱力過程計算奠定理論基礎(chǔ)。 本章的主要內(nèi)容：本章的主要內(nèi)容：理解準(zhǔn)平衡過程，掌握可逆過程。掌握能量、熱力系統(tǒng)儲存能、熱力學(xué)能、熱量和功量的概念，理解熱 量和功量是過程量而非狀態(tài)參數(shù)。掌握體積變化功、軸功、流動功和技術(shù)功的概念、計算及它們之間的 關(guān)系。理解焓的定義式及其物理意義。熟練使用 p-v 圖和 T-s 圖，能在圖上標(biāo)出狀態(tài)、過程和循環(huán)。理解熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)能量守恒定律。掌握封閉熱力系的能量方程，能熟練運用能量方程對封閉熱力系進行 能量交換的分析和計算。掌握開口熱力系的穩(wěn)

17、定流動能量方程，能熟練運用穩(wěn)定流動能量方程 對簡單的工程問題進行能量交換的分析和計算。了解常用熱工設(shè)備主要交換的能量及穩(wěn)定流動能量方程的簡化形式。本章的重點：本章的重點：理解熱力過程中能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，針對封閉系統(tǒng)、穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)會運用熱力學(xué)第一定律分析計算能量轉(zhuǎn)換問題。本章難點：本章難點：1、對體積變化功、軸功、流動功和技術(shù)功的概念、焓、熵的定義、計算及它們之間的關(guān)系理解起來會有一定的難度。102、熟練運用熱力第一定律的表達(dá)式能量方程對實際工程問題進行能量交換的分析和計算需要一定的技巧，有一定的難度，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強練習(xí)。3、比熱容的種類較多，理解起來有一定的難度。應(yīng)注意各種比熱容的區(qū)別

18、與聯(lián)系。在利用比熱容計算過程熱量及熱力學(xué)能和焓的變化量時應(yīng)注意選取正確的比熱容，不要相互混淆，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強練習(xí)。1.2.1.1 準(zhǔn)平衡過程與可逆過程準(zhǔn)平衡過程與可逆過程首先要知道什么是首先要知道什么是“熱力過程熱力過程” 系統(tǒng)從一個狀態(tài)到達(dá)另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)變化稱為熱力過程，簡稱過程。區(qū)別“過程與狀態(tài)” ，即引入“準(zhǔn)平衡過程”的原因。系統(tǒng)狀態(tài)的改變意味著本身的平衡態(tài)被破壞，而實際的熱力過程也正是由于各處溫度、壓力或密度的不平衡引起的。當(dāng)引起變化的不平衡勢差消失后，過程結(jié)束，系統(tǒng)又恢復(fù)到平衡狀態(tài)。熱力過程所經(jīng)歷的中間狀態(tài)是不平衡狀態(tài)，過程進行得愈快，系統(tǒng)就越偏離平衡狀態(tài)。這樣的過

19、程非常復(fù)雜，討論起來很困難，為了簡化問題，我們引入準(zhǔn)平衡過程的概念。一切實際熱力過程都是熱力系與外界之間不平衡勢差作用的結(jié)果。1. 準(zhǔn)平衡過程準(zhǔn)平衡過程 假設(shè)系統(tǒng)在熱力過程中所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都無限地接近平衡狀態(tài)，這種過程稱為準(zhǔn)平衡過程，或準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)平衡過程是一種理想過程。在系統(tǒng)內(nèi)外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）較小、過程進行得足夠緩慢的情況下，可以將實際過程近似地看作準(zhǔn)平衡過程。準(zhǔn)平衡過程可在參數(shù)坐標(biāo)圖上近似地用連續(xù)的實線表示。 熱力學(xué)中所研究的熱力過程，一般都指準(zhǔn)平衡過程。如果系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被破壞后能不斷恢復(fù)平衡狀態(tài)，這一過程所需的時間即馳豫時間相對于整個過程來講又非常短，也就是說系

20、統(tǒng)只有很短的時間偏離平衡狀態(tài)，那么，這個過程就可以作為準(zhǔn)平衡過程。112. 可逆過程可逆過程如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后,再沿原來路徑反向進行時,能使系統(tǒng)和外界都返回原來狀態(tài)而不留下任何變化，則這一過程稱為可逆過程。反之,則稱為不可逆過程。 舉例：取汽缸中的工質(zhì)為系統(tǒng)。工質(zhì)自熱源吸熱，同時進行絕熱膨脹而對外做功，忽略系統(tǒng)內(nèi)部的工質(zhì)內(nèi)摩擦、設(shè)備各部分的機械摩擦損失，系統(tǒng)所做的功全部用來推動飛輪，以動能的形式儲存在飛輪中。如果過程沿原路反向進行，以飛輪儲存的動能來推動活塞壓縮工質(zhì)，使其回到原來位置，則系統(tǒng)向熱源所放出的熱量正好等于系統(tǒng)在膨脹過程中從熱源所吸收的熱量。這就是可逆過程。實際過程都是不可逆

21、過程，如傳熱、混合、擴散、滲透、溶解、燃燒、電加熱等?？赡孢^程是一個理想過程?？赡孢^程的條件： 準(zhǔn)平衡過程無耗散效應(yīng)區(qū)別“準(zhǔn)平衡過程”和“可逆過程” 。 1.2.1.2 系統(tǒng)總儲存能系統(tǒng)總儲存能【熱力系統(tǒng)儲存能熱力系統(tǒng)儲存能】1、定義：、定義：儲存于熱力系統(tǒng)的能量。符號：E ，單位為 J 或 kJ 。2、分類：、分類： 熱力學(xué)能（內(nèi)部儲存能）：取決于系統(tǒng)本身的熱力狀態(tài)的能量。 外部儲存能：系統(tǒng)的宏觀動能和重力位能。下面我們分別學(xué)習(xí)這兩種能量。熱力學(xué)能熱力學(xué)能指組成物質(zhì)的微觀粒子本身所具有的能量。它包括兩部分：一是分子熱運動的動能，稱為內(nèi)動能；二是分子之間由于12相互作用力而具有的位能，稱為內(nèi)位

22、能。 A、符號：U , 單位為 J 或或 kJ 。B、單位質(zhì)量工質(zhì)的熱力學(xué)能稱為比熱力學(xué)能比熱力學(xué)能。符號：u；單位：J/kg 或或kJ/kg。C、函數(shù)表達(dá)式：u = f ( T , v ) 。說明熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù) T 和 v 的函數(shù)，則熱力學(xué)能也是狀態(tài)參數(shù)。熱力學(xué)能與狀態(tài)有一一對應(yīng)的關(guān)系。 D、熱力學(xué)能取決于工質(zhì)的溫度和比體積。 E、對于理想氣體，熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，有 u = f ( T ) 。 外部儲存能外部儲存能包括宏觀動能 E 和重力位能 E ，單位為 J 或 kJ 。其中：kpE = E = mgzk22mcp【得出結(jié)論得出結(jié)論】 E=U+ E + E =U+ mgzkp2

23、2mc比總儲存能 e ，單位為 J/kg 或 kJ /kg。 e=u+e +e =u+c +gzkp212難重點難重點1、區(qū)分可逆過程和準(zhǔn)平衡過程；2、系統(tǒng)儲存能包括及部分，各是什么，表示符號和表達(dá)式是什么？系統(tǒng)總儲存能分子動能（移動、轉(zhuǎn)動、振動）分子位能（相互作用）一、熱力學(xué)能13熱力學(xué)能是狀態(tài)量 U : 廣延參數(shù) kJ u : 比參數(shù) kJ/kg 熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能零點人為定說對理想氣體 u=f (T) 二、外儲存能 系統(tǒng)工質(zhì)與外力場的相互作用 所具有的能量如：重力位能以外界為參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運動所具有的能量 如：宏觀動能 組成系統(tǒng)總能 外部儲存能 宏觀動能 Ek= mc2

24、/2宏觀位能 Ep= mgz機械能系統(tǒng)總能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般與系統(tǒng)同坐標(biāo)，常用 U, dU, u, du1.2.1.3 系統(tǒng)與外界傳遞的能量系統(tǒng)與外界交換的能量的三種方式：1.功量2.熱量3.工質(zhì)通過邊界時所攜帶的能量一、熱量 單位：kJ 或 kcal 且 l kcal=4.1868kJ定義：在溫差作用下,系統(tǒng)與外界通過界面?zhèn)鬟f的能量。特點:是傳遞過程中能量的一種形式，與熱力過程有關(guān)系統(tǒng)吸熱熱量為正，系統(tǒng)放熱熱量為負(fù)熱量的計算和 T-s 圖： 單位工質(zhì)：熵（S）：狀態(tài)參數(shù)，是可逆過程有無熱量傳遞的標(biāo)志性參數(shù)。單位質(zhì)量物質(zhì)的熵稱為比熵，用 s 表示。

25、比熵增大,系統(tǒng)吸熱；比熵減小，系統(tǒng)放熱。二、功量除溫差以外的其它不平衡勢差所引起的系統(tǒng)與外界傳遞的能量.21TdSQ21Tdsq141膨脹功 W：2 軸功 W:在力差作用下，通過系統(tǒng)容積變化與外界傳遞的能量。規(guī)定: 系統(tǒng)對外作功為正，外界對系統(tǒng)作功為負(fù)。通過軸系統(tǒng)與外界傳遞的機械功單位：l J=l Nm膨脹功是熱變功的源泉剛性閉口系統(tǒng)軸功不可能為正，軸功來源于能量轉(zhuǎn)換功的計算：可逆過程的比容變化功 w 的大小可以在 p-v 圖上 用過程曲線下面的面積表示，如圖所示。單位質(zhì)量氣體的膨脹功為： 三、隨物質(zhì)傳遞的能量1 流動工質(zhì) 本身具有的能量2 流動功(或推動功)為推動流體通過控制體界面而傳遞的機

26、械功.推動 1kg 工質(zhì)進、出控制體時需功注意: 取決于控制體進出口界面工質(zhì)的熱力狀態(tài)由泵風(fēng)機等提供四、焓 焓=內(nèi)能+流動功 焓的物理意義：.對流動工質(zhì)(開口系統(tǒng))，表示沿流動方向傳遞的總能量中，取決于熱力狀態(tài)的那部分能量.2121pdvwmgzmcUE2211122vpvpwf15思考：特別的對理想氣體 h= f (T) .對不流動工質(zhì)(閉口系統(tǒng))，焓只是一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)1.2.2 熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律的實質(zhì) 熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用，確定了熱能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系。 熱力學(xué)第一定律：熱能和機械能在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換的過程中，能量的總量必定守恒。 第

27、一類永動機：不消耗能量而連續(xù)作功的設(shè)備二、熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式1、閉口系能量方程式輸入系統(tǒng)的能量-輸出系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)總儲存能量的變化能量平衡關(guān)系式：閉口系：系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換，傳遞能量只有熱量和功量兩種形式。在熱力過程中（如圖）系統(tǒng)從外界熱源取得熱量 Q；對外界做膨脹功 W；對于不做整體移動的閉口系，系統(tǒng)宏觀動能和位能均無變化，有：對于微元過程，有：對于單位質(zhì)量工質(zhì)，有：各項正負(fù)號的規(guī)定：吸熱和對外作功為正， 放熱和外界對系統(tǒng)作功為負(fù)2、開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程） 、穩(wěn)定流動的能量方程每截面狀態(tài)不變穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動能量方程的推導(dǎo)穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動能量方程的推導(dǎo)1kg 工質(zhì)W

28、UQWdUQwduqwuq,swzgchq22116穩(wěn)定流動能量方程適用條件：任何流動工質(zhì)任何穩(wěn)定流動過程軸功：通過機械軸和外界交換的功稱為軸功，用 Ws 表示。在上式中，后三項實際上都屬于機械能，故把此三項合并在一起稱技術(shù)功（Wt） 。 單位質(zhì)量工質(zhì)： 故開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程還可以寫為： 可逆過程技術(shù)功的大小可以在 p-v 圖上用過程線以左和縱坐標(biāo)圍成的面積表示。幾種功的關(guān)系做功的根源準(zhǔn)靜態(tài)下的技術(shù)功準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術(shù)功在示功圖上的表示四、穩(wěn)定流動能量的應(yīng)用.動力機.壓氣機.熱交換器.噴管.節(jié)流裝置1.3 理想氣體的熱力過程理想氣體的熱力過程教學(xué)重點：理想

29、氣體主要熱力過程的分析和計算教學(xué)建議：在本章教學(xué)中，對每一基本熱力過程應(yīng)側(cè)重從過程方程、過程曲線、初終狀態(tài)關(guān)系、功量、熱量及內(nèi)能變化幾個方面分析作業(yè)要求：使用理想氣體基本熱力方程式進行相關(guān)的計算。熱力過程分析的目的與方法熱力過程分析的目的與方法1.分析熱力過程的目的：提高熱力學(xué)過程的熱功轉(zhuǎn)換效率熱力學(xué)過程受外部條件影響 twhqstwzgcw22117主要研究外部條件對熱功轉(zhuǎn)換的影響利用外部條件, 合理安排過程，形成最佳循環(huán)對已確定的過程，進行熱力計算2.研究熱力學(xué)過程的對象與方法對象方法研究熱力學(xué)過程的依據(jù)研究熱力學(xué)過程的步驟1) 確定過程方程-該過程中參數(shù)變化關(guān)系5) 計算 w , wt

30、, q3) 用 T - s 與 p - v 圖表示2) 根據(jù)已知參數(shù)及過程方程求未知參數(shù) 第一節(jié) 理想氣體基本熱力過程一、 理想氣體的定容過程 (isometric process)過程方程理想氣體 v 的參數(shù)關(guān)系 v=定值理想氣體 v 的熱量和功作為簡單可壓縮物質(zhì)，對于氣體的可逆定容過程，其過程功根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有所有氣體定容過程的熱量等于工質(zhì)的熱力學(xué)能增量理想氣體 v 的熱量和功（二）綜合以上兩式，有注：此式對實際氣體僅適用于定容過程對理想氣體，適用于理想氣體的任何過程因為理想氣體熱力學(xué)能僅為溫度的函數(shù)對有限定容過程，有（比熱容為定值）理想氣體 v 的過程曲線曲線為正斜率凹向上曲線,且

31、斜率隨 T 上升而增大二、 理想氣體的定壓過程過程方程（isobaric process）理想氣體 P 的參數(shù)關(guān)系00vvdwpdvwvvdqduc dTdTcduv181.理想氣體 P 的熱量和功（一）對于可逆定壓過程的技術(shù)功，則有可逆定壓過程中系統(tǒng)不作技術(shù)功2.理想氣體 P 的熱量和功（二）根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有所有氣體可逆定壓過程的熱量等于工質(zhì)的焓增量對有限定壓過程所有氣體比熱容為定值理想氣體 P 的過程曲線曲線為正斜率凹向上曲線,且斜率隨 T 上升而增大相同溫度下顯然，過同一點（溫度相同）的定容線斜率大于定壓線斜率三、 理想氣體的定溫過程（isothermal process）過程方程

32、對理想氣體，有理想氣體 T 的參數(shù)關(guān)系定溫過程中理想氣體的壓力與其比體積成反比。理想氣體的定溫過程即定熱力學(xué)能過程和定焓過程理想氣體 T 的熱量和功對理想氣體，定溫過程即定熱力學(xué)能過程，由熱力學(xué)第一定律，有根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有對有限過程理想氣體 T 的過程曲線理想氣體的定溫過程應(yīng)為等腰雙曲線在 Pv 圖上定溫線有負(fù)的斜率且根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程不難推知，離坐標(biāo)原點愈遠(yuǎn)的定溫線其溫度值愈高四、 理想氣體的絕熱過程（等熵過程）（adiabatic process，or isentropic process）說明: (1) 不能說絕熱過程就是等熵過程,必須是可逆絕熱過程才是等熵過程。 (2) 不僅

33、s 處處相等 絕熱可逆三個條件: 0 vdPdwt21pPqhc dT constTdT 0constPv 19 (1)理想氣體 (2)可逆過程 (3) k 為常數(shù)理想氣體 s 的過程方程二、多變過程理想氣體的多變過程 (Polytropic process)過程方程n 是常量，每一過程有一 n 值初終態(tài)關(guān)系 n理想氣體 n u, h, s,的計算內(nèi)能變化焓變化熵變化 狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關(guān)理想氣體 n w,wt ,q 的計算多變過程比熱容(1) 當(dāng) n = 0 (2) 當(dāng) n = 1多變過程與基本過程的關(guān)系(3) 當(dāng) n = k (4) 當(dāng) n = 基本過程是多變過程的特例基本過程的計算是

34、我們的基礎(chǔ)，要非常清楚，非常熟悉?；疽螅耗脕砭蜁銋⒁姇媳? 公式匯總理想氣體基本過程的計算斜率理想氣體基本過程的 p-v,T-s 圖三、活塞式壓氣機的壓縮過程分析壓氣機的作用生活中：自行車打氣。工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、制冷空調(diào)等等constpvnvuc dT phc dT 22v112222ppv1111lnlnggvdTscRTvpdTdvdpcRccTpvp 20理論壓氣功(可逆過程)目的：研究耗功，越少越好活塞式壓氣機的壓氣過程技術(shù)功 wt(1)、特別快，來不及換熱。(2)、特別慢，熱全散走。(3)、實際壓氣過程是 可能的壓氣過程三種壓氣過程的參數(shù)關(guān)系三種壓氣過程功的計算四 、小結(jié)1、

35、理想氣體各種可逆過程的特性， 參數(shù)變化，功，熱的計算。2、p-v 圖，T-s 圖上的表示3、壓氣機熱力過程的分析方法 1.4 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律教學(xué)重點教學(xué)重點：循環(huán)、可逆循環(huán)、熵、熱圖力學(xué)第二定律、卡諾定理及熵增原理教學(xué)建議：教學(xué)建議：根據(jù)本專業(yè)特點，在教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)反復(fù)強調(diào)逆循環(huán)及工作系數(shù)的概念，應(yīng)注意引用實例說明“過程進行的方向性與不可逆性”概念。作業(yè)要求：作業(yè)要求：使用卡諾定理及孤立系統(tǒng)熵增原理進行相關(guān)的計算。本章知識點本章知識點理解熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)，卡諾循環(huán)，卡諾定理，孤立系統(tǒng)熵增原理，深刻理解熵的定義式及其物理意義。熟練應(yīng)用熵方程，計算任意過程熵的變化，以及作功能力損失

36、的計算，本章重點（1）l深入理解熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)，它的必要性。它揭示的是什么樣的規(guī)律；它的作用。2深入理解熵參數(shù)。為什么要引入熵。是在什么基礎(chǔ)上引出的。怎樣引出的。它有什么特點。3系統(tǒng)熵變的構(gòu)成，熵產(chǎn)的意義，熟練地掌握熵變的計算方法。本章重點（2）214深入理解熵增原理,并掌握其應(yīng)用。5深入理解能量的可用性，掌握作功能力損失的計算方法1.4.1 熱力循環(huán)熱力循環(huán)要實現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義： 熱力系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。不可逆循環(huán)分類：可逆和不可逆過程循環(huán)：可逆循環(huán)和正循環(huán)凈效應(yīng)：對外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)：順時針方向逆循環(huán)凈效應(yīng)：對內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱

37、逆循環(huán)：逆時針方向熱力循環(huán)的評價指標(biāo)正循環(huán)：凈效應(yīng)（對外作功，吸熱）動力循環(huán)：熱效率熱力循環(huán)的評價指標(biāo)逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）制冷循環(huán)：制冷系數(shù)熱力循環(huán)的評價指標(biāo)逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對內(nèi)作功，放熱）制熱循環(huán)：制熱系數(shù)熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律：能量之間數(shù)量的關(guān)系能量守恒與轉(zhuǎn)換定律熱力學(xué)第二定律：熱力學(xué)第二定律：所有滿足能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的過程是否都能自發(fā)進行自發(fā)過程的方向性自發(fā)過程：不需要任何外界作用而自動進行的過程。22自然界自發(fā)過程都具有方向性舉例：熱量由高溫物體傳向低溫物體摩擦生熱 水自動地由高處向低處流動 電流自動地由高電勢流向低電勢自發(fā)過程的方向性功量自發(fā)過程具有方向性、條件

38、、限度摩擦生熱 熱量 100% 熱量 發(fā)電廠 功量 40%熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)能不能找出共同的規(guī)律性?能不能找到一個判據(jù)?自然界過程的方向性表現(xiàn)在不同的方面1.4.2 熱力學(xué)第二定律的表述與實質(zhì)熱力學(xué)第二定律的表述與實質(zhì)熱二律的表述有 60-70 種1851 年 開爾文普朗克表述 熱功轉(zhuǎn)換的角度1850 年 克勞修斯表述 熱量傳遞的角度開爾文普朗克表述不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。熱機不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而必須將某一部分傳給冷源。冷熱源:容量無限大，取、放熱其溫度不變 熱機：連續(xù)作功構(gòu)成循環(huán)有吸熱，有放熱但違反了熱力學(xué)第二定律熱二律與第二類

39、永動機第二類永動機：設(shè)想的從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C。這類永動機并不違反熱力學(xué)第一定律第二類永動機是不可能制造成功的克勞修斯表述不可能將熱量從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。熱量不可能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體?？照{(diào),制冷代價：耗功23兩種表述的關(guān)系開爾文普朗克表述完全等效!克勞修斯表述：違反一種表述,必違反另一種表述!1.4.3 卡諾循環(huán)與卡諾定理卡諾循環(huán)與卡諾定理法國工程師卡諾 (S. Carnot)，1824 年提出 卡諾循環(huán)熱機能達(dá)到的最高效率有多少？熱二律奠基人效率最高S. 卡諾 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832

40、）法國卡諾循環(huán)和卡諾定理,熱二律奠基人卡諾循環(huán) 理想可逆熱機循環(huán)卡諾循環(huán)示意圖4-1 絕熱壓縮過程，對內(nèi)作功1-2 定溫吸熱過程， q1 = T1(s2-s1)2-3 絕熱膨脹過程，對外作功3-4 定溫放熱過程， q2 = T2(s2-s1)卡諾循環(huán)熱機效率卡諾循環(huán)熱機效率 t,c 只取決于恒溫?zé)嵩?T1 和 T2 ， 而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)；卡諾循環(huán)熱機效率的說明 T1 t,c , T2 c ，溫差越大，t,c 越高 當(dāng) T1=T2， t,c = 0, 單熱源熱機不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c tR 只要證明 tIR = tR 反證法,假定：tIR = tR 令 Q1 = Q

41、1 則 WIR = WR 工質(zhì)循環(huán)、冷熱源均恢復(fù)原狀，外界無痕跡，只有可逆才行，與原假定矛盾。 Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0 WR卡諾定理推論二在兩個不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機，具有相同的熱效率，且與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。求證： tR1 = tR2 由卡諾定理tR1 tR2 tR2 tR1 WR2只有： tR1 = tR2 與工質(zhì)無關(guān)卡諾定理小結(jié)1、在兩個不同 T 的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切 可逆熱機 tR = tC 2、多熱源間工作的一切可逆熱機 tR 多 同溫限間工作卡諾機 tC 3、不可逆熱機tIR 同熱源間工作可逆熱機tR tIR p p = p 靠缸內(nèi)壓力將氣體擠出氣缸，

42、其中p缸內(nèi)壓力, p排氣管內(nèi)壓力。2 強制排氣階段 B p = p p p靠活塞上行將廢氣擠出氣缸。403 超臨界排氣 C 排開 p = 1.9 p在氣閥最小截面處, 氣體流速等于該地音速 m/s。其akRT流量與壓差 （p - p）無關(guān), 只決定于排氣閥開啟面積和氣體狀態(tài)。4 亞臨界排氣 D p = 1.9 p 排閉。 其流量取決于壓差 （p - p） 。（二） 進氣過程和氣門疊開角 由于節(jié)流作用, 缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；（）使新鮮介質(zhì)進入缸pp0內(nèi)。氣閥疊開角：非增壓：2060 CA。 太大（引起） 廢氣回流進氣道。 太小 掃氣作用不明顯。 增壓：110140 CA。 進氣管 p, 掃氣明顯, 氣

43、閥疊開角可以增大很多。如 6135 型高柴：非增壓：40, 增壓：124。掃氣的作用：1 清除廢氣, 增加氣缸內(nèi)的新鮮充量。2 降低排氣溫度。 3 降低熱負(fù)荷最嚴(yán)重處（如氣閥、活塞等）的溫度。413.1.2 換氣損失 理論循環(huán)換氣功與實際循環(huán)換氣功之差。 如圖：換氣損失功換氣損失功X+X+（Y+WY+W）, 其中（W+Y） 為排氣損失功，X 為進氣損失功。（一） 排氣損失功 Y W 是因排氣門提前開啟而損失的膨脹功, 稱為自由排氣損失。Y 是活塞作用在廢氣上的推出功, 稱為強制排氣損失功。 排氣提前角排氣提前角 W W ，Y Y 。 綜合效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y）有一個最佳值（W+Y）min 。對應(yīng)排氣提前角亦有一個最佳值, n n （W+YW+Y）minmin 。（二） 進氣損失功 X 進氣損失功小于排氣損失功，即 X X d進d排2 四氣門 流通面積 40%左右。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高。f1 （可達(dá) 30%）， f1vNege3 氣門升程 h h，時面值 v4 閥頂過渡圓角 R R f1v R 流動阻力 v R 應(yīng)適中。（二） 進氣管1 表面光潔度和流通面積 表面光潔度，流通面積 沿程阻力 v2 轉(zhuǎn)彎和節(jié)流阻力48 轉(zhuǎn)彎半徑 R，截