汽车发动机原理热力学精选PPT.ppt

《汽车发动机原理热力学精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车发动机原理热力学精选PPT.ppt（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、汽车发动机原理热力学第1页，此课件共35页哦课课 程程 概概 述述一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务 1、研研究究发发动动机机的的工工作作过过程程和和性性能能指指标标，主主要要包包括括动动力性、经济性、排放性等。力性、经济性、排放性等。2、分析影响发动机性能指标的因素。、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。、找出提高发动机性能指标的途径。三、课程主要内容三、课程主要内容主要内容包括：主要内容包括：工程热力学基础工程热力学基础、发动机示功图和性能指、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标、燃料和燃烧、发动机换气、汽油机混合气的形成

2、与燃烧过程、柴油机混合气的形成与燃烧过程、发动机特燃烧过程、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。性、发动机的排放与控制等。第2页，此课件共35页哦第一章第一章 工程热力学基础工程热力学基础本章要求：本章要求：了解：了解：热力系统、工质、热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。理想气体和卡诺循环等。理解：理解：热力学第一和第二热力学第一和第二定律，图和定律，图和图，理想气体的热力过程图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。和发动机的理想循环。第3页，此课件共35页哦第一节第一节 气体的状态及状态方程气体的状态及状态方

3、程一、热力系统一、热力系统1 1、在热力学中，从若干个物体中、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称为规划出所要研究的对象，称为热力系统热力系统；热力系热力系外界外界界面界面2 2、工质：、工质：在热力设备中用来实现热能与其它形式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。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热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。交换。研究对象以外的一切物质，称为研究对象以外的一切物质，称为外界外界；热力系统和外界的分界面，称为热力系统和外界的分界面，称为界面界面。第4页，此课件共35页哦二、热力状态与状态参数二、热力状态与

4、状态参数1 1、热力状态：、热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。物理状况。热力平衡状态：热力平衡状态：当外界条件不变系统内状态长时间当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的不变，即具有均匀一致的P P、V V、T T。2 2、状态参数：、状态参数：用来描述气体热力状态的物理量用来描述气体热力状态的物理量基本状态参数：基本状态参数：可直接测量的状态参数，包括：压可直接测量的状态参数，包括：压力力(P)(P)、比容、比容()()、温度、温度(T)(T)。主要状态参数：主要状态参数：压力压力P P、比容、比容、温度、温度T T、内能、内能、熵、

5、熵、焓焓。第5页，此课件共35页哦基本状态参数：基本状态参数：1 1、比容：、比容：用用表示，单位是表示，单位是m m3 3/kg/kg 。定义：定义：单位质量的物质所占的容积。即：单位质量的物质所占的容积。即：=V/M =V/MV-V-物质的容积物质的容积,m,m3 3;M-;M-物质的质量，物质的质量，kgkg。比容的倒数是？比容的倒数是？2 2、压力、压力：用用P P表示，单位是表示，单位是PaPa，MpaMpa、kPakPa。定义：定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。系统单位面积上受到的垂直作用力。即：即：P=F/A P=F/A 压力的测量压力的测量3 3、温度：、温度：用用T T表

6、示，单位是表示，单位是K K。定义：定义：表征物体的冷热程度表征物体的冷热程度（气体分子的平均动能气体分子的平均动能越大）越大）第6页，此课件共35页哦三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程 1 1、理想气体：、理想气体：气体分子本身不占有体积，分气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。子之间无相互作用力的气体。2 2、理想气体的状态方程：、理想气体的状态方程：P=RT PV=mRT V=mP=RT PV=mRT V=m 对空气，对空气，R=0.287kJ/kgKR=0.287kJ/kgK 3 3、压容图、压容图 气体的状态也可用气体的状态也可用P-VP-V图上的一个点表示，

7、比较图上的一个点表示，比较直观。直观。第7页，此课件共35页哦第二节第二节 热力过程及过程量热力过程及过程量功功：W=Fdx=APdx=PdVW=Fdx=APdx=PdV W W1 12 2=1 12 2PdVPdV对单位质量的工质对单位质量的工质：w w1 12 2=W/m=W/m=1 12 2PdV/m PdV/m =1 12 2Pd Pd 故故P-VP-V图上图上,W W1 12 2为过程线与横轴围成为过程线与横轴围成的面积。的面积。一、热力过程一、热力过程 热力系统从一个平衡状态到热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程。另一个平衡状态的变化历程。P-V P-V图上图上,一个点

8、表示气一个点表示气体的一个热力状态体的一个热力状态;一条曲线表示一个热力过一条曲线表示一个热力过程。程。二、膨胀功二、膨胀功（）（）气体在热力过程中由于体积气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又称为发生变化所做的功（又称为容积功容积功）第8页，此课件共35页哦规定：规定：热力系统对外界做功为正，外界对热力系统热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。做功为负。由由W=PdVW=PdV得：得：dV0dV0，膨胀，膨胀,W0,W0，系统对外界做功；系统对外界做功；dV0dV0，压缩，压缩,W0,W0,W0压缩压缩,W0,W0,Q0,ds0,Q0,吸热吸热;ds0,Q0,ds0,Q0放热

9、放热Q0第11页，此课件共35页哦一、热力学第一定律一、热力学第一定律表表述述为为：当当热热能能与与其其它它形形式式的的能能量量相相互互转转换换时时，能能的的总总量量保保持不变。持不变。对于一个热力系统：对于一个热力系统：进入系统的能量进入系统的能量-离开系统的能量离开系统的能量 =系统内部储存能量的变化量系统内部储存能量的变化量热热力力学学第第一一定定律律是是能能量量转转换换与与守守恒恒定定律律在在热热力力学学上上的的具具体体应应用用，它它阐阐明明了了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。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

10、平衡关系。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。第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律第12页，此课件共35页哦二、内能二、内能-工质内部所具有的各种能量总称工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的微观能量即系统的内能内能，包括：，包括：宏观能量宏观能量微观能量微观能量内动能内动能内位能内位能内位能内位能与分子间的距离、吸引力有关与分子间的距离、吸引力有关,是比容的函数是比容的函数；内动能内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单值函数。是温度的单值函数。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故

11、内能只是分子的对于理想气体，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，内动能，仅与温度有关，是温度的单值函数是温度的单值函数，用符号用符号u u表示，表示，单位单位J J。系统本身所具有的能量包括：系统本身所具有的能量包括：动能动能位能位能机械能机械能第13页，此课件共35页哦三、闭口系统的能量方程三、闭口系统的能量方程1 1、定义、定义:与外界没有质量交换的系统。与外界没有质量交换的系统。2 2、能量方程式、能量方程式 Q-W=UQ-W=U故故Q=U+WQ=U+W对于微元过程：对于微元过程：Q=dU+WQ=dU+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=u+w q=u+w （/K

12、g)/Kg)闭口系统能量方程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。程的性质和工质性质的限制。第14页，此课件共35页哦 四、理想气体的比热四、理想气体的比热1 1、比热的定义和单位、比热的定义和单位热热容容量量：向向热热力力系系统统加加热热（或或取取热热）使使之之温温度度升升高高（或降低）（或降低）1K1K所需的热量所需的热量,用用C C表示。表示。比比热热：单单位位质质量量工工质质的的热热容容量量，用用c c表表示示。即即c=C/m c=C/m 单单位位J/(kgKJ/(kgK）或或c=dq/dTc=dq

13、/dT（单单位位质质量量的的物物质质作作单单位位温温度度变变化时吸放的热量）化时吸放的热量）2 2、比热与过程的关系、比热与过程的关系功功 量量 和和 热热 量量 都都 是是 过过 程程 量量，故故 比比 热热 与与 过过 程程 有有 关关。热热力力过过程程中中最最常常见见的的加加热热过过程程是是保保持持压压力力不不变变和容积不变，因此比热也相应的分为和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比定压质量比热热和和定容质量比热定容质量比热，分别以符号，分别以符号c cP P 和和c c 表表示。绝热指数：示。绝热指数：K=cK=cP P/c/c第15页，此课件共35页哦 3 3、比热与气体性质、温

14、度的关系、比热与气体性质、温度的关系 实实验验证证明明，多多数数气气体体的的比比热热随随温温度度的的升升高高而而增增大大，但但为为使使计计算算简简便便，不不考考虑虑比比热热随随温温度度的的变变化化，即即采采用用定定值值比比热热（或或定比热）定比热）。五、理想气体内能的计算五、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：在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为：q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1)由热力学第一定律由热力学第一定律 q=w+uq=w+u推出：推出：u=cu=cv v(T(T2 2-T-T1 1)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内能是一

15、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度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且且 w=0w=0，第16页，此课件共35页哦第四节第四节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程要求掌握：要求掌握：1 1、过程的定义；、过程的定义；2 2、过程方程式；、过程方程式；3 3、过程中各基本参数之间的关系；、过程中各基本参数之间的关系；4 4、过程量的计算；、过程量的计算；5 5、过程曲线，重点掌握、过程曲线，重点掌握P-VP-V曲线，对曲线，对T-ST-S 曲线作一般了解；曲线作一般了解；6 6、多变过程的概念。、多变过程的概念。第17页，此课件共35页哦

16、工工程程热热力力学学把把热热机机循循环环概概括括为为工工质质的的热热力力循循环环，热热力力循循环环分分成成几几个个典典型型的热力过程的热力过程定容、定压、定温和绝热定容、定压、定温和绝热称为基本热力过程。称为基本热力过程。一、定容过程一、定容过程1 1、定定义义：过过程程进进行行中中系系统统的的容容积积（比比容容）保保持持不不变变的的过程。过程。2 2、过程方程式：、过程方程式：=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：P P1 1/P/P2 2=T=T1 1/T/T2 2,P P1 1/T/T1 1=P=P2 2/T/T2 24 4、过程量的计算：、过程量的计算：由由 W W1 12

17、2=1 12 2PdVPdV，且且 dV=0dV=0 w=0w=0 q=u q=u即：加入工质的热量全部即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。转变为工质的内能。又又 q=u+wq=u+w，q=qq=q=u=u =c=c(T(T2 2-T-T1 1)由由 PV=RTPV=RT 知，知，P/T=P/T=常数常数，所以：所以：第18页，此课件共35页哦5 5、过程曲线、过程曲线等容加热等容加热温度升高温度升高等容放热等容放热温度降低温度降低第19页，此课件共35页哦二、定压过程二、定压过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统的压力保持不变。过程进行中系统的压力保持不变。2 2、过程方程式：、过程

18、方程式：P=P=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：由由/T=/T=常数常数 1 1/T/T1 1=2 2/T/T2 2 1 1/2 2=T=T1 1/T/T2 24 4、过程量的计算：、过程量的计算：q qp p=c=cp p(T(T2 2-T-T1 1)w=w=1 12 2Pd=P(Pd=P(2 2-1 1)又又 u u =c=c(T(T2 2-T-T1 1)由热力学第一定律：由热力学第一定律：q qp p=u+pdv=u+pdv=u+du+d（pvpv）=u+du+d（RT)=RT)=u+RdTu+RdTc cp p(T(T2 2-T-T1 1)=c)=c(T(T2 2-T-T

19、1 1)+R(T)+R(T2 2-T-T1 1)得得:c cp p=c=c+R+R 迈耶公式迈耶公式另外：另外：c cp p/c/c=k=k绝热指数绝热指数第20页，此课件共35页哦5 5、过程曲线、过程曲线等压加热等压加热对外做功对外做功温度升高温度升高21等压放热等压放热对内做功对内做功温度降低温度降低2T-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，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）。定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。第21页，此课件共35页哦三、定温过程三、定温过程1 1、定定义义：过过程程进进行行中中系系

20、统统的的温温度度保保持持不不变变的的过程。过程。2 2、过程方程式：、过程方程式：T=T=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：P=RT=P=RT=常数常数P P1 11 1=P=P2 22 2 4 4、过程量的计算、过程量的计算：T=常数常数 所以所以 u=0由由 q=w+u可得：可得：q=w加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。第22页，此课件共35页哦5 5、过程曲线、过程曲线等温压缩等温压缩对外放热对外放热等温膨胀等温膨胀 吸热吸热22第23页，此课件共35页哦四、绝热过程四、绝热过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统与外界没有

21、热量的传递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，故也称定熵过程）。）。2 2、过程方程式：、过程方程式：PvPvk k=常数常数（推导略）（推导略）K=c cp p/c/c：绝热指数：绝热指数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：由由 Pv Pvk k=常数常数 P P1 1v v1 1k k=P=P2 2v v2 2k k P P1 1/P/P2 2=(v=(v2 2/v/v1 1)k k又又 Pv=RT Pv=RT P=RT/vP=RT/v TvTvk-1k-1=常数常数 T T1 1/T/T2 2=(v=(v2 2/v/v1 1)k-1k-1 T T

22、2 2=T=T1 1(v(v1 1/v/v2 2)k-1k-1=T=T1 1k-1k-14 4、过程量的计算：、过程量的计算：q=w+u q=0推出：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。即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。第24页，此课件共35页哦5 5、过程曲线、过程曲线绝热压缩绝热压缩温度升高温度升高绝热膨胀绝热膨胀温度降低温度降低第25页，此课件共35页哦 五、多变过程五、多变过程 在实际的热力过程中，在实际的热力过程中，P P、T T的变化的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊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

23、、更一般的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即的过程即多变过程多变过程来描述。来描述。1 1、过程方程式、过程方程式：PvPvn n=常数常数n:n:多变指数。多变指数。等压过程；等压过程；n=1,Pv=n=1,Pv=常数常数等温过程；等温过程；n=k,Pvn=k,Pvk k=常数常数绝热过程；绝热过程；n=,v=n=,v=常数常数等容过程。等容过程。n=0,P=n=0,P=常数常数第26页，此课件共35页哦2 2、各过程在、各过程在P-vP-v图上的比较图上的比较等压线等压线:压力升高部分压力升高部分压力降低部分压力降低部分等容线等容线:膨胀部分膨胀部分压缩部分压缩部分等温线等温线:

24、温度升高部分温度升高部分温度降低部分温度降低部分绝热线绝热线:吸热部分吸热部分放热部分放热部分n=1n=1n=kn=kn=n=nW0W0W W0 0n从从 到到0，放热，放热0 吸热；等温线右内能增加，左内能减少。吸热；等温线右内能增加，左内能减少。例如压缩机压缩过程：例如压缩机压缩过程：K Kn n第27页，此课件共35页哦第五节第五节 热力学第二定律热力学第二定律 重点掌握：重点掌握：1 1、热力学第二定律的表述；、热力学第二定律的表述；2 2、热力循环的热效率；、热力循环的热效率；3 3、卡诺循环的热效率。、卡诺循环的热效率。第28页，此课件共35页哦一、热力学第二定律的表述一、热力学第

25、二定律的表述 1 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、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。高温物体。热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。2 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，、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。使之完全转变为有用功，而不向低温热源（冷源）放热。单单热源热机是不存在的。热源热机是不存在的。能能量量传传递递（热热功功转转换换）过过程程的的方方向向、条条件件和和限限度度问问题题，要要由由热热力力学学第第二二定

26、定律来回答。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。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，此课件共35页哦二、热力循环二、热力循环系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。过程称为一个热力循环。（在（在P-VP-V图上，热力循环图上，热力循环是一封闭的曲线。）是一封闭的曲线。）正向循环正向循环把热能转变为机械功的循环。把热能转变为机械功的循环。逆向循环逆向循环靠消耗机械功将热量从低温热源传向靠消耗机

27、械功将热量从低温热源传向 高温热源的循环。（或称高温热源的循环。（或称热泵循环热泵循环）第30页，此课件共35页哦1 1、循环净功量、循环净功量1-2-3-4-11-2-3-4-1：顺时顺时针进行的热力过程，针进行的热力过程，过程曲线所围成的过程曲线所围成的面积为正，称为面积为正，称为正正循环循环。w 1-4-3-2-11-4-3-2-1：逆逆 时时针进行的热力过程，针进行的热力过程，过程曲线所围成的过程曲线所围成的面积为负，称为面积为负，称为负负循环循环。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，此课件共35页哦定义：定义：循

28、环净功与从高温热源吸收热量循环净功与从高温热源吸收热量的比值的比值T T=W/Q=W/Q1 1=(Q=(Q1 1-Q-Q2 2)/Q)/Q1 1=1-Q=1-Q2 2/Q/Q1 1 W:W:对外作出的循环净功；对外作出的循环净功；Q Q1 1:循环中吸收的总热量循环中吸收的总热量;Q Q2 2:循环中放出的总热量。循环中放出的总热量。作用：作用：评价循环的经济性。评价循环的经济性。三三、热机循环的热效率热机循环的热效率第32页，此课件共35页哦三、卡诺循环三、卡诺循环（最理想的热机循环）（最理想的热机循环）由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。

29、卡诺循环的卡诺循环的热效率热效率：1 1、卡诺循环的热效率取卡诺循环的热效率取决于高温热源和低温热源决于高温热源和低温热源的温度，高温热源的温度的温度，高温热源的温度上升，低温热源的温度下上升，低温热源的温度下降，则卡诺循环的热效率降，则卡诺循环的热效率提高。提高。第33页，此课件共35页哦2 2、卡诺循环的热效率永远小于卡诺循环的热效率永远小于1 1。即在循环工作的发动机中，不可能将吸收的热量全部转化即在循环工作的发动机中，不可能将吸收的热量全部转化为功，必定有部分热量传递给低温热源。为功，必定有部分热量传递给低温热源。3 3、当当T T1 1=T=T2 2时，卡诺循环的热效率为时，卡诺循环

30、的热效率为0 0。即在温度平衡的系统中，不可能将热量转化为功（不可能由单一即在温度平衡的系统中，不可能将热量转化为功（不可能由单一热源循环作功）。热源循环作功）。4 4、当当无无论论什什么么工工质质和和循循环环，在在一一定定温温度度范范围围T T1 1到到T T2 2时时之之间间，不不可可能能制制造造出出热热效效率率超超过过1-T1-T2 2/T/T1 1的的热热机机。即即最高热效率只能接近最高热效率只能接近1-T1-T2 2/T/T1 1。这几条结论具有普遍性这几条结论具有普遍性,适用于一切热机。适用于一切热机。第34页，此课件共35页哦四、卡诺定理四、卡诺定理 在在两两个个不不同同定定温温热热源源间间工工作作的的任任何何热热机机的的热热效效率率，不不可可能能大大于于在在同同样样两两个个热热源源间间工工作作的的可可逆逆热热机的热效率。机的热效率。推论：推论：1 1、一一切切可可逆逆热热机机的的热热效效率率彼彼此此相相等等且且等等于于卡卡诺诺热热机机的的热热效效率率，不不可可逆逆热热机机的的热热效效率率小小于于可可逆逆热热机机的热效率。的热效率。2 2、在在内内燃燃机机上上，如如果果排排气气温温度度过过高高，则则内内燃燃机机的的热热效效率率下下降降；提提高高压压缩缩比比，使使T T1 1升升高高，则则内内燃燃机机的热效率升高。的热效率升高。第35页，此课件共35页哦