发动机原理课件-第一章 工程热力学基础

汽车发动机原理课程概述一、课程的性质和任务1、研究发动机的性能评价（性能指标）和基本工作过程（换气、混合气形成、燃烧），发动机特性、增压等，发动机平衡、排气污染与噪声。2、分析影响发动机性能的因素。3、找出提高发动机性能的一般规律。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部分：《工程热力学基础知识》-必要的理论基础《汽车发动机原理》主要内容包括：工程热力学基础、发动机实际循环和性能指标、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、发动机增压与中冷技术等。三、课程的特点、要求、学时分配、考核特点:本课程理论性较强，课堂上的讲授以理论分析和推导为主，配有实验环节。要求:课上集中精力，做好笔记，课下及时复习，完成作业。重点在于理解，主要章节要熟练掌握。学时分配：总学时32，其中实验4学时考核：本课程为考试课，平时10%；实验10%；考试80%。参考书：1.《汽车发动机原理》（第二版）陈培陵主编人民交通出版社20032.《内燃机学》周龙保主编机械工业出版社2003第一章工程热力学基础热力学是研究能量（热能）性质和转换规律的科学。工程热力学是其最早发展的一个分支。本章主要内容：1、热力状态、热力过程、参数2、热力学的基本定理：热力学第一定理和第二定理。2、典型热力过程和热力循环。3、发动机的理想循环。第一节气体的状态及状态方程重点掌握：1、基本概念：热力系统、工质、热力状态、理想气体等；2、热力系统分类；3、P-V图。一、热力系统1、定义：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质体为研究的具体对象，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。（具有均匀一致的P、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(ν)、温度(T)。主要状态参数：压力P、比容ν、温度T、内能Ｕ、熵Ｓ、焓Ｈ。三、基本状态参数1、比容：用ν表示，单位是m3/kg。定义：单位质量的物质所占的容积。即：ν=V/MV--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压力的测量3、温度：用T表示，单位是K。定义：表征物体的冷热程度（Ｔ↑气体分子的平均动能越大）四、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：Pν=RTPV=mRTV=mν对空气，R=0.287kJ/kg·K3、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重点掌握：1、基本概念：热力过程、膨胀功、热量、熵；2、热力状态参数与热力过程参数的区分与联系；3、膨胀功、热量的计算，正负的规定；4、T-S图。膨胀功的计算：δW=Fdx=APdx=PdVW12=∫12PdV对单位质量的工质：w12=W/m=∫12PdV/m=∫12Pdν※故P-V图上,W12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Ｗ（Ｊ）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）由δW=PdV得：dV0，膨胀,δW0，系统对外界做功；dV0，压缩,δW0，外界对系统做功；dV=0，δW=0，系统与外界之间无功量传递。膨胀,W0压缩,W0※可逆过程是无摩擦、无温差传热的平衡过程，是实际过程的理想极限。规定：系统对外界做功为正，外界对系统做功为负三、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/mJ/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的增量等于系统在可逆过程（温差无穷小）中交换热量除以传热时绝对温度的商：ds=δq/T1Kg工质的熵的单位J/kgKmKg工质熵的单位Ｊ/K※比容ν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（导出量）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第三节热力学第一定律重点掌握：1、热力学第一定律的表述；2、内能与温度的关系；3、闭口系统能量方程；3、理想气体内能的计算。第二讲一、热力学第一定律定义：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。＊可表述为：不花费任何能量就产生功的第一类永动机是不存在的。＊可表述为：对于任何一个热力系统：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。二、内能（U）-工质内部所具有的各种能量总称系统本身所具有的能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的内能，包括：动能位能：机械能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。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=ΔU故Q=ΔU+W对于微元过程：δQ=dU+δW对于1kg工质：q=Δu+w（Ｊ/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（即：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cν表示。＊绝热指数：K=cP/cν3、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，加热量为：由于c=dq/dT→dq=cdT→q=∫12cdT→q=c(T2-T1)故：对于定容过程：qν=cν(T2-T1)推出：Δu=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，由热力学第一定律：q=w+Δu第四节理想气体的热力过程重点掌握：1、典型热力过程的过程量的计算；2、典型热力过程在P-V图和T-S上的表示；3、典型热力过程在P-V图上的比较；4、多变过程的概念。概述工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环可分成几个典型的热力过程进行分析，在此基础上总结出整个热力循环的热功转换规律。典型的热力过程：定容、定压、定温和绝热—称为基本热力过程热力过程分析一般方法：研究理想气体的可逆过程，导出过程方程，按热力学第一定律计算热量、内能和功，然后引入经验修正系数，换算成实际气体的不可逆过程。※可逆过程：若状态1经历平衡过程到状态2，并对外做功；若外界施加同样的压缩功，偱原过程曲线回到状态1，且外界恢复到原状态。※可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程，是无任何损失的理想过程。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：ν=常数3、参数间的关系：P1/P2=T1/T2,P1/T1=P2/T24、过程量的计算：由W12=∫12PdV，且dV=0→w=0→q=Δu即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。又q=Δu+w，q=qν=Δu=cν(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２’２二、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ν/T=常数ν1/T1=ν2/T2ν1/ν2=T1/T24、过程量的计算：qp=cp(T2-T1)w=∫12Pdν=P(ν2-ν1)又Δu=cν(T2-T1)由热力学第一定律：qp=Δu+w=Δu+∫12Pdν=Δu+∫12RdT=Δu+R(T2-T1)cp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R—迈耶公式另外：cp/cν=k—绝热指数5、过程曲线等压加热对外做功温度升高21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：Pν=RT=常数P1ν1=P2ν24、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22’四、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/cν：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=T1εk-14、过程量的计算：q=w+uq=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、ν、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=1n=kn=nW0W＞0※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：K＞n＞１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、概念与公式：热力循环、热力循环的热效率；3、热机循环热效率；4、卡诺循环热力过程组成及其热效率。第三讲一、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—克劳修斯（德）提出。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（第二类永动机），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，即一个热力过程能否发生，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