汽车发动机原理教案

1、发动机原理与汽车理论发动机原理与汽车理论教案教案 1第一章第一章 工程热力学基础工程热力学基础学习目的与要求掌握汽车发动机热力学的基本概念。了解传热学的基本概念和逆循环。掌握热力学第一定律和第二定律。理解理想气体状态方程和多变过程方程。了解混合气体的比热、热力学性质。学习重点热力系统、热力过程及热力状态的基本概念，热力学第一定律。多变过程方程。燃烧基本知识。热效率的计算及影响因素。学习难点热力过程方程，功、能、热的异同点。卡诺循环与卡诺定理。1.1 工程热力学基本概念工程热力学基本概念1.什么是工程热力学 从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及有效、合理地

2、利用热能的途径。锅炉一 烟气 一 水 一水蒸气一(直接利用) 供热；锅炉一 烟气 一 水 一水蒸气一汽轮机一 (间接利用)发电冰箱、空调一一(耗能) 制冷2.本课程的研究对象及主要内容 研究对象：与热现象有关的能量利用与转换规律的科学。研究内容：（1） 研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律。（2） 研究工质的基本热力性质。（3） 研究各种热工设备中的工作过程。（4） 研究与热工设备工作过程直接有关的一些化学和物理化学问题。基本特点：1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环 (加压、放热、膨胀、吸热)2 1.1.1 工质及热力系统(一)工质用以实现热能与机械能相互转换

3、或热能转移的媒介物质。如：水蒸气，制冷剂(二)热力系统、外界和边界 1.热力系统：具体制定的，用界面分离出来的研究对象。 2.外界：系统以外与之相关的所有有关物体。 3.边界(界面)：系统与外界的分界面。 界面的性质：它可以是真实的，也可以假想；可以固定也可以移动。边界特性：真实、虚构固定、活动(三) 闭口系和开口系、绝热系统和孤立系统1.热力系统分类： 按热力系统与外界进行物质交换的情况分： 闭口系统：系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界。 开口系统：系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界。绝热系统：系统与外界无热交换。 孤立系统：系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边界，也不与外界发

4、生任何形式的能量交换。热源热力系统分类以系统与外界关系划分：有 无是否传质 开口系 闭口系是否传热 非绝热系 绝热系是否传功 非绝功系 绝功系是否传热 功、质 非孤立系 孤立系1 开口系热力系统非孤立系相关外界孤立系1+2 闭口系1+2+3 绝热闭口系1+2+3+4 孤立系3简单可压缩系统：最重要的系统 简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功1.1.2 工质的热力学状态及基本状态参数一、状态参数和热力过程 （一）状态参数1.状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况2.状态参数：描述工质状态的宏观物理量3.状态参数的特征：(1)状态确定，则状态参数也确定，反之亦然

5、(2)状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下：式中，x1，x2 分别代表两种状态的状态参数状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。例：温度变化山高度变化强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度 T广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量 m、容积 V、内能 U、焓 H、熵 S比参数、比容、比内能、比焓、比熵单位：/kg /kmol 具有强度量的性质二、基本状态参数、温度 温度：标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标摄氏温标：用 t 表示，单位为 热力学 (开尔文或绝对)温标：用 T 表示，单位为 K

6、 可以看出两种温标的温差是相等的热力学第零定律：温度的热力学定义热力学第零定律（R.W. Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。4温度测量的理论基础温度计温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。、压力 压力：单位面积上所承受的垂直作用力。表压与真空： 工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量。测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时当地大气压的差值。表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时

7、，压力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。表压力=绝对压力-大气压力真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空计显示的绝对压力低于大气压力的部分。真空度=大气压力-绝对压力要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的大气压力，然后通过上述公式进行计算。如果大气压力发生变化，即使工质的绝对压力不变，测压计的对数也会变，所以只有绝对压力才是状态参数。 注：工程计算中，必须选取绝对压力5压力的单位： 国际单位制中压力的单位: Pa , 1 Pa=1 N/m2 1 MPa = 106Pa常用单位： 1 atm (标准大气压)= 760 mmHg(毫米汞柱) = 1.013105 Pa 1 mmHg =

8、133.3 Pa 1 at(工程大气压)=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa.比体积和密度 比体积：单位质量的物质所占有的体积，用 v 表示。式中 V体积 ； m质量。 比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。比体积大，物质内部分子间的距离大比体积的倒数为密度1.1.3 平衡状态及其状态方程1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外） ，如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。温差 热不平衡势 压差 力不平衡势 化学反应 化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源

9、）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。为什么引入平衡概念？6如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述，但平衡状态是死态，没有能量交换.状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理：闭口系：不平衡势差 状态变化 能量传递 独立参数数目 N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N = n + 1

10、 = 2绝热简单可压缩系统 N = ?状态方程 基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式取决于工质的性质坐标图简单可压缩系 N=2，平面坐标图1）系统任何平衡态可 表示在坐标图上2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见 p-v 图和 T-s 图1.1.4 理想气体状态方程理想气体理想气体是一种经过科学抽象的假想气体模型。假设：气体分子是一些弹性的质点，分子体积与气体的总体积相比可以忽略不计； 分子相互之间没有作用力（引力和斥力） 。实际气体实际气体气体所处的压力很高，温度很低，或者是刚刚脱离液态，此时它具有很高的密度，以至于分子本身的体积和分子之间的相互作

11、用力均不能忽略的气体。例如，锅炉中产生的水蒸气，制冷剂蒸气，石油气等都属于实际气体。理想气体是实际存在的气体当 p0，0 时的极限气体模型。 7比如空气，烟气中的水蒸气，因其含量少，比体积大，均可当理想气体看待。二、二、 理想气体状态方程理想气体状态方程（克拉贝龙方程） 理想气体的三个基本状态参数之间存在的一定的函数关系。当理想气体处于任一平衡状态时，三个基本状态参数之间满足: pv = R TgRg 气体常数，单位为 J/(kgK)，其数值取决于气体的种类，与气体状态无关。 对于质量为 mkg 的理想气体，有 pV = mR T g 【补充知识点补充知识点】物质的量：物质的量：n ，单位：，

12、单位： mol（摩尔）（摩尔） 。物物质质的的量量是表示物质所含微粒数 (N)（如：分子，原子等）与 阿阿伏伏加加德德罗罗常常数数(NA)之比,即 n=N/NA。它是把微观粒子与宏观可称量物质联系起来的一种物理量。 阿阿伏伏加加德德罗罗常常数数：0.012kg12C 中所含的原子数目。阿伏加德罗常数的符号为 NA。阿伏加德罗常数的近似值为： 6.02310/mol。1mol 任何物质所含的粒子数均为阿伏加23德罗常数个。摩尔质量：摩尔质量： M ，1 mol 物质的质量，物质的质量，kg/mol。 定义：单位物质的量的物质所具有的质量 (1mol 物质的质量）叫摩摩尔尔质质量量，即 1mol

13、该物质所具有的质量与摩尔质量的数值等同 。 物物质质的的量量（n） 、质质量量（m） 、摩摩尔尔质质量量（M）之之间间的的关关系系为为：n=m/M 1kmol 物质的质量在数值上等于该物质的相对分子质量。摩尔体积：摩尔体积： Vm ，1 mol 物质的体积，物质的体积， m /mol。 3 pv = R T pV= MR T gmg若令 RMRg ， n = ， 则有 pV = nRT mVVR摩尔气体常数（又称为通用气体常数摩尔气体常数（又称为通用气体常数), J/(mol K)。根据阿佛伽德罗定律，同温、同压下任何气体的摩尔体积 Vm 都相等，所8以任何气体的摩尔气体常数 R 都等于常数，

14、并且与气体所处的具体状态无关。已知在物理标准状态(压力为 101325Pa，温度为 273.15K)下，1kmol 任何气体所占有的体积为 22.41410 m 。故有 R=8.314J/(molK) 3例例 4-1 氧气瓶内装有氧气，其体积为 0.025m3，压力表读数为 0.5MPa，若环境温度为 20，当地的大气压力为 0.1 MPa，求：（1）氧气的比体积；（2）氧气的物质的量。解：（1）瓶中氧气的绝对压力为 p（0.50.1）1060.6106（Pa） 气体的热力学温度为 T273.1520293.15 （K） 气体常数为 R =259.8 J/（kgK）gMR3-10328.314

15、 根据公式（3-1）得氧气的比体积为 V=0.127 （m /kg） pTRg6106 . 015.2938 .2593（2）根据公式（3-4）得氧气物质的量为 N= 0.610 = 6.154（mol）RTpV15.293314. 8025. 0106 . 066难重点难重点 1、什么是平衡状态、状态方程。2、理想气体的假设条件是什么？3、理想气体的状态方程的各种表达形式？4、什么是物质的量，摩尔质量，摩尔体积？91.21.2 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律能量守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间相互转换时的数量关系，从能量“量”的方面揭示了能量转换的基

16、本规律。 本章以热力学第一定律为理论基础，建立闭口系统和稳定流动开口系统的能量方程，即热力学第一定律的数学表达式，为热力过程计算奠定理论基础。 本章的主要内容：本章的主要内容：理解准平衡过程，掌握可逆过程。掌握能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量的概念，理解热 量和功量是过程量而非状态参数。掌握体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及它们之间的 关系。理解焓的定义式及其物理意义。熟练使用 p-v 图和 T-s 图，能在图上标出状态、过程和循环。理解热力学第一定律的实质能量守恒定律。掌握封闭热力系的能量方程，能熟练运用能量方程对封闭热力系进行 能量交换的分析和计算。掌握开口热力系的稳

17、定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方程 对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。了解常用热工设备主要交换的能量及稳定流动能量方程的简化形式。本章的重点：本章的重点：理解热力过程中能量转换的规律，针对封闭系统、稳定流动开口系统会运用热力学第一定律分析计算能量转换问题。本章难点：本章难点：1、对体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、焓、熵的定义、计算及它们之间的关系理解起来会有一定的难度。102、熟练运用热力第一定律的表达式能量方程对实际工程问题进行能量交换的分析和计算需要一定的技巧，有一定的难度，应结合例题与习题加强练习。3、比热容的种类较多，理解起来有一定的难度。应注意各种比热容的区别

18、与联系。在利用比热容计算过程热量及热力学能和焓的变化量时应注意选取正确的比热容，不要相互混淆，应结合例题与习题加强练习。1.2.1.1 准平衡过程与可逆过程准平衡过程与可逆过程首先要知道什么是首先要知道什么是“热力过程热力过程” 系统从一个状态到达另一个状态所经历的全部状态变化称为热力过程，简称过程。区别“过程与状态” ，即引入“准平衡过程”的原因。系统状态的改变意味着本身的平衡态被破坏，而实际的热力过程也正是由于各处温度、压力或密度的不平衡引起的。当引起变化的不平衡势差消失后，过程结束，系统又恢复到平衡状态。热力过程所经历的中间状态是不平衡状态，过程进行得愈快，系统就越偏离平衡状态。这样的过

19、程非常复杂，讨论起来很困难，为了简化问题，我们引入准平衡过程的概念。一切实际热力过程都是热力系与外界之间不平衡势差作用的结果。1. 准平衡过程准平衡过程 假设系统在热力过程中所经历的每一个状态都无限地接近平衡状态，这种过程称为准平衡过程，或准静态过程。准平衡过程是一种理想过程。在系统内外的不平衡势（如压力差、温度差等）较小、过程进行得足够缓慢的情况下，可以将实际过程近似地看作准平衡过程。准平衡过程可在参数坐标图上近似地用连续的实线表示。 热力学中所研究的热力过程，一般都指准平衡过程。如果系统的平衡状态被破坏后能不断恢复平衡状态，这一过程所需的时间即驰豫时间相对于整个过程来讲又非常短，也就是说系

20、统只有很短的时间偏离平衡状态，那么，这个过程就可以作为准平衡过程。112. 可逆过程可逆过程如果系统完成某一热力过程后,再沿原来路径反向进行时,能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。反之,则称为不可逆过程。 举例：取汽缸中的工质为系统。工质自热源吸热，同时进行绝热膨胀而对外做功，忽略系统内部的工质内摩擦、设备各部分的机械摩擦损失，系统所做的功全部用来推动飞轮，以动能的形式储存在飞轮中。如果过程沿原路反向进行，以飞轮储存的动能来推动活塞压缩工质，使其回到原来位置，则系统向热源所放出的热量正好等于系统在膨胀过程中从热源所吸收的热量。这就是可逆过程。实际过程都是不可逆

21、过程，如传热、混合、扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等。可逆过程是一个理想过程。可逆过程的条件： 准平衡过程无耗散效应区别“准平衡过程”和“可逆过程” 。 1.2.1.2 系统总储存能系统总储存能【热力系统储存能热力系统储存能】1、定义：、定义：储存于热力系统的能量。符号：E ，单位为 J 或 kJ 。2、分类：、分类： 热力学能（内部储存能）：取决于系统本身的热力状态的能量。 外部储存能：系统的宏观动能和重力位能。下面我们分别学习这两种能量。热力学能热力学能指组成物质的微观粒子本身所具有的能量。它包括两部分：一是分子热运动的动能，称为内动能；二是分子之间由于12相互作用力而具有的位能，称为内位

22、能。 A、符号：U , 单位为 J 或或 kJ 。B、单位质量工质的热力学能称为比热力学能比热力学能。符号：u；单位：J/kg 或或kJ/kg。C、函数表达式：u = f ( T , v ) 。说明热力学能是状态参数 T 和 v 的函数，则热力学能也是状态参数。热力学能与状态有一一对应的关系。 D、热力学能取决于工质的温度和比体积。 E、对于理想气体，热力学能是温度的单值函数，有 u = f ( T ) 。 外部储存能外部储存能包括宏观动能 E 和重力位能 E ，单位为 J 或 kJ 。其中：kpE = E = mgzk22mcp【得出结论得出结论】 E=U+ E + E =U+ mgzkp2

23、2mc比总储存能 e ，单位为 J/kg 或 kJ /kg。 e=u+e +e =u+c +gzkp212难重点难重点1、区分可逆过程和准平衡过程；2、系统储存能包括及部分，各是什么，表示符号和表达式是什么？系统总储存能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）一、热力学能13热力学能是状态量 U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定说对理想气体 u=f (T) 二、外储存能 系统工质与外力场的相互作用 所具有的能量如：重力位能以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量 如：宏观动能 组成系统总能 外部储存能 宏观动能 Ek= mc2

24、/2宏观位能 Ep= mgz机械能系统总能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用 U, dU, u, du1.2.1.3 系统与外界传递的能量系统与外界交换的能量的三种方式：1.功量2.热量3.工质通过边界时所携带的能量一、热量 单位：kJ 或 kcal 且 l kcal=4.1868kJ定义：在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。特点:是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关系统吸热热量为正，系统放热热量为负热量的计算和 T-s 图： 单位工质：熵（S）：状态参数，是可逆过程有无热量传递的标志性参数。单位质量物质的熵称为比熵，用 s 表示。

25、比熵增大,系统吸热；比熵减小，系统放热。二、功量除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.21TdSQ21Tdsq141膨胀功 W：2 轴功 W:在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。通过轴系统与外界传递的机械功单位：l J=l Nm膨胀功是热变功的源泉刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换功的计算：可逆过程的比容变化功 w 的大小可以在 p-v 图上 用过程曲线下面的面积表示，如图所示。单位质量气体的膨胀功为： 三、随物质传递的能量1 流动工质 本身具有的能量2 流动功(或推动功)为推动流体通过控制体界面而传递的机

26、械功.推动 1kg 工质进、出控制体时需功注意: 取决于控制体进出口界面工质的热力状态由泵风机等提供四、焓 焓=内能+流动功 焓的物理意义：.对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量.2121pdvwmgzmcUE2211122vpvpwf15思考：特别的对理想气体 h= f (T) .对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数1.2.2 热力学第一定律一、热力学第一定律的实质 热力学第一定律：能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系。 热力学第一定律：热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。 第

27、一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备二、热力学第一定律的数学表达式1、闭口系能量方程式输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储存能量的变化能量平衡关系式：闭口系：系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量 Q；对外界做膨胀功 W；对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能均无变化，有：对于微元过程，有：对于单位质量工质，有：各项正负号的规定：吸热和对外作功为正， 放热和外界对系统作功为负2、开口系统的稳定流动能量方程） 、稳定流动的能量方程每截面状态不变稳定流动条件稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动能量方程的推导1kg 工质W

28、UQWdUQwduqwuq,swzgchq22116稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程轴功：通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用 Ws 表示。在上式中，后三项实际上都属于机械能，故把此三项合并在一起称技术功（Wt） 。 单位质量工质： 故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为： 可逆过程技术功的大小可以在 p-v 图上用过程线以左和纵坐标围成的面积表示。几种功的关系做功的根源准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示四、稳定流动能量的应用.动力机.压气机.热交换器.喷管.节流装置1.3 理想气体的热力过程理想气体的热力过程教学重点：理想

29、气体主要热力过程的分析和计算教学建议：在本章教学中，对每一基本热力过程应侧重从过程方程、过程曲线、初终状态关系、功量、热量及内能变化几个方面分析作业要求：使用理想气体基本热力方程式进行相关的计算。热力过程分析的目的与方法热力过程分析的目的与方法1.分析热力过程的目的：提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响 twhqstwzgcw22117主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件, 合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算2.研究热力学过程的对象与方法对象方法研究热力学过程的依据研究热力学过程的步骤1) 确定过程方程-该过程中参数变化关系5) 计算 w , wt

30、, q3) 用 T - s 与 p - v 图表示2) 根据已知参数及过程方程求未知参数 第一节 理想气体基本热力过程一、 理想气体的定容过程 (isometric process)过程方程理想气体 v 的参数关系 v=定值理想气体 v 的热量和功作为简单可压缩物质，对于气体的可逆定容过程，其过程功根据热力学第一定律，有所有气体定容过程的热量等于工质的热力学能增量理想气体 v 的热量和功（二）综合以上两式，有注：此式对实际气体仅适用于定容过程对理想气体，适用于理想气体的任何过程因为理想气体热力学能仅为温度的函数对有限定容过程，有（比热容为定值）理想气体 v 的过程曲线曲线为正斜率凹向上曲线,且

31、斜率随 T 上升而增大二、 理想气体的定压过程过程方程（isobaric process）理想气体 P 的参数关系00vvdwpdvwvvdqduc dTdTcduv181.理想气体 P 的热量和功（一）对于可逆定压过程的技术功，则有可逆定压过程中系统不作技术功2.理想气体 P 的热量和功（二）根据热力学第一定律，有所有气体可逆定压过程的热量等于工质的焓增量对有限定压过程所有气体比热容为定值理想气体 P 的过程曲线曲线为正斜率凹向上曲线,且斜率随 T 上升而增大相同温度下显然，过同一点（温度相同）的定容线斜率大于定压线斜率三、 理想气体的定温过程（isothermal process）过程方程

32、对理想气体，有理想气体 T 的参数关系定温过程中理想气体的压力与其比体积成反比。理想气体的定温过程即定热力学能过程和定焓过程理想气体 T 的热量和功对理想气体，定温过程即定热力学能过程，由热力学第一定律，有根据理想气体状态方程有对有限过程理想气体 T 的过程曲线理想气体的定温过程应为等腰双曲线在 Pv 图上定温线有负的斜率且根据理想气体状态方程不难推知，离坐标原点愈远的定温线其温度值愈高四、 理想气体的绝热过程（等熵过程）（adiabatic process，or isentropic process）说明: (1) 不能说绝热过程就是等熵过程,必须是可逆绝热过程才是等熵过程。 (2) 不仅

33、s 处处相等 绝热可逆三个条件: 0 vdPdwt21pPqhc dT constTdT 0constPv 19 (1)理想气体 (2)可逆过程 (3) k 为常数理想气体 s 的过程方程二、多变过程理想气体的多变过程 (Polytropic process)过程方程n 是常量，每一过程有一 n 值初终态关系 n理想气体 n u, h, s,的计算内能变化焓变化熵变化 状态参数的变化与过程无关理想气体 n w,wt ,q 的计算多变过程比热容(1) 当 n = 0 (2) 当 n = 1多变过程与基本过程的关系(3) 当 n = k (4) 当 n = 基本过程是多变过程的特例基本过程的计算是

34、我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表1 公式汇总理想气体基本过程的计算斜率理想气体基本过程的 p-v,T-s 图三、活塞式压气机的压缩过程分析压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、制冷空调等等constpvnvuc dT phc dT 22v112222ppv1111lnlnggvdTscRTvpdTdvdpcRccTpvp 20理论压气功(可逆过程)目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功 wt(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是 可能的压气过程三种压气过程的参数关系三种压气过程功的计算四 、小结1、

35、理想气体各种可逆过程的特性， 参数变化，功，热的计算。2、p-v 图，T-s 图上的表示3、压气机热力过程的分析方法 1.4 热力学第二定律热力学第二定律教学重点教学重点：循环、可逆循环、熵、热图力学第二定律、卡诺定理及熵增原理教学建议：教学建议：根据本专业特点，在教学中应适当反复强调逆循环及工作系数的概念，应注意引用实例说明“过程进行的方向性与不可逆性”概念。作业要求：作业要求：使用卡诺定理及孤立系统熵增原理进行相关的计算。本章知识点本章知识点理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失

36、的计算，本章重点（1）l深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。本章重点（2）214深入理解熵增原理,并掌握其应用。5深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法1.4.1 热力循环热力循环要实现连续作功，必须构成循环定义： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。不可逆循环分类：可逆和不可逆过程循环：可逆循环和正循环净效应：对外作功净效应：吸热正循环：顺时针方向逆循环净效应：对内作功净效应：放热

37、逆循环：逆时针方向热力循环的评价指标正循环：净效应（对外作功，吸热）动力循环：热效率热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）制冷循环：制冷系数热力循环的评价指标逆循环：净效应（对内作功，放热）制热循环：制热系数热力学第一定律：热力学第一定律：能量之间数量的关系能量守恒与转换定律热力学第二定律：热力学第二定律：所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。22自然界自发过程都具有方向性举例：热量由高温物体传向低温物体摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件

38、、限度摩擦生热 热量 100% 热量 发电厂 功量 40%热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面1.4.2 热力学第二定律的表述与实质热力学第二定律的表述与实质热二律的表述有 60-70 种1851 年 开尔文普朗克表述 热功转换的角度1850 年 克劳修斯表述 热量传递的角度开尔文普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变 热机：连续作功构成循环有吸热，有放热但违反了热力学第二定律热二律与第二类

39、永动机第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的克劳修斯表述不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功23两种表述的关系开尔文普朗克表述完全等效!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!1.4.3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺 (S. Carnot)，1824 年提出 卡诺循环热机能达到的最高效率有多少？热二律奠基人效率最高S. 卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832

40、）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人卡诺循环 理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1 绝热压缩过程，对内作功1-2 定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1)2-3 绝热膨胀过程，对外作功3-4 定温放热过程， q2 = T2(s2-s1)卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率 t,c 只取决于恒温热源 T1 和 T2 ， 而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明 T1 t,c , T2 c ，温差越大，t,c 越高 当 T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c tR 只要证明 tIR = tR 反证法,假定：tIR = tR 令 Q1 = Q

41、1 则 WIR = WR 工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。 Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0 WR卡诺定理推论二在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。求证： tR1 = tR2 由卡诺定理tR1 tR2 tR2 tR1 WR2只有： tR1 = tR2 与工质无关卡诺定理小结1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR = tC 2、多热源间工作的一切可逆热机 tR 多 同温限间工作卡诺机 tC 3、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR p p = p 靠缸内压力将气体挤出气缸，

42、其中p缸内压力, p排气管内压力。2 强制排气阶段 B p = p p p靠活塞上行将废气挤出气缸。403 超临界排气 C 排开 p = 1.9 p在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速 m/s。其akRT流量与压差 （p - p）无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。4 亚临界排气 D p = 1.9 p 排闭。 其流量取决于压差 （p - p） 。（二） 进气过程和气门叠开角 由于节流作用, 缸内产生负压；（）使新鲜介质进入缸pp0内。气阀叠开角：非增压：2060 CA。 太大（引起） 废气回流进气道。 太小 扫气作用不明显。 增压：110140 CA。 进气管 p, 扫气明显, 气

43、阀叠开角可以增大很多。如 6135 型高柴：非增压：40, 增压：124。扫气的作用：1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。2 降低排气温度。 3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。413.1.2 换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差。 如图：换气损失功换气损失功X+X+（Y+WY+W）, 其中（W+Y） 为排气损失功，X 为进气损失功。（一） 排气损失功 Y W 是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自由排气损失。Y 是活塞作用在废气上的推出功, 称为强制排气损失功。 排气提前角排气提前角 W W ，Y Y 。 综合效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应排气提前角亦有一个最佳值, n n （W+YW+Y）minmin 。（二） 进气损失功 X 进气损失功小于排气损失功，即 X X d进d排2 四气门 流通面积 40%左右。但结构复杂，造价较高。f1 （可达 30%）， f1vNege3 气门升程 h h，时面值 v4 阀顶过渡圆角 R R f1v R 流动阻力 v R 应适中。（二） 进气管1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积 沿程阻力 v2 转弯和节流阻力48 转弯半径 R，截