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第一章发动机原理基础知识第一节气体的热力性质第二节热力学第一定律第三节热力学第二定律第四节发动机的循环第五节发动机的性能指标第六节发动机的机械效率一、气体的状态参数热力学中把工质所处的宏观状态称为工质的热力状态。工质的状态常用物理量来描述，这些物理量称为状态参数。常用的状态参数有6个，即压力p、温度T、比体积v、比热力学能u、比焓h、比熵s。其中p、T、v三个可以测量的物理量称为基本状态参数1。压力p气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力称为压力p。按照分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的统计量。压力的单位为Pa，工程上常用kPa与Mpa。容器内气体压力的大小有两种不同的表示方法：一种是指气体施于容器壁上压力的实际数值，叫绝对压力，符号为p；另一种是测量时压力计的读数，叫表压力，符号为pg。由图1-1可知，表压力是绝对压力高出于当时当地的大气压力pa。的数值。其关系式为第一节气体的热力性质下一页返回如果容器内气体的绝对压力低于外界大气压力时，表压力为负值，仅取其数值，称为真空度，记作pv，即p=pa-pv表压力、真空度都只是相对于当时当地的大气压力而言的，真空度的数值越大，说明越接近绝对真空。只有绝对压力才是真正说明气体状态的状态参数。2。温度T温度表示气体冷热的程度。按照分子运动论，气体的温度是气体内部分子不规则运动激烈程度的量度，是与气体分子平均速度有关的一个统计量。气体的温度越高，表明气体分子的平均动能越大。热力学温度T的单位为K，是国际单位制(SI)中的基本单位，选取水的三相点温度为基本定点温度，规定其温度为273.16K，1K等于水的三相点热力学温度的1/273.16。国际单位制(SI)允许使用摄氏温度t，第一节气体的热力性质上一页下一页返回并定义t=T一T0T0=273.16K在一般工程计算中，把To取作273K已足够精确。摄氏温度每一度间隔与热力学温度每一度间隔相等，但摄氏温度的零点比热力学温度的零点高273.16K。热力学温度不可能有负值3。比体积v比体积是单位质量的物质所占有的容积，即式中，v为比体积，m3/kg；V为容积，m3；m为质量，kg比体积的倒数称为密度。密度是指单位容积的物质所具有的质量：式中，P为密度，kg/m3第一节气体的热力性质上一页下一页返回二、理想气体状态方程所谓理想气体，是假设在气体内部，其分子不占体积，分子间又没有吸引力的气体。在热力计算和分析中，常把空气、燃气和烟气等气体都近似地看做理想气体。因为气体分子之间的平均距离通常要比液体和固体的大得多，所以，气体分子本身的体积比气体所占的容积小得多，气体之间的吸引力也很小。通常把实际气体近似地看做理想气体来进行各种热力计算，其结果极其相似。所以，对理想气体性质的研究，在理论上和实际上都是很重要的。根据分子运动论和对理想气体的假定，结合实验所得的一些气体定律，并综合表示成理想气体状态方程式(或称克拉贝隆方程式)。对于1kg理想气体，其状态方程为pv=RT第一节气体的热力性质上一页下一页返回对于mkg理想气体，总容积V=mv，其状态方程为pV=mRT式中，R为气体常数，J/(kg·K)R的数值决定于气体的种类。对于1摩尔质量的理想气体，其状态方程为式中，Rm为通用气体常数，J/(mol·K)，对于任何理想气体，数值相同；Vm为摩尔体积，m3/mol；理想气体状态方程式反映了理想气体三个基本状态参数间的内在联系，即F(p，v，T)=0，只要知道其中两个参数，就可以通过该方程求出第三个参数第一节气体的热力性质上一页返回热力学是研究热能性质及其转换规律的科学。工程热力学是热力学的一个分支。它着重研究与热力工程有关的热能和机械能相互转换的规律。分析热力工程有关热力过程及热力循环的目的，是为了从理论上研究提高热工转换的有效途径。一、功、热量、热力学能1。功力学中把物体所受到的力F和物体在力的作用方向上的位移x两者的乘积，定义为力所用的功，并用符号W表示，即W=Fx热力学中，功就是当系统和外界之间存在压差时，系统通过边界和外界之间相互传递的能量。图1-2表示1kg工质封闭在气缸内，进行一个可逆过程的膨胀做功情况。设活塞截面积为A(m2)，工质作用在活塞上的压力p，活塞被推进一微小距离dx，第二节热力学第一定律下一页返回在这期间，工质的膨胀极小，工质的压力近乎不变，因而工质对活塞做的功为dw=pAdx=pdv对可逆过程，如图1-2所示，单位工质由状态1膨胀到状态2所做的膨胀功为如果已知工质的初、终态参数，以及过程1-2的函数关系p=f(v)，则可求得单位工质的膨胀功w。其数值等于p-v图上过程曲线1-2下面所包围的面积。因此，p-v也叫示功图。由图可见，膨胀功不仅与状态的改变有关，而且与状态变化所经历的过程有关。若气缸中的工质为mkg，其总容积为V=mv，膨胀功为第二节热力学第一定律上一页下一页返回当工质不是膨胀，而是受到外界压缩时，则是外界对工质做功。这时pdv为负值，w也是负值，负的膨胀功实际上表明工质接受了外界的压缩功。2。热量热量是由温度的不同，系统和外界间穿越边界而传递的能量。热量和功一样不是热力状态的参数，而是工质状态改变时对外的效应，但热量不可能把它的全部能量表现为使物体改变宏观运动的状态。热量和功的根本区别在于：功是两物体间通过宏观运动发生相互作用而传递的能量；热量则是两物体间通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。一般规定，外界加给系统的热量为正，系统传给外界的热量为负。国际单位制规定功W和热量Q的单位都用焦耳，J第二节热力学第一定律上一页下一页返回3。热力学能气体的热力学能就是指气体内部所具有的各种能量的总和，主要由气体分子运动的动能和分子间位能组成。分子运动的动能包括分子直线运动动能、旋转运动动能、分子内原子振动能和原子内的电子振动能等，它仅取决于气体的温度，随温度的升高分子运动的动能增大。分子间的位能是分子间相互吸引而形成的，它取决于气体的压力或比体积。当气体的状态一定时，气体的温度、压力和比体积都有固定的数值，其热力学能也必然有固定的数值，所以热力学能也是气体的状态参数。对于理想气体而言，因假设其分子间没有吸引力，也就没有位能，所以理想气体的热力学能仅指其内部动能，它是温度T的单值函数。1k。气体的热力学能用符号u表示，单位为J/kg或kJ/kg，则u=f(T)第二节热力学第一定律上一页下一页返回分析发动机热功转换过程时，通常只计算热力学能的变化值。1kg气体的温度从T1变化到T2时，其热力学能的变化量△u为气体的热力学能用符号U表示，单位为J或kJ，温度从T1变化到T2时，其热力学能的变化量△U为二、热力学第一定律热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学中的应用。根据热力学第一定律，建立了闭口系统和开口系统的能量方程式，它们是进行热力分析和热力计算的主要基础。热力学第一定律可以描述为：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的功，必须消耗一定量的热；反之，消耗一定量的功，必会产生一定量的热第二节热力学第一定律上一页下一页返回工质经历受热做功的热力过程时，工质从外界接受的热量、工质因受热膨胀而对外所做出的功、同时间内工质所储存或付出的能量三者之间，必须保持收支上的平衡，否则就不符合能量守恒的原则。工质内部所具有的各种能量，总称为工质的热力学能(热力学能)。由于工程热力学主要讨论热能和机械能之间的相互转换，不考虑化学能变化和原子核反应的热力过程，故可以认为这两部分能量保持不变，认为工质热力学能是分子热运动的动能和克服分子间作用力的分子位能的总和。由于工质内的动能与位能都与热能有关，故也称作工质内部的热能。分子热运动动能是温度T的函数，分子间的位能是比体积，：的函数。因此，工质的热力学能取决于工质的温度和比体积，即与工质的热力状态有关。一旦工质的状态发生变化，热力学能也就跟着改变。工质热力学能变化值，只与工质的初、终状态有关，而与工质由状态1到状态2所经历的过程无关第二节热力学第一定律上一页下一页返回对于理想气体，因假设其分子间没有引力，故理想气体分子间的位能为零，其比热力学能u仅是温度的单值函数。第二节热力学第一定律上一页返回一、热力循环通过工质的热力状态变化过程，可以把热能转化为机械能而做功。但仅仅依靠任何一个过程，都不可能连续不断地做功。为了连续不断地将热转换为功，必须在工质膨胀做功以后，经过某种压缩过程，使它回复到初始状态，以便重新膨胀做功。这种使工质经过一系列变化，又回到初始状态的全部过程，称为热力循环(简称循环)热力循环可分为正向循环和逆向循环。把热能转变为机械功的循环叫正向循环(或热机循环)；依靠消耗机械功而将热量从低温热源传向高温热源的循环，叫逆向循环(或热泵循环)如图1-3所示，设1kg工质在p-v图上进行一个可逆的正向循环，膨胀过程线1-a-2曲线，高于压缩过程2-b-1曲线，即过程1-a-2曲线，大于过程2-b-1所消耗的压缩功，整个循环中工质作出的净功为正。用w0表示净功的绝对值，即在p-v图上封闭曲线1-a-2-b-1。所包围的面积第三节热力学第二定律下一页返回二、热力循环评价发动机工作过程中，工质向低温热源传递的热量一般是无法回收利用的。为评价发动机热力循环进行的好坏，通常用循环热效率和循环平均压力来评定。1。循环热效率循环热效率是指循环中热功转换的效率，是衡量热机性能的重要指标之一，通常用于评价热力循环在能源利用方面的经济性如图1-4所示，工质的吸热过程曲线1-a-2，高于工质的放热过程曲线2-b-1，即过程1-a-2中工质的吸热量大于过程2-b-1中工质放出的热量，整个循环中工质从高温热源中接受的净热量为正。用q1表示循环中工质从高温热源中接受热量的绝对值，用q2表示工质向低温热源放出热量的绝对值，则循环中工质接受的净热量为q1-q2，用曲线1-a-2-b-1所包围的面积表示。按热力学第一定律，循环中工质所接受的净功为第三节热力学第二定律上一页下一页返回从T-s图上可以看出，在热力循环中，工质从高温热源所接受的热量q1，只有一部分变成循环净功w0，而另一部分热量q2放出给低温热源。通常采用热力循环的净功w0与工质从高温热源接受的热量q1的比值作为指标，称为循环热效率，用表示，即循环热效率说明工质从高温热源吸收的热量，有多少转换为功。q2愈小，则愈大，但因q2≠0，所以总小于1。2。循环平均压力循环平均压力用来评定循环的动力性，它是指单位气缸工作容积所做的循环功，用符号Pt表示，即式中，Vs为气缸工作容积，m3第三节热力学第二定律上一页下一页返回三、热力学第二定律热力学第二定律表明，连续获得机械功，至少有两个热源，高温热源和低温热源。工质从高温热源取得热量，把其中一部分转变为机械功，另一部分热量传给低温热源。不可能只利用一个高温热源，如从单一热源(如以海洋、大气或大地作为单一热源)不断吸取热量，全部转变为机械功。根据长期制造制冷机的经验得出：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。因此，不管利用什么机器，都不可能不付代价地实现把热量从低温物体转移到高温物体，即不可能自发地进行低温热源向高温热源传热。第三节热力学第二定律上一页返回一、实际循环在发动机的实际工作中，燃料燃烧的热能，通过工质的膨胀转化为机械功，这种连续不断地把热能转变为机械功的循环，称为发动机的实际循环。四冲程发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气5个过程组成。通常用气缸内的气体压力p随比体积v(或曲轴转角θ)而变化的图形，来表示工质在气缸中的实际工作情况，如图1-5所示1。进气过程进气过程是指充量进入气缸的过程(图1-5(a)中rr'a线)。在进气过程中，进气门开启、排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动由于上一循环的残余废气，排气终了时气缸内压力Pr高于大气压力p0，随着活塞下行，首先是残余废气膨胀，压力由pr下降到低于大气压力的pr'。在压力差的作用下，新鲜气体被吸入气缸。由于进气系统有阻力，过气终了的压力pa。第四节发动机的循环下一页返回仍低于大气压力p0。进气终了气体因受到高温零件和