热机

§4.6热机•§4.6.1蒸汽机与热机•(一)蒸汽机(steamengine)•图所示为一简单的活塞式蒸汽机的流程图。•蒸汽机中，工作物质水在每一次循环中都把向高温热源吸收的热量中的一部分用于气缸对外作功，其余的能量则以热量方式向低温热源释放。一个热机至少应包括如下三个组成部分:(1)循环工作物质；(2)两个以上的温度不相同的热源，工作物质从高温热源吸热，向低温热源放热；(3)对外作功的机械装置。(二)热机循环•热机(heatengine)是工作物质从高温热源吸热使之转化为有用功的机械。•但工作物质从高温热源吸热所增加的内能不能全部转化为对外作的有用功，因为它还要向外放出一部分热，这是由循环过程的特点决定的。所谓循环过程是指系统(即工作物质)从初态出发经历一系列的中间状态最后回到原来状态的过程。•图表示理想气体任意的一个准静态热机循环过程。•由图可见，任何热机不可能仅吸热而不放热，也不可能只与一个热源相接触。•循环过程的净功就是p-V图上循环曲线所围的面积。•在p-V图上顺时针变化的循环，系统对外作出净功，这就是热机。•逆时针变化的循环中外界对系统作净功，这是制冷机或热泵。(三)热机效率的定义•既然不可能把从高温热源吸的热量全部转化为有用功，人们就必然关心燃料燃烧所产生的热中，或热机从高温热源吸的热中，有多少能量转化为功。•l前者是总的热效率的问题，后者是热机效率的问题。•热机效率η热定义为•η热=W’/Q1•其中W’为热机输出净功的数值,Q1为热机从高温热源吸取的总热量。•由于ΔU=0，则由第一定律可得'21WQQ121211QQQQQ热,111miiQQ,122niiQQ2Q•若系统不止与两个热源相接触，则设系统向低温热源放的总热量为§4.6.2卡诺热机(Carnotheatengine)l法国工程师卡诺在对蒸汽机所作的热力学研究时所采用的方法与众不同，他对蒸汽机所作的简化、抽象十分彻底。•整个循环由两个可逆等温过程及两个可逆绝热过程组成，如图所示.•这样的热机称为卡诺热机。卡诺热机的工作物质不一定是理想气体，可以是其他任何物质。在循环中工作物质从T1热源吸热Q1，向T2热源放热Q2，向外输出功W’。现在研究以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率。2-3为绝热膨胀过程。设气体的比热容比为γ，T1V2γ-1=T2V3γ-11211lnVVRTQ3422lnVVRTQ)1/(11232)(TTVV)1/(11241)(TTVV4312VVVV在3-4等温压缩过程中放热1-2等温膨胀过程中吸热2121TTQQ可逆卡诺热机效率公式非常简单，它与工作物质是何种气体无关，也与V1/V2或V3/V4无关，仅与高温热源温度与低温热源的温度有关。要提高卡诺热机效率应尽量提高高温热源温度或尽量降低低温热源温度。121211QQQQQ热121211TTTTT卡热2121TTQQ可得卡诺热机效率为而低温热源最低温度常是室温或江、河、地下水的水温，提高热机效率的主要途径是升高高温热源温度。•蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽，不仅利于它在绝热膨胀降温后不会有水冷凝出•而且这样能有效升高蒸汽压强，以便升高蒸汽温度。•目前30万kW汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上，蒸汽温度为400℃以上，这种蒸汽称为亚临界状态的蒸汽，其排气温度约200℃，热机效率为35-40%。超大型的汽轮机的高温蒸汽将处于超临界状态，其效率将更高。*§4.6.3内燃机循环l将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机称为内燃机(internalcombustionengine)•由于内燃机把燃烧移到气缸内部，与蒸汽机相比较可明显升高高温热源温度，因而效率将高于蒸汽机。•内燃机主要有奥托循环(Ottocycle)与狄塞尔(Dieselcycle)循环两种形式。(一)定体加热循环(奥托循环)•德国工程师奥托(Otto,1832-1891)于1876年仿效卡诺循环设计使用气体燃料的火花塞点火式四冲程内燃机。•所使用的工作物质主要是天然气体及汽油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机(gasolineengine)。在(2-3)等体吸热Q1(4-1)等体放热Q2。设气体定体摩尔热容为CV.m，则)(23,1TTCQmV)(41,2TTCQmV•因为(1-2)和(3-4)是绝热过程，由TVγ-1=常数可知23141211TTTTQQ热142321TTTTQQ1214312112)()(VVTTVVTT及14234312TTTTTTTT11212123141111KVVTTTTTT热)(23,1TTCQmV)(41,2TTCQmV•其中K=V1/V2称绝热容积压缩比。•可见K越大，效率越高。•但过大的K将引起所谓爆震现象，对机件保养不利。•一般认为，汽油机的K不能大于10。•假设K=7，算得奥托循环的效率为•=55%•实际的汽油机其效率低于此数，一般最高仅40%多左右。11K热21VVK(二)定压加热循环(狄塞尔循环)•德国工程师狄塞尔(Diesel,1856-1913)于1892年提出了压缩点火式内燃机的原始设计。•所谓压缩点火式就是使燃料气体在气缸中被压缩到它的温度超过它自己的点火温度(例如，气缸中气体温度可升高到600-700℃，而柴油燃点为335℃)。•这时燃料气体在气缸中一面燃烧，一面推动活塞对外作功。•1897年最早制成了以煤油为燃料的内燃机，以后改用柴油为燃料，这就是我们通常所称的柴油机(Dieselengine)。•其简化循环称为狄塞尔循环也称为定压加热循环.),(23,1TTCQmp)(41,2TTCQmV)()(41.23,21TTCTTCQQmVmp•最后可得)(1)()(11231423,14,12TTTTTTCTTCQQmpmV热)()(41.23,21TTCTTCQQmVmp)1(1)(11K热•由于狄塞尔循环没有K＜10的限制，故其效率可大于奥托循环。•柴油机比汽油机笨重而能发出较大功率，因而常用作大型卡车、工程机械、机车和和船舶的动力装置。