汽車發(fā)動機(jī)原理熱力學(xué)

汽車發(fā)動機(jī)原理熱力學(xué)第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一課程概述一、課程的性質(zhì)和任務(wù)

1、研究發(fā)動機(jī)的工作過程和性能指標(biāo)，主要包括動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等。

2、分析影響發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的因素。

3、找出提高發(fā)動機(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)動機(jī)示功圖和性能指標(biāo)、燃料和燃燒、發(fā)動機(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)動機(jī)特性、發(fā)動機(jī)的排放與控制等。第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第一章工程熱力學(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)等。理解：熱力學(xué)第一和第二定律，Ｐ－Ｖ圖和Ｐ－Ｓ圖，理想氣體的熱力過程和發(fā)動機(jī)的理想循環(huán)。

第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第一節(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)備中用來實(shí)現(xiàn)熱能與其它形式的能量交換的物質(zhì)?！鶡崃υO(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，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、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)外界條件不變系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)長時(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)：可直接測量的狀態(tài)參數(shù)，包括：壓力(P)、比容(ν)、溫度(T)。主要狀態(tài)參數(shù)：壓力P、比容ν、溫度T、內(nèi)能Ｕ、熵Ｓ、焓Ｈ。第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一基本狀態(tài)參數(shù)：1、比容：用ν表示，單位是m3/kg。定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的容積。即：ν=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壓力的測量3、溫度：用T表示，單位是K。定義：表征物體的冷熱程度（Ｔ↑氣體分子的平均動能越大）第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一三、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，分子之間無相互作用力的氣體。

2、理想氣體的狀態(tài)方程：

Pν=RTPV=mRTV=mν

對空氣，R=0.287kJ/kg·K3、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，共35頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)熱力過程及過程量功：δW=Fdx=APdx=PdV

W12=∫12PdV對單位質(zhì)量的工質(zhì)：w12=W/m=∫12PdV/m=∫12Pdν※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Ｗ（Ｊ）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，共35頁，2023年，2月20日，星期一規(guī)定：熱力系統(tǒng)對外界做功為正，外界對熱力系統(tǒng)做功為負(fù)。由δW=PdV得：

dV>0，膨脹,δW>0，系統(tǒng)對外界做功；

dV<0，壓縮,δW<0，外界對系統(tǒng)做功；

dV=0，δW=0，系統(tǒng)與外界之間無功量傳遞。膨脹,W>0壓縮,W<0第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一三、熱量是系統(tǒng)與外界之間依靠溫差來傳遞的能量形式，用Q表示

q=Q/mJ/kg規(guī)定：傳入熱力系統(tǒng)的熱量為正值，即吸熱為正；傳出熱力系統(tǒng)的熱量為負(fù)值，即放熱為負(fù)?！鶡崃颗c功一樣，是系統(tǒng)在熱力過程中與外界傳遞的能量形式，因此是過程量，不是狀態(tài)參數(shù)。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一四.熵和溫熵圖熵S的增量等于系統(tǒng)在過程中交換熱量除以傳熱時(shí)絕對溫度所得的商ds=δq/T1Kg工質(zhì)的熵的單位J/kgKmKg工質(zhì)熵的單位Ｊ/K※比容ν的變化量標(biāo)志著有無做功，熵s的變化量標(biāo)志著有無傳熱。熵s是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)ds>0,Q>0,吸熱;ds<0,Q<0,放熱;ds=0,無熱量交換.吸熱,Q>0放熱Q<0第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一一、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。對于一個(gè)熱力系統(tǒng)：

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量

=系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化量※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，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、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：宏觀能量微觀能量內(nèi)動能內(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)動能包括移動動能、轉(zhuǎn)動動能和振動動能，是溫度的單值函數(shù)?！飳τ诶硐霘怏w，不考慮分子間的位能，故內(nèi)能只是分子的內(nèi)動能，僅與溫度有關(guān)，是溫度的單值函數(shù)，用符號u表示，單位J。系統(tǒng)本身所具有的能量包括：動能位能機(jī)械能第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一三、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=ΔU故Q=ΔU+W對于微元過程：δQ=dU+δW對于1kg工質(zhì)：q=Δu+w

（Ｊ/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，共35頁，2023年，2月20日，星期一四、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：單位質(zhì)量工質(zhì)的熱容量，用c表示。即c=C/m單位J/(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cP

和cν

表示。絕熱指數(shù)：K=cP/cν第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

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：

qν=cν(T2-T1)

由熱力學(xué)第一定律

q=w+Δu推出：Δu=cv(T2-T1)★內(nèi)能是一狀態(tài)量，與熱力過程無關(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，共35頁，2023年，2月20日，星期一第四節(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T-S

曲線作一般了解；

6、多變過程的概念。第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一工程熱力學(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：ν=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=Δu即：加入工質(zhì)的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的內(nèi)能。又q=Δu+w，

q=qν=Δu

=cν(T2-T1)由PV=RT

知，P/T=常數(shù)，所以：第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一5、過程曲線等容加熱溫度升高等容放熱溫度降低２’２第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、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)間的關(guān)系：由ν/T=常數(shù)

ν1/T1=ν2/T2ν1/ν2=T1/T24、過程量的計(jì)算：qp=cp(T2-T1)w=∫12Pdν=P(ν2-ν1)又

Δu

=cν(T2-T1)

由熱力學(xué)第一定律：qp=Δu+pdv=Δu+d（pv）=Δu+d（RT)=Δu+RdTcp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R

—邁耶公式另外：

cp/cν=k—絕熱指數(shù)第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一5、過程曲線等壓加熱對外做功溫度升高21等壓放熱對內(nèi)做功溫度降低2’★T-s圖上，等壓曲線要比等容曲線平坦（說明在達(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，共35頁，2023年，2月20日，星期一三、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：

Pν=RT=常數(shù)P1ν1=P2ν2

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)對外界做的功。第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一5、過程曲線等溫壓縮對外放熱等溫膨脹吸熱22’第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一四、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=cp/cν：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=T1εk-14、過程量的計(jì)算：

q=w+u

q=0推出：

w=-u

即：外界對系統(tǒng)所做的功全部用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能。第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一5、過程曲線絕熱壓縮溫度升高絕熱膨脹溫度降低第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

五、多變過程

在實(shí)際的熱力過程中，P、ν、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分析，需用一普遍的、更一般的過程即多變過程來描述。

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，共35頁，2023年，2月20日，星期一2、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=nW<0W＞0n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：K＞n＞１第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)熱力學(xué)第二定律

重點(diǎn)掌握：

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，共35頁，2023年，2月20日，星期一一、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?，使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而不向低溫?zé)嵩矗ɡ湓矗┓艧??！獑螣嵩礋釞C(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，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、熱力循環(huán)系統(tǒng)從某一狀態(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)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩吹难h(huán)。（或稱熱泵循環(huán)）第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、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，共35頁，2023年，2月20日，星期一定義：循環(huán)凈功與從高溫?zé)嵩次諢崃康谋戎郸荰=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1

W:對外作出的循