第一章-內(nèi)燃機熱力學(xué)基礎(chǔ)-2014

1、1主講人：堯命發(fā)主講人：堯命發(fā)第一章：內(nèi)燃機熱力學(xué)基礎(chǔ)與熱力循環(huán)第一章：內(nèi)燃機熱力學(xué)基礎(chǔ)與熱力循環(huán)20142014年年4 4月月天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室2本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1 1、熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述2 2、熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律4 4、混合氣混合氣5 5、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律6 6、內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)燃機熱力循環(huán)熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述 熱力學(xué)，全稱熱動力學(xué)（熱力學(xué)，全稱熱動力學(xué)（thermodynamicsthermodynamics）是研究熱現(xiàn)）是研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的

2、學(xué)科；它著重研究物質(zhì)的象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科；它著重研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)以及與準(zhǔn)平衡態(tài)的物理、化學(xué)過程。熱力學(xué)定義平衡狀態(tài)以及與準(zhǔn)平衡態(tài)的物理、化學(xué)過程。熱力學(xué)定義許多許多宏觀宏觀的變量（的變量（溫度溫度、內(nèi)能內(nèi)能、熵熵、壓強壓強等），描述各變等），描述各變量之間的關(guān)系。熱力學(xué)描述數(shù)量非常多的微觀粒子的平均量之間的關(guān)系。熱力學(xué)描述數(shù)量非常多的微觀粒子的平均行為，其定律可以用行為，其定律可以用統(tǒng)計力學(xué)統(tǒng)計力學(xué)推導(dǎo)而得。推導(dǎo)而得。 熱力學(xué)是從熱力學(xué)是從1818世紀(jì)世紀(jì)末期發(fā)展起來的理論，主要是研究末期發(fā)展起來的理論，主要是研究功功與與熱量熱量之間的能量轉(zhuǎn)換；在此功定義為之間的能量轉(zhuǎn)換；在此

3、功定義為力力與與位移位移的的內(nèi)積內(nèi)積；而熱則定義為在熱力系統(tǒng)邊界中，由而熱則定義為在熱力系統(tǒng)邊界中，由溫度溫度之差所造成的之差所造成的能能量量傳遞。兩者都不是存在于熱力系統(tǒng)內(nèi)的性質(zhì)，而是在熱傳遞。兩者都不是存在于熱力系統(tǒng)內(nèi)的性質(zhì)，而是在熱力過程中所產(chǎn)生的。力過程中所產(chǎn)生的。 經(jīng)典卡諾熱機經(jīng)典卡諾熱機: :3熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述 熱力學(xué)的研究一開始是為了提升熱力學(xué)的研究一開始是為了提升蒸汽引擎蒸汽引擎的的效率效率，早期，早期尼尼古拉古拉 卡諾卡諾有許多的貢獻(xiàn)，他認(rèn)為若引擎效率提升，法國有許多的貢獻(xiàn)，他認(rèn)為若引擎效率提升，法國是有可能贏得是有可能贏得拿破侖戰(zhàn)爭拿破侖戰(zhàn)爭。英國科學(xué)家。英國科學(xué)家開爾

4、文開爾文在在18541854年年首次提出了熱力學(xué)明確的定義首次提出了熱力學(xué)明確的定義“ “熱力學(xué)是一門描述熱和物熱力學(xué)是一門描述熱和物體中各部份之間作用力的關(guān)系，以及描述熱和電器之間關(guān)體中各部份之間作用力的關(guān)系，以及描述熱和電器之間關(guān)系的學(xué)科系的學(xué)科” ”。4 一開始熱力學(xué)研究關(guān)注在一開始熱力學(xué)研究關(guān)注在熱機熱機中中工質(zhì)工質(zhì)的的熱力學(xué)性質(zhì)，后來延伸到熱力學(xué)性質(zhì)，后來延伸到化學(xué)過程化學(xué)過程中的中的能量轉(zhuǎn)移。能量轉(zhuǎn)移?；瘜W(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)中研究中研究熵熵對對化學(xué)化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)的影響。的影響。 統(tǒng)計熱力學(xué)也稱為統(tǒng)計熱力學(xué)也稱為統(tǒng)計力統(tǒng)計力學(xué)學(xué)，利用根據(jù)微觀粒子力學(xué)性質(zhì)的，利用根據(jù)微觀粒子力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計

5、統(tǒng)計學(xué)學(xué)預(yù)測來解釋宏觀的熱力學(xué)性質(zhì)。預(yù)測來解釋宏觀的熱力學(xué)性質(zhì)。 熱力學(xué)最基礎(chǔ)的概念是熱力學(xué)最基礎(chǔ)的概念是系統(tǒng)系統(tǒng)和和環(huán)境環(huán)境。一。一個熱力學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境是與之相互作用的個熱力學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境是與之相互作用的其他熱力學(xué)系統(tǒng)。其他熱力學(xué)系統(tǒng)。熱力學(xué)系統(tǒng)分類熱力學(xué)系統(tǒng)分類 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)完全不與外界交換能量或質(zhì)量。：系統(tǒng)完全不與外界交換能量或質(zhì)量。 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)：系統(tǒng)只與外界交換能量而不交換質(zhì)量：系統(tǒng)只與外界交換能量而不交換質(zhì)量 若系統(tǒng)不允許外界交換熱，只能有功的交換，稱為絕若系統(tǒng)不允許外界交換熱，只能有功的交換，稱為絕熱封閉系統(tǒng)或熱封閉系統(tǒng)或熱孤立系統(tǒng)熱孤立系統(tǒng) 若系統(tǒng)不允許外界交換功，只

6、能有能的交換，稱為若系統(tǒng)不允許外界交換功，只能有能的交換，稱為AdynamicallyAdynamically封閉系統(tǒng)，也稱作封閉系統(tǒng)，也稱作力學(xué)孤立系統(tǒng)力學(xué)孤立系統(tǒng) 開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界交換能量和質(zhì)量。：系統(tǒng)與外界交換能量和質(zhì)量。56本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1 1、熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述2 2、熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律4 4、混合氣混合氣5 5、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律6 6、內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)燃機熱力循環(huán)熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律：在不受外界影響的情況：在不受外界影響的情況下，只要下，只要A A和和

7、B B同時與同時與C C處于熱平衡，即使處于熱平衡，即使A A和和B B沒有熱接觸，他們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅顟B(tài)沒有熱接觸，他們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅顟B(tài)。這個定律說明，互相處于熱平衡的物體。這個定律說明，互相處于熱平衡的物體之間必然具有相等的溫度。之間必然具有相等的溫度。 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律能量守恒定律對非對非孤立孤立系統(tǒng)系統(tǒng)的擴展。此時能量可以以的擴展。此時能量可以以功功WW或或熱量熱量Q Q的形式傳入或傳出系統(tǒng)。熱力學(xué)第一定律的形式傳入或傳出系統(tǒng)。熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：表達(dá)式為：7熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律：孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)熵熵( (失序失序)

8、 )不會減少不會減少簡言之，熱不能自發(fā)的從冷處轉(zhuǎn)到熱處，而簡言之，熱不能自發(fā)的從冷處轉(zhuǎn)到熱處，而不引起其他變化。任何高溫的物體在不受熱的情不引起其他變化。任何高溫的物體在不受熱的情況下，都會逐漸冷卻。這條定律說明第二類況下，都會逐漸冷卻。這條定律說明第二類永動永動機機不可能制造成功。熱力學(xué)第二定律也可表示為不可能制造成功。熱力學(xué)第二定律也可表示為熵增原理：熵增原理： 。 熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律：所有完美結(jié)晶物質(zhì)于：所有完美結(jié)晶物質(zhì)于絕對溫度絕對溫度零度時（即攝氏零度時（即攝氏-273.15-273.15度），熵皆為零。度），熵皆為零。89本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用熱力學(xué)

9、第一定律及應(yīng)用1 1、熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述2 2、熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律4 4、混合氣混合氣5 5、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律6 6、內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)燃機熱力循環(huán)熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 描述包括熱能的能量守恒，熱能和其它形式的能描述包括熱能的能量守恒，熱能和其它形式的能量都有聯(lián)系量都有聯(lián)系 熱能作為一種能量形式，可以和其它形式能量相熱能作為一種能量形式，可以和其它形式能量相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換中能量的總量不變互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換中能量的總量不變 熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)換及守恒定律熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)換及守恒定律 內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)移遵循熱力學(xué)第一定律內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)移遵循熱力學(xué)第

10、一定律10MWQEEEE)()()(系統(tǒng)能量變化（內(nèi)能）系統(tǒng)熱量變化對外做功質(zhì)量交換引起的能量變化（焓）熱力學(xué)第一定律一般表達(dá)式MWQEEEE)()()(即，系統(tǒng)能量的變化必定等于各個作用量的能流的代數(shù)和。閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律在內(nèi)燃機熱力分析中， dUdWdQwdQdQ在內(nèi)燃機的閉口循環(huán)分析中，內(nèi)能僅是溫度和成分的函數(shù)，即： ),(iTUU pdVdW 21iipppdUpdVdQdupdvdq在單位質(zhì)量或每摩爾的系統(tǒng)中，如成分一定，則其比內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)：)(Tuu 定容比熱定義為： vvTuC對于定容過程， dTCdudqvdTdqCv)(TCCvv內(nèi)能和比熱都可用一個溫度T的多項式函

11、數(shù)形式來表達(dá)，即：0554433221uTaTaTaTaTau44332210TbTbTbTbbCv閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律-定容比熱開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律lowoutflowcvootUpsHHWWQinf)(pdVdWpdtdVpdtdWppWcvcvmuU)()(tmutUcvcv)()(TpdTCh0220ChhoutoutoutooutChdtdmdtdHH)2(2熱量熱量 流動功流動功 體積功體積功 內(nèi)能內(nèi)能 流出焓流出焓 流入焓流入焓inininoinChdtdmdtdHH)2(2ininoutoutcvsChdtdmChdtdmtmudtdVpdtdWdtdQ)2()2()(22

12、outincvdtdmdtdmdtdm對于穩(wěn)流的而且容積一定的開口系統(tǒng)，0, 0dtdVdtdmcvininoutoutsChdtdmChdtdmdtdWdtdQ)2()2(22進(jìn)進(jìn) 排氣管流動排氣管流動開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律靜焓h與內(nèi)能u有關(guān)，對于閉口系統(tǒng)dudwdq如果熱量是在定壓條件下加入的，則dhdTCdqppdVdw dupdVdhpVuhRTuhTRuhmol所以，靜焓是溫度的函數(shù) )(Thh 0554433221uTRTaTaTaTaTahmolmolpRTbTbTbTbbC44332210molvpRCC開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律-定壓比熱 開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律在內(nèi)燃機熱力分析中

13、經(jīng)常寫成： ddMhddMhddWddQddUoutoutininddQddQw進(jìn)進(jìn) 排氣門關(guān)閉缸內(nèi)過程排氣門關(guān)閉缸內(nèi)過程開口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律-缸內(nèi)過程第一定律應(yīng)用第一定律應(yīng)用:提高熱效率途徑探討提高熱效率途徑探討ExhaustHeat TransferGas ExchangeBrake PowerFriction & AccessoriesFirst-law of thermodynamics:Method to improve thermal efficiency:-Decrease heat transfer & pump lose-Utilize exhaust en

14、ergy or decrease exhaust temperature-Improve combustion efficiency (esp. HCCI, LTC, PCCI etc.Thermal efficiency is restricted by:For instance: insulation results in increasing H Effect of Gamma on efficiencyGamma is a function of Charge composition TemperatureHow to improve Gamma High density (High

15、boost) Initial thermal-state Combustion processes (products) High CRIn the real-world, high CRs have some unwanted side effectsFrom: Southwest Research Institute “Developments in High Efficiency Engine Technologies”, DEER 2012H H2 2-O-O2 2-Ar ideal engine-Ar ideal engine00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

16、135791113151719compression ratio, CRideal engine efficiency111CRefficiencyengine =1.67 =1.3 =1.4gasolineenginesdieselH2-O2-Arengines = cp/cv, specific heat ratioEfficiency CRDilute by air and/or EGRAir: improve Gamma and decrease temperatureEGR: decrease Gamma and decrease temperatureDilution limite

17、d by combustion efficiency P=150，EGR= 5 %P=200，EGR=28%P=250，EGR=48%AdiabaticAdiabaticconvection=0.2, radiation=1convection=0.2, radiation=1Reduce the heat transferImprove the level pressure & temperature in the cylinder & combustion efficiency. However, it requires careful management of both

18、 combustion and heat transfer processesCR=16 Pin=1.3bar without EGR =1 Indicated Efficiency: Gross(360)With the decrease of Heat transfer, efficiency improves while the energy lost in exhaust increased which is beneficial for the energy recovery. Compression ratio & heat transfer The best compre

19、ssion ratio is related to engine work condition, such as air/fuel ratio, dilution(boost), heat transfer Except mechanical restriction, it is meaningless to improve efficiency by ultra-high compression ratioBoost=1.3bar without EGR （=1 ）Boost=2bar without EGR （=0.67） Free piston result from StanfordH

20、eat release phaseCharacteristics of thermodynamic cycle is controlled by heat release phase:Small load mode: constant-volume combustionHigh load mode: constant-pressure combustion-Increase combustion rate-Increase combustion efficiency-High compression ratio/low expansion ratioConstant volumeConstan

21、t pressureMixing cycle-Restricted by high cylinder pressure-Decrease combustion rate-Low compression ratio / High expansion ratioVariable thermodynamic cycle-Controllable combustion process?Constant volumeMixing cycleConstant pressure limited-pressureCA50C90-CA10Heat release rateHeat release phaseHe

22、at release phase=0.57CA50=10CA90-CA10=26 Controlling heat release phase is restricted by the highest pressure For a real vehicle engine, it is very difficult that efficiency reach above 50% 26本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1 1、熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述2 2、熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律4 4、混合氣混合氣5 5、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律6 6、內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)

23、燃機熱力循環(huán)混合氣混合氣 在內(nèi)燃機工作過程計算中通常把混合氣看成由理在內(nèi)燃機工作過程計算中通常把混合氣看成由理想氣體組成的，并且服從以下條件：想氣體組成的，并且服從以下條件： （1 1）混合氣在總體上符合氣體狀態(tài)方程。）混合氣在總體上符合氣體狀態(tài)方程。 （2 2）混合氣的總壓力等于各種氣體成分的分壓力）混合氣的總壓力等于各種氣體成分的分壓力之總和。此分壓力是在同樣溫度條件下，各種氣之總和。此分壓力是在同樣溫度條件下，各種氣體成分單獨充滿混合氣全部分容積時所產(chǎn)生的壓體成分單獨充滿混合氣全部分容積時所產(chǎn)生的壓力。力?；旌蠚獾膬?nèi)能、焓和熵，分別等于各氣體成分在混合氣的內(nèi)能、焓和熵，分別等于各氣體成分

24、在相同溫度條件下單獨充滿混合氣全部容積時的內(nèi)相同溫度條件下單獨充滿混合氣全部容積時的內(nèi)能、焓和熵之總和。能、焓和熵之總和。 假設(shè)三種氣全A、B和C所組成的混合氣，在溫度T時的容積為V，則將摩你分?jǐn)?shù)定義為： MMxMMxMMxccbbaa,式中總摩爾數(shù)為cbaMMMM第i種氣體Pi的分壓力定義為： pxpii對于氣體A、B和C的組成的混合氣則有cbapppppTMRxpTRMvmolimolii混合氣混合氣 混合氣混合氣29Vvvii100% pvpii100%ccbbaauxuxuxuiiuxuiihxh30本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1 1、熱力學(xué)概述熱力

25、學(xué)概述2 2、熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律4 4、混合氣混合氣5 5、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律6 6、內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)燃機熱力循環(huán)7 7、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律311.比內(nèi)能和比焓的定義 比內(nèi)能的定義為：)(0Teee而將比焓定義為： )(0Thhhe0, h0只與物質(zhì)成分有關(guān)。當(dāng)無化學(xué)反應(yīng)時，無物質(zhì)成分變化時， e0, h0保持不變。 當(dāng)溫度21TT )()()()(102012TeeTeeTeTee無化學(xué)反應(yīng)時，內(nèi)能的變化與絕對零度的比內(nèi)能無關(guān)。顯然， e0, h0是與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的內(nèi)能、焓，在一些教科書中稱之為“化合焓” 或“形成焓”.化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力

26、學(xué)第一定律32TRehmol00heh(T)或e(T)的數(shù)值常由下式求得：)()(554433221TaTaTaTaTaRThmol51)(iiimolTaRTh51)()(iiimolTTaRTe化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律332.混合氣的絕對內(nèi)能和絕對焓)(0TEEE)(0THHHiiiieMexMEH0000)()()(TeMTexMTEiiii)()()(ThMThxMTHiiii化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律34當(dāng)進(jìn)行燃燒時，組分發(fā)生變化，xi發(fā)生變化, E0, E(T)將同時發(fā)生變化;如果總內(nèi)能E沒有發(fā)生變化，則一定引起溫度變化。E0, E(T)的變化將相互抵消。內(nèi)能

27、和焓可以繪成內(nèi)能和焓曲線圖?；瘜W(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律353.反應(yīng)熱對于反應(yīng)：pRMMMR, Mp分別是反應(yīng)物和產(chǎn)物的總摩爾數(shù) dEdWdQ對于絕熱定容燃燒過程，dQ和dW等于0，則有：0dE0RpEEPiipiippiippTexexMexME)()()(0RiiRiiRRiiRRTexexMexME)()()(0化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律36設(shè)： RRRiiRReMexME000)()()()()(RRRRiiRRTeMTexMTEpppiippeMexME000)()()()()(ppppiippTeMTexMTE可得：)()(00RRRRRpppppTeMeMTeM

28、eM若設(shè)： RRppeMeME000（化合能的變化，是由于工質(zhì)成分的變化而引起，與溫度無關(guān)。又稱為絕對零度時的反應(yīng)熱） 所以絕熱定容燃燒過程： 0)()(ETeMTeMRRRppp化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律37若已知反應(yīng)物的成分、反應(yīng)物的溫度TR和產(chǎn)物的成分，則可以求出燃燒產(chǎn)物的溫度TP。TP升高，意味著燃燒釋放出了熱量，即為反應(yīng)熱。 化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律38反應(yīng)熱通過用“熱值儀”測量，其原理是：反應(yīng)在包有水套的容器中進(jìn)行。反應(yīng)的初始溫度為TS，燃燒后由于產(chǎn)物和水套之產(chǎn)的熱量傳遞而使燃燒產(chǎn)物的濕度回到TS。 這個過程中傳給水套冷卻水的熱量QvsRpvsEEQdtdtd

29、mttCQpvs012)(化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)第一定律為：)()()()(000sRRspPsRRsppRRppvsTeMTeMETeMTeMeMeMQ所以反應(yīng)熱是溫度 TS的函數(shù)，Ts稱為標(biāo)準(zhǔn)溫度。 化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律39以反應(yīng)溫度TR和反應(yīng)物的反應(yīng)熱 Qvs表示的絕熱定容燃燒的一般表達(dá)式： vssppsRRRRpppQTeMTeTeMTeM)()()()(對于有熱損失和容積變化的一般燃燒情況，則第一定律為：dEdWdQ211221EEpdVdQ化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律40幾點結(jié)論：燃燒最大溫度TP與初始反應(yīng)物溫度 TR,與產(chǎn)物內(nèi)能曲線EP(T)+E0P的變化規(guī)律有

30、關(guān)，所以產(chǎn)物的離解（產(chǎn)物成分）、壓縮終點溫度（初始反應(yīng)溫度）對燃燒溫度都有影響。 Qvs的數(shù)值與TR有關(guān)，故規(guī)定標(biāo)定溫度TS。不能實測，因此用Qvs代替。內(nèi)燃機熱力分析中計算燃燒溫度的基本關(guān)系式 0wdQdQ0 pdVdW vssRspRRppwQTETETETEdWdQ)()()()(0)()(ETETERRpp若干補充條件： TMRpVmol)(VV 41本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1 1、熱力學(xué)概述熱力學(xué)概述2 2、熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律4 4、混合氣混合氣5 5、化學(xué)熱力學(xué)第一定律化學(xué)熱力學(xué)第一定律6 6、內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)燃機熱力循環(huán)卡諾循環(huán)卡

31、諾循環(huán)等溫膨脹：系統(tǒng)從環(huán)境中吸收熱量； 絕熱膨脹：系統(tǒng)對環(huán)境作功； 等溫壓縮：系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量； 絕熱壓縮：系統(tǒng)恢復(fù)原來狀態(tài)，系統(tǒng)對環(huán)境作負(fù)功?？ㄖZ循環(huán)的效率c1-c/h卡諾定理闡明了熱機效率的限制，指出了提高熱機效率的方向（提高T1，降低T3，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)）。OttoOtto循環(huán)循環(huán)理想理想OttoOtto循環(huán)熱效率循環(huán)熱效率 K值，與發(fā)動機泄漏、傳熱和工質(zhì)成分有關(guān) EGR，K值減少，熱效率降低68101214161820220.400.450.500.550.600.650.700.75thk=1.4k=1.35作業(yè)： 一臺汽油機壓縮比為8,

32、壓縮始點溫度為280K,壓力為85kPa,燃燒最高壓力為6500kPa，計算最高燃燒溫度，燃燒釋放的熱量以及排氣溫度（Cv假設(shè)為常數(shù)，29.3J/mol.k或1kJ/kg.k)DieselDiesel循環(huán)循環(huán)Wherethisthermalefficiencyisthecut-offratio(ratiobetweentheendandstartvolumeforthecombustionphase)risthecompressionratioisratioofspecificheats(Cp/Cv)早期的點燃式發(fā)動機循環(huán)早期的點燃式發(fā)動機循環(huán)T-S圖壓縮沖程的影響理想柴油機熱力循環(huán)理想柴油機

33、熱力循環(huán)49絕熱壓縮絕熱壓縮定定容容加加熱熱定壓膨脹定壓膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹定定容容放放熱熱理論示功圖理論示功圖理想柴油機熱力循環(huán)理想柴油機熱力循環(huán)50112112kkTvTv3322TpTp4433TvTv1332121kTTTTTT( (定容定容) )升壓比升壓比壓縮比壓縮比( (定壓定壓) )預(yù)脹比預(yù)脹比理想柴油機熱力循環(huán)理想柴油機熱力循環(huán)5113243vpq c T Tc T T012wqq混合加熱循環(huán)的計算混合加熱循環(huán)的計算251vqc T T吸熱量吸熱量放熱量放熱量循環(huán)凈功循環(huán)凈功理想柴油機熱力循環(huán)理想柴油機熱力循環(huán)5202111twqqq 51132431vtvpcTTcTTcT

34、T551132433324121311111tTTTTTTk TTTTTTkTTTT 51332412131111tTTTTTTkTTTT 循環(huán)熱效率繼續(xù)膨脹混合加熱循環(huán)繼續(xù)膨脹混合加熱循環(huán)實際發(fā)動機循環(huán)實際發(fā)動機循環(huán)進(jìn)氣進(jìn)氣壓縮壓縮膨脹膨脹排氣排氣排氣排氣進(jìn)氣進(jìn)氣壓縮壓縮膨脹膨脹 實際循環(huán)損失包括：工質(zhì)影響/缸壁傳熱/換氣損失/燃燒損失/泄漏損失/其它損失進(jìn)氣沖程進(jìn)氣沖程進(jìn)氣門開啟進(jìn)氣門開啟大氣壓力線大氣壓力線PVra上止點下止點排氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉活塞進(jìn)氣終了壓力、溫度：柴油機0.8-0.95bar310-340K汽油機0.75-0.9bar370-400K壓縮沖程壓縮沖程PVra大氣壓力

35、線大氣壓力線c上止點下止點排氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉進(jìn)氣門關(guān)閉進(jìn)氣門關(guān)閉活塞理論上壓縮過程是絕熱的，實際上是多變的，多變指數(shù)為n1n1 :開始： n1n1 K，吸熱； n1n1 =K，絕熱；后期： n1n1 K，放熱做功沖程做功沖程Pra大氣壓力線大氣壓力線cZb上止點下止點排氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉進(jìn)氣門關(guān)閉進(jìn)氣門關(guān)閉理論上做功膨脹過程是絕熱的，實際上是多變的，多變指數(shù)為n1:開始：n1K，吸熱活塞排氣沖程排氣沖程PVr大氣壓力線大氣壓力線cZb上止點下止點排氣門開啟排氣門開啟進(jìn)氣門關(guān)閉進(jìn)氣門關(guān)閉由自由排氣和強制排氣組成，排氣溫度可作為檢測發(fā)動機狀況的手段活塞壓縮過程多變指數(shù)壓縮過程多變指數(shù)PvK=const做以下假設(shè)：1）工質(zhì)和氣缸壁沒有熱交換2）工質(zhì)不存在泄露3）工質(zhì)的比熱不隨溫度而變化絕熱指數(shù)K為定值開始：n1，n1，工質(zhì)從缸壁吸熱；然后： n1， =n1，工質(zhì)達(dá)到缸壁溫度絕熱最后：n1，n1，工質(zhì)向缸壁傳熱壓縮過程參數(shù)值估算壓縮過程參數(shù)值估算在實際近似計算中，為簡便起見，常用一個假定不變的平均多變指數(shù)n1來代替n。代替的條件是：用下面兩式計算出的Pc和Tc值應(yīng)和實際壓縮過程的Pc和Tc值相同。 Pc=Pan1 Tc=Ta