汽车发动机原理热力学

汽车发动机原理热力学第1页，课件共35页，创作于2023年2月课程概述一、课程的性质和任务

1、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括动力性、经济性、排放性等。

2、分析影响发动机性能指标的因素。

3、找出提高发动机性能指标的途径。三、课程主要内容主要内容包括：工程热力学基础、发动机示功图和性能指标、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、发动机的排放与控制等。第2页，课件共35页，创作于2023年2月第一章工程热力学基础本章要求：了解：热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。理解：热力学第一和第二定律，Ｐ－Ｖ图和Ｐ－Ｓ图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。

第3页，课件共35页，创作于2023年2月第一节气体的状态及状态方程一、热力系统1、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，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。第4页，课件共35页，创作于2023年2月二、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，即具有均匀一致的P、V、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。第5页，课件共35页，创作于2023年2月基本状态参数：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）第6页，课件共35页，创作于2023年2月三、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7页，课件共35页，创作于2023年2月第二节热力过程及过程量功：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）第8页，课件共35页，创作于2023年2月规定：热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。由δW=PdV得：

dV>0，膨胀,δW>0，系统对外界做功；

dV<0，压缩,δW<0，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,W>0压缩,W<0第9页，课件共35页，创作于2023年2月三、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。第10页，课件共35页，创作于2023年2月四.熵和温熵图熵S的增量等于系统在过程中交换热量除以传热时绝对温度所得的商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是一个状态参数ds>0,Q>0,吸热;ds<0,Q<0,放热;ds=0,无热量交换.吸热,Q>0放热Q<0第11页，课件共35页，创作于2023年2月一、热力学第一定律表述为：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。对于一个热力系统：

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，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。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。第三节热力学第一定律第12页，课件共35页，创作于2023年2月二、内能-工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：微观能量即系统的内能，包括：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。系统本身所具有的能量包括：动能位能机械能第13页，课件共35页，创作于2023年2月三、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。第14页，课件共35页，创作于2023年2月四、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（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/cν第15页，课件共35页，创作于2023年2月

3、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：

qν=cν(T2-T1)

由热力学第一定律

q=w+Δu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，第16页，课件共35页，创作于2023年2月第四节理想气体的热力过程要求掌握：

1、过程的定义；

2、过程方程式；

3、过程中各基本参数之间的关系；

4、过程量的计算；

5、过程曲线，重点掌握P-V曲线，对T-S

曲线作一般了解；

6、多变过程的概念。第17页，课件共35页，创作于2023年2月工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个典型的热力过程—定容、定压、定温和绝热—称为基本热力过程。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：第18页，课件共35页，创作于2023年2月5、过程曲线等容加热温度升高等容放热温度降低２’２第19页，课件共35页，创作于2023年2月二、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+pdv=Δu+d（pv）=Δu+d（RT)=Δu+RdT

cp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R

—迈耶公式另外：

cp/cν=k—绝热指数第20页，课件共35页，创作于2023年2月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）。第21页，课件共35页，创作于2023年2月三、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=P2ν2

4、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。第22页，课件共35页，创作于2023年2月5、过程曲线等温压缩对外放热等温膨胀吸热22’第23页，课件共35页，创作于2023年2月四、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+u

q=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。第24页，课件共35页，创作于2023年2月5、过程曲线绝热压缩温度升高绝热膨胀温度降低第25页，课件共35页，创作于2023年2月

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=常数第26页，课件共35页，创作于2023年2月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=

nW<0W＞0n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27页，课件共35页，创作于2023年2月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、热力循环的热效率；

3、卡诺循环的热效率。第28页，课件共35页，创作于2023年2月一、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。

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，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，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。第29页，课件共35页，创作于2023年2月二、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环。逆向循环—靠消耗机械功将热量从低温热源传向高温热源的循环。（或称热泵循环）第30页，课件共35页，创作于2023年2月1、循环净功量1-2-3-4-1：顺时针进行的热力过程，过程曲线所围成的面积为正，称为正循环。w

1-4-3-2-1：逆时针进行的热力过程，过程曲线所围成的面积为负，称为负循环。循环净功W=Q1-Q2Q1为1-2-3，工质从高温热源吸热Q2为3-4-1，工质从向低温热源放热第31页，课件共35页，创作于2023年2月定义：循环净功与从高温热源吸收热量的比值ηT=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1

W:对外作出的循