01第1章 热机与热功转换的基本规律.ppt

汽车发动机原理 韩同群北京大学出版社 第1章热机与热功转换的基本规律 1 1热能在热机中转换为机械功的过程进气过程压缩过程燃烧膨胀过程排气过程 1 2热功转换的工质及其参数 工程热力学基本概念 工质实现热能转换为机械能的媒介物质 通常为气体 热机将热能转换为机械能的机械装置 热力系统热力学所研究的对象 外界与热力系统有作用关系的周围物体 边界系统与外界的分界面 闭口系统热力系统与外界没有物质交换的系统 开口系统热力系统与外界有物质交换的系统 1 系统与外界是人为规定的 2 外界与环境介质是不同的 前者是抽象概念 后者是物质世界 3 边界可以是 a 刚性的或可变形的或有弹性的b 固定的或可移动的c 实际的或虚拟的 工程热力学基本概念 状态及状态参数 热力系统在某一瞬间呈现的全部宏观性质称为状态描述这种宏观状态的物理量称为状态参数 热力系统在没有外界作用情况下宏观性质不随时间变化的状态称为平衡状态 状态参数是宏观量 是大量粒子的平均效应 只有平衡态才有状态参数 系统有多个状态参数 状态及状态参数 平衡状态的充要条件是 1 热平衡 2 力平衡 3 相平衡 4 化学平衡 稳定未必平衡 平衡未必均匀 状态及状态参数 气体压力是组成气体的大量分子在紊乱的热运动中对容器壁碰撞的结果 是单位表面积上的垂直作用力 状态及状态参数 系统温度表示物体的冷热程度 描述分子热运动强弱的参数 单位质量物质所占有的体积称为比体积强度量广延量 广延量具有可加性 广延量的比性质具有强度量特性 状态及状态参数 宏观静止的物体 其内部的分子 原子等微粒仍在不停地运动着 这种运动称为热运动 物体因物体热运动而具有的能量称为热力学能 焓H U pVh u pv焓是状态量 表示工质进入或离开系统所携带的总的热力学能 单位 J kJ J kg kJ kg 状态参数的坐标图 为了分析问题的方便 工程上通常采用两个独立状态参数组成坐标图来表示工质所处的状态 p v图和T s图热力过程是指热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和 如果热力系统从一个平衡状态无摩擦地连续经历一系列平衡的中间状态过渡到另一个平衡状态 这样的过程称可逆过程 循环是封闭的热力过程 功和热量 功是指热力系统通过边界传递的能量 其全部效果可表现为举起重物 膨胀功 压缩功 体积功 功和热量 热量是指仅仅由于温差而通过边界传递的能量 是两物体通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量 传热与否的标志用状态参数熵s表示 功和热量 热量与功的异同 1 都是通过边界传递的能量 2 都是过程量 3 功传递由压力差推动 比体积变化是作功标志 热量传递由温度差推动 比熵变化是传热的标志 4 功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量 热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的应用 可以描述为 热能和机械能可以相互转换 且在相互转换过程中 能量的总量保持守恒 加入热力系统的能量的总和 离开热力系统能量的总和 热力系统总能量的增量 热力学第一定律 闭口系统的能量方程 1 公式可用于任何过程 任何工质 2 Q W U为代数值 当热力学能增加时 U 0 当热力学能减少时 U 0 3 对可逆循环 因dw pdv du 0 故 对1kg工质而言 有 对微元过程而言 有 开口系统稳定流动能量方程 开口系统稳定流动方程 开口系统任何流动形式能量普遍关系式的微元形式 称为技术功 表示技术上可资利用的功 开口系统稳定流动能量方程 开口系统稳定流动方程 1 第一定律两解析式可相互导出 但只有在开系中能量方程才用焓 2 通过膨胀 由热能转化为功 对1kg工质而言 有 对微元过程而言 有 开口系统稳定流动能量方程 例1大型低速船用发动机的膨胀做功过程可以简化为定压过程 假设活塞上止点气体压力为1MPa 体积为0 35m3 活塞在下止点时体积为1 15m3 膨胀过程中气体热力学能增加了40kcal 试求空气所做的膨胀功及膨胀过程中所需要的热量 1kcal 4 1868kJ 开口系统稳定流动能量方程 解 已知p1 1Mpa v1 0 35m3 p2 p1 定压 v2 15m3 U U2 U1 40kcal 因为压力一定 所以膨胀功为 1 106Pa 1 15m3 0 35m3 800kJ膨胀过程中所需热量为Q U2 U1 W 40 4 1868kJ 800kJ 967 5kJ 理想气体状态方程式 理想气体是指气体的分子本身不具有体积 分子间也没有作用力 理想气体是实际气体在低压高温时的抽象 理想气体的热力性质 理想气体的比热容 热力学能和焓 比热容c J kg K 是单位质量的物质在可逆过程中温度升高1 或1K 所吸收或放出的热量 比定容热容 比定压热容 比定容热容 比定压热容是状态参数 是温度的单值函数 理想气体的熵 熵是微元热量与温度的商 物理意义是系统可逆定温过程与外界交换的热量 理想气体定值比热容过程熵的变化 理想混合气体 如果混合气体中各组成气体均视为理想气体 则该混合气体就是理想混合气体 它具有理想气体的性质 即在平衡状态下 它的压力 温度和比体积间的关系遵守理想气体状态方程式 质量成分 体积成分 物质的量成分 三者的关系 理想混合气体 理想混合气体的折合摩尔质量 例如 空气中已知rN2 0 79 rO2 0 21 忽略其他成分 则空气的折合摩尔质量 理想混合气体 道尔顿分压定律指出 理想混合气体的总压力 p 等于各组成气体分压力 pi 的总和 亚美格分体积定律指出 理想混合气体总体积 V 等于各组成气体分体积 Vi 总和 分压力是指相同温度和体积下 组成气体单独具有的压力 分体积是指相同温度和压力下 组成气体单独具有的体积 理想混合气体 例2在温度为27 时 对某发动机的排气进行取样分析 其各种组成的体积成分大概如下 rN2 0 73 rH2O 0 13 rCO 0 12 rO2 0 2 试确定排气的 1 折合摩尔质量 2 质量成分 3 折合气体常数 4 0 5kg混合气的体积 设压力p 1bar 105Pa 5 各组成气体的分压力 理想混合气体 解 1 已知体积成分求折合摩尔质量可用式 1 47 计算 2 由式 1 45 可计算出各组成质量成分 理想混合气体 3 由式 1 48 得混合气折合气体常数 理想混合气体 4 由状态方程式pV mRmT 得 5 由式 1 50 导求各组成气体的分压力 多变过程 满足方程pvn 常数的过程 其中n为常数 1 3理想气体的热力过程 比热容为定值 膨胀功和技术功的计算 多变过程热量的计算 称为多变过程比热 例5把1kg空气由温度为10 压力为1bar 体积为0 8m3的状态 按照pV1 3 常数的关系 压缩至压力为7bar 试求下列各值 1 压缩终点的温度 2 压缩比v1 v2 3 压缩所需的功 4 热力学能的变化 5 工质与外界交换的热量 解 1 由多变过程中状态参数关系式 1 73 可计算出压缩终点的温度 2 由式 1 71 可计算出压缩比v1 v2 3 压缩过程所需功量则可由式 1 79 计算 4 由式 1 74 计算热力学能的变化 u cv0 T2 T1 0 716 443 6 283 kJ kg 115kJ kg 5 工质与外界交换的热量q w u 153 7kJ kg 115kJ kg 38 7kJ kg计算结果表明 空气在该压缩过程中由外界获得了功量 对外放出了热量 并最终使本身压力 温度增加 四种基本热力过程 通过分析多变过程 pvn 常数 中热功转换的规律 四种基本热力过程的热功转换问题就迎刃而解了 对应不同的基本热力过程问题的各种形式只需将不同的n值代入或按照多变过程的类似的分析方法分析即可 例如对定温过程 已知它是当n 1时的多变过程 所有相应的公式只需将多变过程中的n换成1即可 定压过程 n 0 斜率定容过程 n 斜率定温过程 n 1 斜率等熵过程 n k 斜率 四种基本热力过程 定压过程 n 0 斜率定容过程 n 斜率定温过程 n 1 斜率等熵过程 n k 斜率 1 4 3四种基本热力过程 多变过程在p v图和T s图的规律定性分析 1 4热功转换的效率 热力过程条件与限度问题 热力学第一定律说明了热量和功量两者之间可以相互转换 且在数量上有一定的当量关系 即规定了热能与机械能在转换过程中量的关系 热力学第二定律则是从另一个角度研究热功转换问题 它是关于解决过程进行的方向 条件和限度等问题的规律 工质经过一系列的状态变化 重新回复到原来状态的全部过程 称系统经历了一个热力循环 在状态参数坐标图上 循环的全部过程一定构成一个闭合曲线 整个循环可看作一个闭合过程 热机循环 完成一个正向循环后全部效果为 1 高温热源放出了热量q1 或热机中工质从高温热源吸热q1 2 低温热源获得了热量q2 或热机中工质向低温热源放热q2 3 热机将 q1 q2 q0的热量转化为功 4 工质与机器设备回复到原来状况 没有变化 热机循环 热机中工质从高温热源得到的热能q1 其中只有部分可以转化为功 在部分热能 q1 q2 转化为功的同时 必有另一部分q2传向低温热源 后者是使热能经过热循环转化成为功的必要条件 因此 一切热动力装置都只能将从热源得到的热量中的一部分转化成为功 这是热动力循环根本特性 正向循环的经济性用热效率 t来衡量 即 热机循环 1 自发过程有方向性 2 自发过程的反方向过程并非不可进行 而是要有附加条件 3 并非所有不违反第一定律的过程均可进行 能量转换方向性的实质是能质有差异 无限可转换能 机械能 电能 部分可转换能 热能 不可转换能 环境介质的热力学能 热力学第二定律 热力学第二定律的两种典型表述 1 克劳修斯叙述 热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体 2 开尔文 普朗克叙述 不可能制造循环热机 只从一个热源吸热 将之全部转化为功 而不在外界留下任何影响 3 热力学第二定律各种表述是等效的 热力学第二定律 卡诺循环 是两个热源的可逆循环 卡诺循环及热效率 卡诺循环及热效率 卡诺循环及热效率 2 3 第二类永动机不可能制成 4 实际循环不可能实现卡诺循环 原因 a 一切过程不可逆 b 气体实施等温吸热 等温放热困难 c 气体卡诺循环wnet太小 若考虑摩擦 输出净功极微 5 卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向 1 卡诺循环及热效率 卡诺定理定理1 在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环 其热效率都相等 与可逆循环的种类无关 与采用哪种工质也无关 定理2 在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环 其热效率必小于可逆循环热效率 理论意义 1 提高热机效率的途径 可逆 提高T1 降低T22 提高热机效率的极限 卡诺循环及热效率 循环热效率归纳 适用一切循环 任意工质 多热源可逆循环 任意工质 卡诺循环 概括性卡诺循环 任意工质 卡诺循环及热效率 实际热机采用的循环是多种多样的 主要决定于下列因素 1 工质的性质 是气体还是蒸汽 2 燃料的性质 是固体 液体 还是气体 液体燃料则还要看是易挥发的轻油 还是不易挥发的重油 3 机器设备的结构 活塞式的还是叶轮式的 卡诺循环及热效率 例1某理想气体动力循环 空气从初始状态p1 1 01bar t1 15 V1 0 014m3 绝热压缩到V2 0 0028m3 再定容加热到p3 18 5bar 然后绝热膨胀到p4 1 01bar 最后定压放热到初始状态完成循环 试计算 1 循环净功量 2 理想循环热效率 并与同温度范围内的卡诺循环热效率相