绪论热力学基础.pptx

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1、会计学1绪论热力学基础绪论热力学基础n绪绪 论论 （3 3学时）学时）n第第1 1章性能指标与影响因素（章性能指标与影响因素（4 4学时）学时）n第第2 2章发动机工作循环（章发动机工作循环（4 4学时）学时）n第第3 3章发动机燃料特性（章发动机燃料特性（2 2学时）学时）n第第4 4章换气过程（章换气过程（5 5学时）学时）n第第5 5章混合气形成和燃烧（章混合气形成和燃烧（8 8学时）学时）n第第6 6章燃料供给与调节（章燃料供给与调节（5 5学时）学时）n第第7 7章使用特性与匹配（章使用特性与匹配（3 3学时）学时）学时分配第1页/共22页课程教学目标：课程教学目标：通过该课程的学习

2、，应掌握热力循环的基础知识；熟练掌握热力发动机的主要循环特点、基本工作原理；熟知发动机混合气形成与燃烧技术，实验理论与方法。主要内容：主要内容：热力学基础知识；发动机个性能指标；发动机的主要循环；燃料特性；换气过程分析；混合气的组织与燃烧；发动机的燃料供给与调节；发动机的使用与匹配。教学安排及方式：教学安排及方式：本课程讲授34学时，共18周，周学时为2。教学大纲教学大纲第2页/共22页考核方式考核方式综合实验综合实验：实验内容为内燃机特性和调节 考核方式考核方式：考试（70%）+平时、作业、试验（30%）*！：每缺课！：每缺课1 1次扣次扣5 5分，迟到及其他分，迟到及其他1 1次扣次扣2

3、2分。分。参考教材参考教材 1、汽车发动机原理与汽车理论，冯健璋主编，机械工业出版社出版，2005年 2、车用内燃机原理，秦有方主编，北京理工大学出版社，1997年 3、汽车拖拉机发动机原理（第3版），董敬等，机械工业出版社，1997年 第3页/共22页绪绪绪绪 论论论论 发动机的地位：发动机的地位：发动机是发动机是汽车的动力源，发动机的性能指标直接影响到汽车的性能、可靠性以及寿命。本课程主要目标：本课程主要目标：汽车发动机原理是以提高发动机性能为主要研究目标，深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能的规格因素，研究提高性能指标的具体措施及努力方向。第4页/共22页热力学基础 汽车发动机汽车发动

4、机 往复活塞式内燃机往复活塞式内燃机 内燃机内燃机 热机：符合热力学过程热机：符合热力学过程热力学热力学：是一门研究物质的能量、能量传：是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。系的科学。工程热力学：是研究热能与其他形式能量工程热力学：是研究热能与其他形式能量之间转换规律及其工程应用的科学。之间转换规律及其工程应用的科学。学习目的：为学习发动机原理提供必要的学习目的：为学习发动机原理提供必要的基础理论和分析方法。基础理论和分析方法。第5页/共22页第一节 热功转换基础一、能量与能源一、能量与能源 能量能量是物质运动状态的量度。

5、是物质运动状态的量度。能源能源是指能够直接或间接提供能量的资源。是指能够直接或间接提供能量的资源。1 1、能量的种类能量的种类：机械能、热能、电能、机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能。化学能、核能、辐射能。2 2、能源的利用形态：、能源的利用形态：一次能源一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其基本：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其基本形态的能源。形态的能源。如，煤、天然气、水能、生物质能、地热能、如，煤、天然气、水能、生物质能、地热能、风能、太阳能等。风能、太阳能等。二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态的能源。的

6、能源。如，电力、蒸汽、焦碳、煤气、沼气、氢气、石如，电力、蒸汽、焦碳、煤气、沼气、氢气、石油制品等；油制品等；生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、排放有压流体等）。排放有压流体等）。第6页/共22页能源再生性能源再生性：一次能源又分为：再生能源和非再生能源。一次能源又分为：再生能源和非再生能源。再生能源：不断再生并有规律地得到补充的能源。再生能源：不断再生并有规律地得到补充的能源。如水能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热等，如水能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热等，取之不尽，用之不竭。取之不尽，用之不竭。地球表面吸收的太阳能约为：地球表面吸

7、收的太阳能约为：8.68.6万兆瓦万兆瓦 非再生能源：经亿万年形成短期内不能再生的能源。非再生能源：经亿万年形成短期内不能再生的能源。如煤炭、石油、天然气、核燃料等。如煤炭、石油、天然气、核燃料等。两次石油危机，非再生能源储量日益减少，需要我两次石油危机，非再生能源储量日益减少，需要我们要节约能源。们要节约能源。能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发利能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发利用。用。节能和环保成为当今世界的主题和热点。节能和环保成为当今世界的主题和热点。第7页/共22页1、能量的种类1：、机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能。、机械能：包括动能、位能（势能

8、）、弹性能、表面张力能。特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能特点：以功的形式表现，有效地转化为其它形式的能、热能：与原子和分子的运动有关的能量。、热能：与原子和分子的运动有关的能量。特点：宏观上以温度的高低表现；特点：宏观上以温度的高低表现；是基本的能量形式是基本的能量形式其它形式的能都能完全转换为热能其它形式的能都能完全转换为热能 。发动机利用的是热能。发动机利用的是热能。、电能：与电子的流动和积累有关的能。电动汽车。、电能：与电子的流动和积累有关的能。电动汽车。特点：以静电场能或感应电场能的形式贮存；特点：以静电场能或感应电场能的形式贮存；以电流形式传递电能；以电流形式传递电能；

9、能有效地转换为其它形式的能。能有效地转换为其它形式的能。、辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射的能。、辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射的能。特点：以电磁射线形式表现；特点：以电磁射线形式表现；根据电磁波的波长分为：根据电磁波的波长分为根据电磁波的波长分为：根据电磁波的波长分为 射线、射线、x x射射线、热辐射、微波。线、热辐射、微波。热辐射热辐射是原子振动而产生的电磁能，是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见光射线、红外线等。包括紫外线、可见光射线、红外线等。第8页/共22页1、能量的种类2：、化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。、化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。如燃料的化学能

10、。如燃料的化学能。特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。即，在化学反应过程中以热能形式释放的内能。即，在化学反应过程中以热能形式释放的内能。、核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。、核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原子能等。如原子能等。特点：在原子核中的粒子相互作用特点：在原子核中的粒子相互作用原子核反应时释原子核反应时释放出来；放出来；原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反应时

11、释放大量能量。种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。第9页/共22页3、热 能、热能发生途径：、热能发生途径：直接产生直接产生如地热能、海洋热能如地热能、海洋热能 通过能量形式转换产生通过能量形式转换产生化学能的转换：燃烧放热反化学能的转换：燃烧放热反 应，生成应，生成CO2CO2和水和水 电能转换：焦耳效应。电能转换：焦耳效应。辐射能转换：热辐射辐射能转换：热辐射 核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热 机械能的转换：摩擦生热机械能的转换：摩擦生热 、热能的利用方式：热利用和动力利用、热能的利用方式：热利用和动力利用 热利用：加热物体，取暖、做饭、烘干

12、、冶炼等。热利用：加热物体，取暖、做饭、烘干、冶炼等。动力利用：通过燃烧，将化学能动力利用：通过燃烧，将化学能热能热能机械能。机械能。汽轮机：化学能汽轮机：化学能蒸汽的热能蒸汽的热能经汽轮机转换为机械能；经汽轮机转换为机械能；内燃机：化学能内燃机：化学能燃气的热能燃气的热能经活塞连杆机换为机械能。经活塞连杆机换为机械能。第10页/共22页热能利用实例热能的应用在国民经济中的重要地位：热能的应用在国民经济中的重要地位：电力工业电力工业火力发电或核发电，均应用热能转换。火力发电或核发电，均应用热能转换。钢铁工业钢铁工业炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；有色金属工业有色

13、金属工业铝、铜等有色金属的冶炼用热能；铝、铜等有色金属的冶炼用热能；化学工业化学工业酸、碱、合成氨的生产过程酸、碱、合成氨的生产过程石油工业石油工业采油、炼制、输送等用热能；采油、炼制、输送等用热能；建材工业建材工业建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；机械工业机械工业铸造、锻压、焊接等用热能；铸造、锻压、焊接等用热能；轻纺工业轻纺工业造纸、制糖、化纤、印染等用热能造纸、制糖、化纤、印染等用热能交通运输交通运输汽车、火车、船舶、飞机等的动力来之热能；汽车、火车、船舶、飞机等的动力来之热能；农业及水产养殖业农业及水产养殖业电力灌溉、温室培植、鱼池加温等电力灌

14、溉、温室培植、鱼池加温等生活需要生活需要供暖、空调、烹饪。供暖、空调、烹饪。第11页/共22页二、热力状态及状态参二、热力状态及状态参数数工质：工质：工程热力学中把实现热能与机械能相互转换工程热力学中把实现热能与机械能相互转换的工作物质称为工质。的工作物质称为工质。汽车发动机工作过程使用的工质为气体。汽车发动机工作过程使用的工质为气体。状态：工质处于某个温度、压力和比体积时，具有一状态：工质处于某个温度、压力和比体积时，具有一定的内能、焓和熵称为工质处于某个热力状态。定的内能、焓和熵称为工质处于某个热力状态。状态参数：状态参数：标志气体热力状态的各个物理量叫做气标志气体热力状态的各个物理量叫做

15、气体的状态参数。体的状态参数。常用的状态参数常用的状态参数：温度：温度T T、压力、压力p p、比体积、比体积v v；内能；内能U U、焓、焓HH、熵、熵S S。其中。其中T T、p p、v v可以直接测量。可以直接测量。第12页/共22页1 1、热力系统、热力系统热力系统：热力系统：热力学中把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究热力学中把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究对象称为热力系统。对象称为热力系统。与系统有相互作用的其他系统称为外界。包围系统的封闭与系统有相互作用的其他系统称为外界。包围系统的封闭表面称为界面。界面可以是真实的，也可以是假设的。表面称为界面。界面可以是真实的，也可以是假设的

16、。热力系统的分类：热力系统的分类：开口系统、封闭系统、绝热系统和孤立系统。开口系统、封闭系统、绝热系统和孤立系统。开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同时有工质交换。时有工质交换。封闭系统：封闭系统：系统与外界有能量传递和转换但无工质交换。系统与外界有能量传递和转换但无工质交换。绝热系统：绝热系统：系统与外界既无系统与外界既无热量热量传递又无工质交换。传递又无工质交换。孤立系统：系统与外界既无能量传递和转换又孤立系统：系统与外界既无能量传递和转换又无工质交换。无工质交换。第13页/共22页2 2、温度、温度T T温度是表示物体的冷热程度。温度是表示物体

17、的冷热程度。分子运动论认为气体的温度是气体内部分子分子运动论认为气体的温度是气体内部分子不规则运动激烈程度的量度，分子无规则平均不规则运动激烈程度的量度，分子无规则平均动能越大，气体温度越高。动能越大，气体温度越高。热力学温度热力学温度T T是国际基本单位制是国际基本单位制SISI制中的基本温度，制中的基本温度，单位是单位是K K。并选取水的相变点温度为基本标定点温度，。并选取水的相变点温度为基本标定点温度，规定其温度为规定其温度为276.15K276.15K。摄氏温度摄氏温度t t与热力学温度的关系：与热力学温度的关系：K=t+276.15K=t+276.15 *只有热力学温度才是状态参数。

18、只有热力学温度才是状态参数。温度温度的的测量仪器是什么？测量仪器是什么？测量原理是什么？实质是什么？测量原理是什么？实质是什么？第14页/共22页3、压力、压力p 压力是其它对单位面积容器壁面所施加的垂直作用力压力是其它对单位面积容器壁面所施加的垂直作用力p p。分子运动论认为气体的压力是大量气体分子向壁面撞分子运动论认为气体的压力是大量气体分子向壁面撞击的统计量。分子撞击平均动能越大，撞击的个数越多气击的统计量。分子撞击平均动能越大，撞击的个数越多气体压力越高。体压力越高。压力的基本单位是压力的基本单位是PaPa，按定义，按定义Pa=N/mPa=N/m2 2。工程上由于工程上由于PaPa的单

19、位太小，常用的单位太小，常用kPakPa和和MPaMPa。绝对压力：绝对压力：气体作用于容器表面的实际压力值称为气体作用于容器表面的实际压力值称为绝对压力，用绝对压力，用p p表示。只有绝对压力才是状态参数。表示。只有绝对压力才是状态参数。表压力：表压力：测量时压力计读数压力叫表压，记作测量时压力计读数压力叫表压，记作p pg g。表压力：表压力：是绝对压力高出当地大气压力是绝对压力高出当地大气压力p p0 0的数值。的数值。如果绝对压力低于如果绝对压力低于p p0 0，表压力为负值称为真空，记作，表压力为负值称为真空，记作p pv v。第15页/共22页4 4、比体积、比体积v v 比体积是

20、表示单位质量物质所占的体积比体积是表示单位质量物质所占的体积v v，其单位是其单位是mm3 3/kg/kg。体积体积V=V=质量质量m*m*比体积比体积v v。比体积比体积v v与密度与密度 的关系：的关系：密度密度 是单位体积物质具有的质量，单位是是单位体积物质具有的质量，单位是kg/mkg/m3 3。所以：所以：*v=1.*v=1.平衡状态：平衡状态：系统中各部分温度、压力始终处于系统中各部分温度、压力始终处于一个稳定不变的状态，且不随时间变化称为热一个稳定不变的状态，且不随时间变化称为热力平衡状态。力平衡状态。第16页/共22页三、理想气体状态方三、理想气体状态方程程理想气体：理想气体：

21、假设气体内部分子不占体积，分子之间假设气体内部分子不占体积，分子之间没有吸引力，这样的气体称之为理想气体。没有吸引力，这样的气体称之为理想气体。把实际气体按理想气体进行工程计算，在一般工把实际气体按理想气体进行工程计算，在一般工程条件下，其计算结果非常相近。程条件下，其计算结果非常相近。理想气体状态方程：理想气体状态方程：根据分子运动论和理想气体假根据分子运动论和理想气体假设，结合气体试验的一些定律设，结合气体试验的一些定律克拉贝隆克拉贝隆发现了气体状发现了气体状态参数态参数p、v、T之间的关系之间的关系,即为理想气体状态方程。即为理想气体状态方程。pv=RT。其中其中R是气体常数，单位是是气

22、体常数，单位是J/(kg.K)，它与气体分，它与气体分子量有关。子量有关。R=Rm/。是摩尔质量是摩尔质量kg/kmol；Rm是通用气体常数。是通用气体常数。Rm=8.3143kJ/(kmol.K)第17页/共22页四、工质的比热容四、工质的比热容四、工质的比热容四、工质的比热容 比热容：比热容：就是单位量的物质发生单位温度变化时就是单位量的物质发生单位温度变化时所吸收或放出的热量。所吸收或放出的热量。常用符号常用符号c表示比热容。表示比热容。C=dq/dT 其基本单位是其基本单位是kJ/(kg.K).工质在压力不变和容积不变的情况下的比热容分别工质在压力不变和容积不变的情况下的比热容分别叫做

23、比定压热热和比定容热容，工程上也常称之为定压叫做比定压热热和比定容热容，工程上也常称之为定压比热和定容比热，分别用比热和定容比热，分别用cp和和cv表示。表示。对于理想气体，对于理想气体，cp和和cv的比值为常数的比值为常数k，在热力学，在热力学中把这个比值叫做比热比，又叫做等熵指数。中把这个比值叫做比热比，又叫做等熵指数。单元子气体单元子气体k=1.66；双原子气体；双原子气体k=1.4；多原子气体；多原子气体k=1.29 对于对于1kmol的理想气体，的理想气体，cpm和和cvm的比值也为常数，的比值也为常数，其值为通用气体常数其值为通用气体常数Rm=cpm-cvm。实验表明：实验表明：理

24、想气体的比热容只是温度的函数与压力无关。理想气体的比热容只是温度的函数与压力无关。第18页/共22页五、热力过程五、热力过程热力过程：热力系统从一个状态向另一个状态热力过程：热力系统从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态总和。变化时所经历的全部状态总和。热力循环：热力循环：工质从一个热力状态经过一系列的工质从一个热力状态经过一系列的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的热力过程。常用热力过程。常用p-V图或图或T-S图来表示。图来表示。可逆过程：可逆过程：系统由状态系统由状态1变化到状态变化到状态2，如果能如果能够沿着原来的变化过程逆向回到够沿着

25、原来的变化过程逆向回到1状态，没有状态，没有对外界产生任何影响，系统内部也没有发生任对外界产生任何影响，系统内部也没有发生任何变化，我们把这个过程称之为可逆过程。何变化，我们把这个过程称之为可逆过程。只有无摩擦、无温差产热的内平衡过程才有可只有无摩擦、无温差产热的内平衡过程才有可逆性。逆性。第19页/共22页第二节、热力学第一第二节、热力学第一定律定律实质：能量守恒与转换定律在工程热力学中的应用。实质：能量守恒与转换定律在工程热力学中的应用。内容：内容：在热能与其他形式的能的互相转换过程中能在热能与其他形式的能的互相转换过程中能量的总和保持不变。量的总和保持不变。对于一个系统来讲：对于一个系统

26、来讲：进入系统的能量进入系统的能量-离开系离开系统的能量统的能量=系统存储能量的变化量。系统存储能量的变化量。这里能量包括内容很广：这里能量包括内容很广：1、热量、热量Q：系统与外界之间仅仅由于温度不同，：系统与外界之间仅仅由于温度不同，而通过边界传递的能量。例如：辐射、热交换。而通过边界传递的能量。例如：辐射、热交换。2、功量、功量W：物体或系统与外界之间，通过宏观的：物体或系统与外界之间，通过宏观的运动而发上相互作用而传递的能量。如体积功、轴功运动而发上相互作用而传递的能量。如体积功、轴功 3、内能、内能U：工质内部所具有的各种能量的总和。：工质内部所具有的各种能量的总和。第20页/共22页一、封闭系统的能量一、封闭系统的能量方程方程热力循环：热力循环：工质从一个热力状态经过一系列的工质从一个热力状态经过一系列的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的状态变化，完成热功转换后，回到初始状态的热力过程。热力过程。第21页/共22页