工程热力学课件

汽车发动机原理,课 程 概 述,一、课程的性质和任务 1、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括动力性、经济性、排放性等。 2、分析影响发动机性能指标的因素。 3、找出提高发动机性能指标的途径。 二、课程的地位和作用 本课程是一门专业课，为发动机的使用、维修打基础。本课程在整个课程体系中起承上启下的作用，对今后的实际工作起指导作用。,三、课程主要内容 课程的主要内容分两大部分，工程热力学基础知识部分的重点是发动机的理想循环。发动机原理部分的重点是内燃机的燃烧过程和特性。 主要内容包括：工程热力学基础、发动机示功图和性能指标、燃料和燃烧、发动机换气、汽油机混合气的形成与燃烧过程、柴油机混合气的形成与燃烧过程、发动机特性、发动机的排放与控制等。,四、课程的特点、要求、学时分配、考核 特点:本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主。 要求:要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。对重点章节要熟练掌握。 学时分配：总学时40 考核：本课程为考试课，平时20%；考试80%。 参考书： 1.汽车发动机原理徐兆坤 主编 清华大学出版社 2.汽车发动机拖拉机（第3版）董敬等主编 机械工业出版社,第一章 工程热力学基础,本章要求： 了解：热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。 理解：热力学第一和第二定律，图和T图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。,第一节 气体的状态及状态方程,一、热力系统 1、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称为热力系统；,热力系,外界,界面,2、工质：在热力设备中用来实现热能与其它形式的能量交换的物质。 热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。,研究对象以外的一切物质，称为外界；,热力系统和外界的分界面，称为界面。,二、热力状态与状态参数,1、热力状态：,热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。,热力平衡状态：,当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的P、V、T。,2、状态参数：,用来描述气体热力状态的物理量,基本状态参数：,可直接测量的状态参数，包括：压力(P)、比容()、温度(T)。,主要状态参数：,压力P、比容、温度T、内能、熵、焓。,基本状态参数：,1、比容：用表示，单位是m3/kg 。 定义：单位质量的物质所占的容积。即： =V/M V-物质的容积,m3; M-物质的质量，kg。 比容的倒数是？ 2、压力：用P表示，单位是Pa，Mpa、kPa。 定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。 即：P=F/A,3、温度：用T表示，单位是K。 定义：表征物体的冷热程度,（气体分子的平均动能越大）,三、理想气体的状态方程 1、理想气体：气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。 2、理想气体的状态方程： P=RT PV= mRT V= m 对空气，R=0.287kJ/kgK 3、压容图,气体的状态也可用P-V图上的一个点表示，比较直观。,第二节 热力过程及过程量,功：dW=Fdx=APdx=PdV W=PdV 故P-V图上, W为过程线与横轴围成的面积。,一、热力过程 热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程。 P-V图上,一个点表示气体的一个热力状态; 一条曲线表示一个热力过程。 二、膨胀功（） 气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又称为容积功）,规定：热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。 由W=PdV得： dV0，膨胀,W0， 系统对外界做功； dV0，压缩,W0， 外界对系统做功； dV=0，W=0， 系统与外界之间无功量 传递。,膨胀,W0,压缩,W0,三、热量 是系统与外界之间依靠温差来传递的能量形式，用Q表示 q=Q/m J/kg 规定：传入热力系统的热量为正值，即吸热为正；传出热力系统的热量为负值，即放热为负。 热量与功一样，是系统在热力过程中与外界传递的能量形式，因此是过程量，不是状态参数。,四.熵和温熵图 熵S的增量等于系统在 过程中交换热量除以传 热时绝对温度所得的商 ds=q/T 1Kg工质的熵的单位J/kg K mKg工质熵的单位/K,比容的变化量标志着有无做功，熵s的变化量标志着有无传热。,熵s是一个状态参数 ds0,Q0,吸热; ds0,Q0,放热; ds=0,无热量交换.,吸热,Q0,放热Q0,一、热力学第一定律 表述为：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。 对于一个热力系统： 进入系统的能量-离开系统的能量 =系统内部储存能量的变化量 热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。 它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平衡关系。,第三节 热力学第一定律,二、内能-工质内部所具有的各种能量总称,宏观能量包括：,微观能量即系统的内能，包括：,宏观能量 微观能量,内动能 内位能,内位能与分子间的距离、吸引力有关,是比容的函数； 内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单值函数。,对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函数，用符号u表示，单位J。,系统本身所具有的能量包括：,三、闭口系统的能量方程 1、定义: 与外界没有质量交换的系统。 2、能量方程式 Q-W=U,故Q=U+W,对于微元过程：,Q=dU+W,对于1kg工质：,q=u+w （/Kg) 闭口系统能量方程,以上各项均为代数值，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。,四、理想气体的比热 1、比热的定义和单位 热容量：向热力系统加热（或取热）使之温度升高（或降低）1K所需的热量,用C表示。 比热：单位质量工质的热容量，用c表示。即c=C/m 单位J/(kgK）或c=dq/dT（单位质量的物质作单位温度变化时吸放的热量） 2、比热与过程的关系 功量和热量都是过程量，故比热与过程有关。 热力过程中最常见的加热过程是保持压力不变 和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热和定容质量比热，分别以符号cP 和c 表示。绝热指数：K= cP / c,3、比热与气体性质、温度的关系 实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定值比热（或定比热）。 五、理想气体内能的计算 在保持系统容积不变的加热过程中，单位质量工质的加热量为： q=c(T2-T1) 由热力学第一定律 q=w+u,推出：u=cv(T2-T1),内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。,且 w =0，,第四节 理想气体的热力过程,要求掌握： 1、过程的定义； 2、过程方程式； 3、过程中各基本参数之间的关系； 4、过程量的计算； 5、过程曲线，重点掌握P-V曲线，对T-S 曲线作一般了解； 6、多变过程的概念。,工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个典型的热力过程定容、定压、定温和绝热称为基本热力过程。 一、定容过程 1、定义：过程进行中系统的容积（比容）保持不变的过程。 2、过程方程式：=常数 3、参数间的关系：,P1/P2=T1/T2, P1/T1=P2/T2,4、过程量的计算： 由 W=PdV， 且 dV=0 w=0, q=u 即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。,又 q=u+w，,q=q=u =c(T2-T1),由 PV=RT 知，P/T=常数，,所以：,5、过程曲线,等容加热 温度升高,等容放热 温度降低,二、定压过程 1、定义：过程进行中系统的压力保持不变。 2、过程方程式：,P=常数,3、参数间的关系：,由/T=常数,1/T1=2/T2 1/2=T1/T2,4、过程量的计算：,qp=cp(T2-T1) w=Pd=P(2-1),又 u =c(T2-T1),由热力学第一定律：,qp=u+pdv=u+d（pv）=u+d（RT)=u+RdT cp(T2-T1)=c(T2-T1)+R(T2-T1),得:cp=c+ R 迈耶公式,另外： cp/c=K,绝热指数,5、过程曲线,等压加热 对外做功 温度升高,2,1,等压放热 对内做功 温度降低,2,T-s图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。,三、定温过程 1、定义：过程进行中系统的温度保持不变的过程。 2、过程方程式： T=常数 3、参数间的关系： P=RT=常数,P11=P22,4、过程量的计算：,T=常数 所以 u=0,由 q=w+ u,可得： q=w,加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。,5、过程曲线,等温压缩 对外放热,等温膨胀 吸热,2,2,四、绝热过程 1、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递（q=0 s=q/T=0，故也称定熵过程 ）。 2、过程方程式：Pvk=常数（推导略）,K= cp/c：绝热指数,3、参数间的关系：,由 Pvk=常数 P1v1k=P2v2k P1/P2=(v2/v1)k 又 Pv=RT P=RT/v Tvk-1=常数 T1/T2=(v2/v1)k-1 T2=T1(v1/v2)k-1 =T1k-1,4、过程量的计算：,q=w+ u,q=0,推出： w=-u,即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。,5、过程曲线,绝热压缩 温度升高,绝热膨胀 温度降低,五、多变过程 在实际的热力过程中，P、T的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即多变过程来描述。 1、过程方程式：Pvn=常数,n:多变指数。,等压过程；,n=1,Pv=常数,等温过程；,n=k,Pvk=常数,绝热过程；,n=,v=常数,等容过程。,n=0,P=常数,2、各过程在P-v 图上的比较,等压线:,压力升高部分 压力降低部分,等容线:,膨胀部分 压缩部分,等温线:,温度升高部分 温度降低部分,绝热线:,吸热部分 放热部分,n从到0，放热0 吸热；等温线右内能增加，左内能减少。 例如压缩机压缩过程：Kn,第五节 热力学第二定律,重点掌握： 1、热力学第二定律的表述； 2、热力循环的热效率； 3、卡诺循环的热效率。,一、热力学第二定律的表述 1、热量不可能自发的、不付任何代价的由一个低温物体传至高温物体。热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。 2、不可能制成一种循环工作的热机，仅从单一的高温热源取热，使之完全转变为有用功，而不向低温热源（冷源）放热。单热源热机是不存在的。 能量传递（热功转换）过程的方向、条件和限度问题，要由热力学第二定律来回答。 热力学第二定律的实质是一切自发的过程都是不可逆的。,二、热力循环 系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。（在P-V图上，热力循环是一封闭的曲线。） 正向循环把热能转变为机械功的循环。 逆向循环靠消耗机械功将热量从低温热源传向 高温热源的循环。（或称热泵循环）,1、循环净功量,1-2-3-4-1：顺时针进行的热力过程，过程曲线所围成的面积为正，称为正循环。,w,1-4-3-2-1：逆 时针进行的热力过程，过程曲线所围成的面积为负，称为负循环。,循环净功 W=Q1-Q2,Q1为1-2-3，工质从高温热源吸热 Q2为3-4-1，工质从向低温热源放热,定义：循环净功与从高温热源吸收热量的比值 T=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1 W: 对外作出的循环净功； Q1: 循环中吸收的总热量; Q2: 循环中放出的总热量。 作用： 评价循环的经济性。,三、热机循环的热效率,三、卡诺循环（最理想的热机循环） 由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。,卡诺循环的热效率：,1、卡诺循环的热效率取决于高温热源和低温热源的温度，高温热源的温度上升，低温热源的温度下降，则卡诺循环的热效率提高。,2、卡诺循环的热效率永远小于1。 即在循环工作的发动机中，不可能将吸收的热量全部转化为功，必定有部分热量传递给低温热源。 3、当T1=T2时，卡诺循环的热效率为0。 即在温度平衡的系统中，不可能将热量转化为功（不可能由单一热源循环作功）。 4、无论什么工质和循环，在一定温度范围T1到T2时之间，不可能制造出热效率超过1-T2/T1的热机。即最高热效率只能接近1-T2/T1。 这几条结论具有普遍性,适用于一切热机。,四、卡诺定理 在两个温度不同的热源之间工作的热机中，可逆热机的热效率最高；在确定的两个热源之间工作的所有可逆热机，具有相同的热效率；在确定的两个热源之间工作的任何不可逆热机，其热效率总是低于在同样热源之间工作的可逆热机的热效率。 推论： 1、一切可逆热机的热效率彼此相等且等于卡诺热机的热效率，不可逆热机的热效率小于可逆热机的热效率。 2、在内燃机上，如果排气温度过高，则内燃机的热效率下降；提高压缩比，使T1升高，则内燃机的热效率升高。,第六节 发动机的理想循环,为便于分析内燃机的实际工作过程，将发动机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。 理想化的原则及方法： 1、假设工质是理想气体； 2、假设工质是在闭口系统中作封闭循环； 3、假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程； 4、假设燃烧时外界无数个高温热源定容或定压向工质加热。,要求掌握： 1、车用发动机的理想循环各是什么； 2、理想循环各由哪些过程组成； 3、影响理想循环热效率的因素； 4、车用发动机理想循环的比较。,一、发动机的理想循环 1、实际循环及理想化,实际工作过程：,进气、,压缩、,燃烧、,膨胀、,排气,汽油机的理想循环： 等容加热循环 低速柴油机的理想循环： 等压加热循环 高速柴油机的理想循环： 混合加热循环,2、汽油机的理想循环,1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等容加热； 3-4的膨胀过程绝热膨胀； 4-1的排气过程等容放热。,等容加热循环的热效率： T=1-1/k-1,-压缩比；,k-绝热指数。,-等容加热循环,Q2,Q1,3、车用柴油机的理想循环 -混合加热循环,混合加热循环的热效率:,1-2的压缩过程绝热压缩； 2-3的燃烧过程等容加热； 3-4的燃烧过程等压加热； 4-5的膨胀过程绝热膨胀； 5-1的排气过程等容放热。,=V1/V2-压缩比,=P3/P2 -压力升高比， =V4/V3 -预胀比，k-绝热指数.,Q1,Q1,4、低速柴油机的理想循环-等压加热循环,1-2的压缩过程 绝热压缩； 2-3的燃烧过程 等压加热; 3-4的膨胀过程 绝热膨胀； 4-1的排气过程 等容放热。,等容加热循环的热效率： T=1-1/k-1(K-1 )/K( -1),二、影响内燃机理想循环的主要因素 分析循环的主要目的是找出影响循环热效率的因素，找到提高热效率的途径。 常用的方法有