汽車發(fā)動機原理與汽車?yán)碚摶菊n件-第一章.ppt

1、第一章,第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識第二節(jié)熱力學(xué)第一定律第三節(jié)熱力過程分析第四節(jié)熱力學(xué)第二定律,一、能量與能源,世界由物質(zhì)構(gòu)成。一切物質(zhì)都處于運動狀態(tài)，能量是物質(zhì)運動的度量。一切物質(zhì)都具有能量，如果沒有能量，世界就會永遠處于靜止?fàn)顟B(tài)，也就不會有生命。能量也是人類社會進步的動力。人類在日常生活和生產(chǎn)過程中需要各種形式的能量。隨著人類社會的發(fā)展，人們對能量的認(rèn)識和利用水平不斷提高。到目前為止，人類所認(rèn)識的能量主要有機械能、熱能、電能、化學(xué)能、核能、輻射能等幾種形式。能源是指能夠直接或間接提供能量的物質(zhì)資源,第一節(jié)熱功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識,基本概念,1.工質(zhì):實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)（氣體）。 2.

2、熱力系統(tǒng)和外界:把作為研究對象的某一宏觀尺寸范圍內(nèi)的工質(zhì)總稱為熱力系統(tǒng)，如汽缸內(nèi)的氣體；把熱力系統(tǒng)以外和熱功轉(zhuǎn)換過程有關(guān)的其他物體統(tǒng)稱為外界，如汽缸體。 3.熱力狀態(tài):把工質(zhì)在某一時刻所處的宏觀狀態(tài)稱為工質(zhì)的“熱力狀態(tài)”，簡稱“狀態(tài)”。工質(zhì)的熱力狀態(tài)用物理量來描述，這些物理量稱為氣體的狀態(tài)參數(shù)，如溫度、壓力和比體積等。 4.熱力過程:將熱力系統(tǒng)中的工質(zhì)從某一初始狀態(tài)變化到另一狀態(tài)所經(jīng)歷的整個過程稱為熱力過程。,二、工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù),開口系統(tǒng)：與外界不僅有能量交換，又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。 封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。 絕熱系統(tǒng)：與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)。 孤立系統(tǒng)

3、：與外界既無能量交換，也無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。,熱力系統(tǒng)分類,基本狀態(tài)參數(shù),氣體常用的狀態(tài)參數(shù)有6個，其中溫度（T）、壓力（p）和比體積（）這三個物理量，稱基本狀態(tài)參數(shù)。 內(nèi)能（U）、熵（S）、焓（H）。,溫度,溫度表示氣體的冷熱程度。按分子運動論，氣體的溫度是氣體內(nèi)部分子不規(guī)則運動劇烈程度的物理量。氣體的溫度越高，氣體內(nèi)部分子的平均動能就越大。 熱力學(xué)溫度:開氏溫度，用符號T表示，單位為開爾文，單位符號為“K” （基本溫標(biāo))。熱力學(xué)溫度以水的三相點溫度為基本定點溫度(即水的固、液、氣三態(tài)共存時的溫度)，并規(guī)定其溫度為273.15K。于是1K就是水的三相點溫度的1/273.15。 工程上的溫度：攝

4、氏溫度，用符號t表示，單位符號為“”。 攝氏溫度與開氏溫度的關(guān)系為： tT273.15 注意：只有開氏溫度才是狀態(tài)參數(shù)。,定義：氣體在單位面積容器壁上的垂直作用力,用符號p表示，單位是帕斯卡，簡稱為帕（Pa）。由于帕很小，工程上常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）為單位。 1 kPa =103Pa 1 MPa =106Pa 壓力的表示方法： 1.絕對壓力：指氣體作用在容器壁上的真實壓力,用p表示。 2.表壓力：當(dāng)氣體的絕對壓力高于大氣壓力時，壓力表指示的數(shù)值就是表壓力。表壓力等于氣體的絕對壓力與大氣壓力p0的差值，用pg表示。其關(guān)系式為pg=p-p0 。 3.真空度：當(dāng)氣體的絕對壓力低于大氣壓力

5、時，真空表測量的數(shù)值就是真空度。真空度等于大氣壓力與氣體絕對壓力的差值，用pv表示。其關(guān)系式為pv=p0p。 注意：只有絕對壓力才是狀態(tài)參數(shù)。,壓力,比體積,比體積：單位質(zhì)量的氣體所占的體積，稱為氣體的比體積。用符號v表示，單位為m3/kg。 密度：單位體積的氣體所具有的質(zhì)量稱為密度，以符號 表示，其單位為kg/m3。,三、理想氣體狀態(tài)方程,理想氣體：分子不占體積、分子之間沒有吸力的氣體。 理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝隆方程式）：溫度、壓力、比體積之間關(guān)系式。 1理想氣體： 理想氣體： 式中：Vmkg理想氣體的總?cè)莘e，V=mv。 R氣體常數(shù)，其數(shù)值取決于氣體的性質(zhì)，單 位為kJ/（kgK）。,四

6、、工質(zhì)的比熱容,(一)比熱容與物質(zhì)單位的關(guān)系,因為工質(zhì)的計量單位可用、，所以工質(zhì)的比熱容有如下三種： 比質(zhì)量熱容：() 比摩爾熱容：() 比容積熱容：(),(二)比定壓熱容和比定容熱容,氣體在壓力不變或體積不變的情況下被加熱時的比熱容，分別叫比定壓熱容和比定容熱容，通常用腳標(biāo) 和V來標(biāo)注。,(三)真實比熱容和平均比熱容,根據(jù)大量精確的試驗數(shù)據(jù)和量子力學(xué)理論，理想氣體的比熱容與壓力無關(guān)，而應(yīng)是溫度的函數(shù)。,(四)定比熱容,表-理想氣體的定值比摩爾熱容和比熱容比,一、功、熱量和內(nèi)能,1功 當(dāng)氣體的壓力和容積發(fā)生變化時，氣體與外界之間相互傳遞的機械能稱之為功，用W表示。單位為焦耳，單位符號為“J”或

7、“kJ”， 1kJ=103J。 1kg氣體容積（即比體積）的微小變化量為: dv = Adx 1kg氣體對外界所作的微元功為: dw= pAdx = pdv 1kg氣體對外界所作的功為: 若汽缸內(nèi)的氣體為mkg，其總?cè)莘eV=mv， 則mkg氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2對外所作 的功為:,第二節(jié)熱力學(xué)第一定律,一、功、熱量和內(nèi)能,2熱量 熱量是由于溫度的不同，系統(tǒng)和外界之間穿越邊界而傳遞的能量。 熱量的國際單位與功一樣為焦耳，單位符號為“J”或“kJ”。熱量通常用比熱來計算。比熱是指單位量的物質(zhì)溫度每變化1K時吸收或放出的熱量，用符號c表示，即 式中：dq單位量的物質(zhì)在溫度變化dT時吸收或放出的熱量

8、。 1kg氣體的溫度變化dT時，吸收或放出的微元熱量dq為:dq=cdT 1kg氣體的溫度從T1 T2時，吸收或放出的熱量q為: mkg氣體的溫度從T1 T2時，吸收或放出的熱量Q為: 規(guī)定:氣體從外界吸收熱量為正，向外界放出熱量為負(fù)。 注意：功和熱量都不是狀態(tài)參數(shù)。,一、功、熱量和內(nèi)能,3內(nèi)能 氣體的內(nèi)能是指氣體內(nèi)部所具有的各種能量的總和，由氣體分子運動的動能和分子間位能組成。 內(nèi)能是氣體的狀態(tài)參數(shù)。 對于理想氣體，因假設(shè)其分子間沒有引力，其位能為零，所以其內(nèi)能僅指其內(nèi)部動能，它是溫度T的單值函數(shù)。 1kg氣體的內(nèi)能用符號u表示，單位為J/kg或kJ/kg，則 u = f（T） 1kg氣體的

9、溫度從T1變化到T2時，其內(nèi)能的變化量u為: u = u2u1 = f（T2）f（T1） mkg氣體的內(nèi)能用符號U表示，單位為J或kJ，溫度從T1變化到T2時，其內(nèi)能的變化量U為: U = U 2U 1 =mf（T2）f（T1),二、熱力學(xué)第一定律,熱力學(xué)第一定律：熱和功可以相互轉(zhuǎn)換，為了要獲得一定量的功，必須消耗一定量的熱；反之，消耗一定量的功，必會產(chǎn)生一定量的熱。 第一類永動機是不可能被成功地制造的。在熱能與其他能量的相互轉(zhuǎn)換過程中，能的總量保持不變-遵循能量守恒原則。 1kg氣體由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所經(jīng)歷的過程中，如果氣體與外界交換的熱量為q1-2，機械功為w1-2，內(nèi)能的變化量為u2u

10、1，三者之間的平衡關(guān)系可用能量平衡方程表示為: q1-2= u2u1+ w1-2 mkg氣體由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所經(jīng)歷的過程中，則有 Q1-2= U2U1+ W1-2 氣體狀態(tài)發(fā)生變化時，從外界吸收的熱量等到于其內(nèi)能的增加量與對外所作的機械功之和。,三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式與焓,圖-4開口系統(tǒng)示意圖,四、熵及溫熵圖,)熵是一狀態(tài)參數(shù)，如已知兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)，即可求出熵的值。)只有在平衡狀態(tài)下，熵才有確定值。)與內(nèi)能和焓一樣，通常只需求熵的變化量，而不必求熵的絕對值。)熵是可加性的量，工質(zhì)的熵是工質(zhì)的熵的倍，。)在可逆過程中，從熵的變化過程中可判斷熱量的傳遞方向：系統(tǒng)吸熱；系統(tǒng)絕熱；系統(tǒng)

11、放熱。)熵可以判斷自然界一切自發(fā)過程的熵變。,pv圖,循環(huán)中工質(zhì)所作的凈功為:w0 循環(huán)中工質(zhì)從外界吸收的凈熱量為: q1q2 由于u=0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律則可得出:q1q2= w0 結(jié)論:循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次諢崃縬1，只將其中的一部分轉(zhuǎn)換成機械功w0，而另一部分熱量q2傳遞給低溫?zé)嵩础?mkg：Q1 Q2=W0,圖-5可逆過程的圖和圖)圖)圖,一、定容過程,()過程方程：定值 ()基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系式： ()功量與熱量分析計算,第三節(jié)熱力過程分析,定容過程，故定容過程膨脹功 定容過程的技術(shù)功為 () 根據(jù)比定容熱容定義，定容過程吸收的熱量為 或由熱力學(xué)第一定律表達式 ,圖-6定容過程,

12、()圖和圖 根據(jù)過程方程可知，在p圖上定容線是一條與橫坐標(biāo)垂直的直線，如圖-所示。,二、定壓過程,()過程方程：定值 ()基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系式： ()功量和熱量分析計算,定壓過程，則膨脹功和技術(shù)功為 () 類似于定容過程分析，定壓過程吸熱量 ,圖-7定壓過程,()圖和圖 根據(jù)過程方程知，在圖上定壓線為一條與縱坐標(biāo)垂直的直線，如圖-所示。,三、定溫過程,()過程方程：由定義知，定溫過程溫度保持不變，即定值。()基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系： ()功量和熱量的分析計算,根據(jù)過程方程，過程的膨脹功為 / 根據(jù)理想氣體熱力性質(zhì)，即，從而有 因此在理想氣體的定溫過程中，膨脹功、技術(shù)功和熱量三者相等。,圖-8定溫過

13、程,()圖和圖 根據(jù)過程方程知，定溫線在圖上是等軸雙曲線，如圖所示。,四、定熵過程,()過程方程 根據(jù)理想氣體熵變的微分表達式和定熵過程熵不變的特點，有/定值 ()基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系 / / ()功量和熱量的分析計算,定熵過程的技術(shù)功為 定熵過程是絕熱可逆過程，故 ,圖-9絕熱過程,()圖和圖 由定熵過程的過程方程=定值可知，定熵過程在圖上是一條冪指數(shù)為負(fù)的冪函數(shù)曲線(又稱高次雙曲線)。,五、理想氣體的多變過程,圖-0多變過程,開爾文一普朗克說法：“不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只是從單一熱源取熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ灰鹌渌兓?。?第二類永動機是不可能被成功制造的。) 為了連續(xù)地獲得

14、機械功，至少必須有兩個熱源，即高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩础?克勞修斯說法：“不可能將熱量由低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化?！?這一表述說明：不管利用什么機器，熱量不可能自發(fā)地、不花任何代價地從低溫物體傳向高溫物體。各種制冷設(shè)備必須消耗功并把這些功轉(zhuǎn)換為熱量和低溫物體的熱量一起傳給高溫物體，以達到制冷的目的。 結(jié)論：自發(fā)過程具有方向性-一切自發(fā)實現(xiàn)的過程都是不可逆的。,第四節(jié)熱力學(xué)第二定律,一、自發(fā)過程的方向性與熱力學(xué)第二定律的表述,定義:工質(zhì)由某一初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化又重新回到初始狀態(tài)所經(jīng)歷的封閉過程，簡稱循環(huán)。 循環(huán)可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。 循環(huán)過程可用pv圖表示。,二、熱力循

15、環(huán)與熱效率,pv圖,循環(huán)中工質(zhì)所作的凈功為:w0 循環(huán)中工質(zhì)從外界吸收的凈熱量為: q1q2 由于u=0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律則可得出:q1q2= w0 結(jié)論:循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次諢崃縬1，只將其中的一部分轉(zhuǎn)換成機械功w0，而另一部分熱量q2傳遞給低溫?zé)嵩础?mkg：Q1 Q2=W0,循環(huán)評定指標(biāo),1.循環(huán)熱效率t ：指循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的效率，它等于循環(huán)中工質(zhì)對外界作的凈功與循環(huán)加熱量之比 （評價經(jīng)濟性）。 2.循環(huán)平均壓力pt ：指單位汽缸工作容積所作的循環(huán)功（評價動力性）。,三、卡諾循環(huán)與卡諾定理,1.卡諾循環(huán),)卡諾循環(huán)的熱效率僅決定于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟取?由于不可能為無限大，不可能為零，所以卡諾循環(huán)的熱效率不可能達到。)無論采用什么工質(zhì)和什么循環(huán)，也無論將不可逆損失減小到何種程度，在一定的溫度范圍到之間，不可能制造出熱效率超過()的熱機。,圖-卡諾循環(huán)示意圖,.卡諾定理,卡諾定理告訴我們，兩個給定熱源之間的所有循環(huán)中，以卡諾循環(huán)的熱效率最高。一切工質(zhì)的循環(huán)都是不可逆循環(huán)，因此實際循環(huán)的熱效率必小于相同熱源條件下卡諾循環(huán)的熱效率。所以提高熱效率的途徑是減小過程的不可逆性，使實際循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)?？ㄖZ定理還指出了兩個給定熱源之