汽车发动机原理与汽车理论基本课件.pptx

第一章第一节热功转换的基础知识第二节热力学第一定律第三节热力过程分析第四节热力学第二定律一、能量与能源 世界由物质构成。一切物质都处于运动状态，能量是物质运动的度量。一切物质都具有能量，如果没有能量，世界就会永远处于静止状态，也就不会有生命。能量也是人类社会进步的动力。人类在日常生活和生产过程中需要各种形式的能量。随着人类社会的发展，人们对能量的认识和利用水平不断提高。到目前为止，人类所认识的能量主要有机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能等几种形式。能源是指能够直接或间接提供能量的物质资源第一节热功转换的基础知识基本概念基本概念1.1.工质工质:实现热能与机械能相互转换的工作物质（气体）。实现热能与机械能相互转换的工作物质（气体）。2.2.热力系统热力系统和和外界外界:把作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的把作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的工质总称为热力系统，如汽缸内的气体；把热力系统以外和热工质总称为热力系统，如汽缸内的气体；把热力系统以外和热功转换过程有关的其他物体统称为外界，如汽缸体。功转换过程有关的其他物体统称为外界，如汽缸体。3.3.热力状态热力状态:把工质在某一时刻所处的宏观状态称为工质的把工质在某一时刻所处的宏观状态称为工质的“热力状态热力状态”，简称，简称“状态状态”。工质的热力状态用物理量来描述。工质的热力状态用物理量来描述，这些物理量称为气体的状态参数，如温度、压力和比体积等。，这些物理量称为气体的状态参数，如温度、压力和比体积等。4.4.热力过程热力过程:将热力系统中的工质从某一初始状态变化到另一将热力系统中的工质从某一初始状态变化到另一状态所经历的整个过程称为热力过程。状态所经历的整个过程称为热力过程。二、工质的热力状态及其基本状态参数开口系统：与外界不仅有能量交换，又有物质交换开口系统：与外界不仅有能量交换，又有物质交换的系统。的系统。封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换的系封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换的系统。统。绝热系统：与外界没有热量交换的系统。绝热系统：与外界没有热量交换的系统。孤立系统：与外界既无能量交换，也无物质交换的孤立系统：与外界既无能量交换，也无物质交换的系统。系统。热力系统分类热力系统分类基本状态参数基本状态参数u气体常用的状态参数有气体常用的状态参数有6 6个，其中个，其中温度温度（T T）、）、压力压力（p p）和）和比体积比体积（）这三个物理量，称基）这三个物理量，称基本状态参数。本状态参数。u内能（内能（U U）、熵（）、熵（S S）、焓（）、焓（H H）。）。温度温度u温度表示气体的冷热程度。按分子运动论，气体的温度温度表示气体的冷热程度。按分子运动论，气体的温度是气体内部分子不规则运动剧烈程度的物理量。气体的温是气体内部分子不规则运动剧烈程度的物理量。气体的温度越高，气体内部分子的平均动能就越大。度越高，气体内部分子的平均动能就越大。u热力学温度热力学温度:开氏温度，用符号开氏温度，用符号T T表示，单位为开尔文，表示，单位为开尔文，单位符号为单位符号为“K K”（基本温标（基本温标)。热力学温度以水的三相点热力学温度以水的三相点温度为基本定点温度温度为基本定点温度(即水的固、液、气三态共存时的温度即水的固、液、气三态共存时的温度)，并规定其温度为，并规定其温度为273.15K。于是。于是1K1K就是水的三相点温度的就是水的三相点温度的1/273.151/273.15。u工程上的温度：摄氏温度，用符号工程上的温度：摄氏温度，用符号t t表示，单位符号为表示，单位符号为“”“”。u摄氏温度与开氏温度的关系为：摄氏温度与开氏温度的关系为：t tT T273.15273.15注意：只有开氏温度才是状态参数。注意：只有开氏温度才是状态参数。u定义：定义：气体在单位面积容器壁上的垂直作用力气体在单位面积容器壁上的垂直作用力,用符号用符号p p表示，单表示，单位是帕斯卡，简称为帕（位是帕斯卡，简称为帕（PaPa）。由于帕很小，工程上常用千帕）。由于帕很小，工程上常用千帕（kPakPa）或兆帕（）或兆帕（MPaMPa）为单位。）为单位。1 kPa=101 kPa=103 3Pa 1 MPa=10Pa 1 MPa=106 6PaPau压力的表示方法：压力的表示方法：1.1.绝对压力：指气体作用在容器壁上的真实压力绝对压力：指气体作用在容器壁上的真实压力,用用p p表示。表示。2.2.表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表指示的数值表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表指示的数值就是表压力。表压力等于气体的绝对压力与大气压力就是表压力。表压力等于气体的绝对压力与大气压力p0的差值，用的差值，用p pg g表示。其关系式为表示。其关系式为pg=p-p0。3.3.真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表测量的数值真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表测量的数值就是真空度。真空度等于大气压力与气体绝对压力的差值，用就是真空度。真空度等于大气压力与气体绝对压力的差值，用p pv v表表示。其关系式为示。其关系式为p pv v=p p0 0p p。注意：只有绝对压力才是状态参数。注意：只有绝对压力才是状态参数。压力压力比体积比体积u比体积：单位质量的气体所占的体积，称为气体的比体比体积：单位质量的气体所占的体积，称为气体的比体积。用符号积。用符号v v表示，单位为表示，单位为m3/kg。u密度：密度：单位体积单位体积的气体的气体所具有的质量称为密度，以符号所具有的质量称为密度，以符号 表示，其单位为表示，其单位为kg/m3。三、理想气体状态方程三、理想气体状态方程u理想气体：分子不占体积、分子之间没有吸力的气体。理想气体：分子不占体积、分子之间没有吸力的气体。u理想气体状态方程式（克拉贝隆方程式）：温度、压力、理想气体状态方程式（克拉贝隆方程式）：温度、压力、比体积之间关系式。比体积之间关系式。1 1理想气体：理想气体：理想气体：理想气体：式中：式中：V Vm mkgkg理想气体的总容积，理想气体的总容积，V V=mvmv。R R气体常数，其数值取决于气体的性质，单气体常数，其数值取决于气体的性质，单 位为位为kJ/kJ/（kgKkgK）。）。四、工质的比热容(一)比热容与物质单位的关系因为工质的计量单位可用、，所以工质的比热容有如下三种：比质量热容：()比摩尔热容：()比容积热容：()(二)比定压热容和比定容热容 气体在压力不变或体积不变的情况下被加热时的比热容，分别叫比定压热容和比定容热容，通常用脚标 和V来标注。(三)真实比热容和平均比热容 根据大量精确的试验数据和量子力学理论，理想气体的比热容与压力无关，而应是温度的函数。(四)定比热容表-理想气体的定值比摩尔热容和比热容比一、功、热量和内能一、功、热量和内能u1 1功功当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互传递的当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互传递的机械能称之为功，用机械能称之为功，用W表示。单位为焦耳，单位符号为表示。单位为焦耳，单位符号为“J”J”或或“kJ”kJ”，1kJ=101kJ=103 3J J。1kg1kg气体容积（即比体积）的微小变化量为气体容积（即比体积）的微小变化量为:dv=Adx 1kg1kg气体对外界所作的微元功为气体对外界所作的微元功为:dw=pAdx=pdv1kg1kg气体对外界所作的功为气体对外界所作的功为:若汽缸内的气体为若汽缸内的气体为m mkgkg，其总容积，其总容积V=mv，则则m mkgkg气体从状态气体从状态1 1变化到状态变化到状态2 2对外所作对外所作的功为的功为:第二节热力学第一定律一、功、热量和内能一、功、热量和内能u2 2热量热量热量是由于温度的不同，系统和外界之间穿越边界而传递的能热量是由于温度的不同，系统和外界之间穿越边界而传递的能量。量。热量的国际单位与功一样为焦耳，单位符号为热量的国际单位与功一样为焦耳，单位符号为“J”J”或或“kJ”kJ”。热量通常用比热来计算。比热是指单位量的物质温度每变化热量通常用比热来计算。比热是指单位量的物质温度每变化1K1K时吸收或放出的热量，用符号时吸收或放出的热量，用符号c c表示，即表示，即式中：式中：d dq q单位量的物质在温度变化单位量的物质在温度变化d dT T时吸收或放出的热量。时吸收或放出的热量。1kg1kg气体的温度变化气体的温度变化d dT T时，吸收或放出的微元热量时，吸收或放出的微元热量d dq q为为:d:dq q=c cd dT T1kg1kg气体的温度从气体的温度从T T1 1 T T2 2时，吸收或放出的热量时，吸收或放出的热量q q为为:m mkgkg气体的温度从气体的温度从T T1 1 T T2 2时，吸收或放出的热量时，吸收或放出的热量Q Q为为:规定规定:气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。注意：功和热量都不是状态参数。注意：功和热量都不是状态参数。一、功、热量和内能一、功、热量和内能u3 3内能内能气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分子运动的动能和分子间位能组成。子运动的动能和分子间位能组成。u内能是气体的状态参数。内能是气体的状态参数。u对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所以其内能仅指其内部动能，它是温度以其内能仅指其内部动能，它是温度T T的单值函数。的单值函数。1kg1kg气体的内能用符号气体的内能用符号u u表示，单位为表示，单位为J/kgJ/kg或或kJ/kgkJ/kg，则，则u=f（T）1kg1kg气体的温度从气体的温度从T1变化到变化到T2时，其内能的变化量时，其内能的变化量u为为:u=u2u1=f（T2）f（T1）mkg气体的内能用符号气体的内能用符号U U表示，单位为表示，单位为J J或或kJkJ，温度从，温度从T1变化到变化到T2时，其内能的变化量时，其内能的变化量U为为:U=U 2U 1=mf（T2）f（T1)二、热力学第一定律二、热力学第一定律u热力学第一定律：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的热力学第一定律：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的功，必须消耗一定量的热；反之，消耗一定量的功，必会产生一功，必须消耗一定量的热；反之，消耗一定量的功，必会产生一定量的热。定量的热。u第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的相互转换过程中，能的总量保持不变相互转换过程中，能的总量保持不变-遵循能量守恒原则遵循能量守恒原则。u1kg气体由状态气体由状态1 1变化到状态变化到状态2 2所经历的过程中，如果气体与外所经历的过程中，如果气体与外界交换的热量为界交换的热量为q1-2，机械功为，机械功为w1-2，内能的变化量为，内能的变化量为u2u1，三，三者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为:q1-2=u2u1+w1-2mkg气体由状态气体由状态1 1变化到状态变化到状态2 2所经历的过程中，则有所经历的过程中，则有Q1-2=U2U1+W1-2u气体状态发生变化时，从外界吸收的热量等到于其内能的增加气体状态发生变化时，从外界吸收的热量等到于其内能的增加量与对外所作的机械功之和。量与对外所作的机械功之和。三、开口系统稳定流动能量方程式与焓图-4开口系统示意图四、熵及温熵图)熵是一状态参数，如已知两个独立的状态参数，即可求出熵的值。)只有在平衡状态下，熵才有确定值。)与内能和焓一样，通常只需求熵的变化量，而不必求熵的绝对值。)熵是可加性的量，工质的熵是工质的熵的倍，。)在可逆过程中，从熵的变化过程中可判断热量的传递方向：系统吸热；系统绝热；系统放热。)熵可以判断自然界一切自发过程的熵变。pv图图u循环中工质所作的净功为循环中工质所作的净功为:w w0 0 u循环中工质从外界吸收的净热量循环中工质从外界吸收的净热量为为:q1q2 u由于由于u u=0=0。根据热力学第一定律。根据热力学第一定律则可得出则可得出:q1q2=w w0u结论结论:循环中工质从高温热源吸收循环中工质从高温热源吸收热量热量q q1 1，只将其中的一部分转换成，只将其中的一部分转换成机械功机械功w w0 0，而另一部分热量，而另一部分热量q q2 2传递传递给低温热源。给低温热源。umkg：Q1 Q2=W0图-5可逆过程的图和图)图)图一、定容过程()过程方程：定值()基本状态参数间关系式：()功量与热量分析计算第三节热力过程分析定容过程，故定容过程膨胀功定容过程的技术功为()根据比定容热容定义，定容过程吸收的热量为或由热力学第一定律表达式图-6定容过程()图和图根据过程方程可知，在p图上定容线是一条与横坐标垂直的直线，如图-所示。二、定压过程()过程方程：定值()基本状态参数间关系式：()功量和热量分析计算定压过程，则膨胀功和技术功为()类似于定容过程分析，定压过程吸热量图-7定压过程()图和图根据过程方程知，在图上定压线为一条与纵坐标垂直的直线，如图-所示。三、定温过程()过程方程：由定义知，定温过程温度保持不变，即定值。()基本状态参数间关系：()功量和热量的分析计算 根据过程方程，过程的膨胀功为/根据理想气体热力性质，即，从而有因此在理想气体的定温过程中，膨胀功、技术功和热量三者相等。图-8定温过程()图和图根据过程方程知，定温线在图上是等轴双曲线，如图所示。四、定熵过程()过程方程 根据理想气体熵变的微分表达式和定熵过程熵不变的特点，有/定值()基本状态参数间的关系 /()功量和热量的分析计算定熵过程的技术功为定熵过程是绝热可逆过程，故图-9绝热过程()图和图由定熵过程的过程方程=定值可知，定熵过程在图上是一条幂指数为负的幂函数曲线(又称高次双曲线)。五、理想气体的多变过程图-0多变过程u开尔文一普朗克说法：开尔文一普朗克说法：“不可能建造一种循环工作的机器，不可能建造一种循环工作的机器，其作用只是从单一热源取热并全部转变为功，而不引起其他变其作用只是从单一热源取热并全部转变为功，而不引起其他变化。化。”(第二类永动机是不可能被成功制造的。第二类永动机是不可能被成功制造的。)为了连续地获得机械功，至少必须有两个热源，即高温热源和为了连续地获得机械功，至少必须有两个热源，即高温热源和低温热源。低温热源。u克劳修斯说法：克劳修斯说法：“不可能将热量由低温物体传向高温物体而不可能将热量由低温物体传向高温物体而不引起其他变化。不引起其他变化。”这一表述说明：不管利用什么机器，这一表述说明：不管利用什么机器，热量不可能自发地、不花热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体。任何代价地从低温物体传向高温物体。各种制冷设备必须消耗各种制冷设备必须消耗功并把这些功转换为热量和低温物体的热量一起传给高温物体，功并把这些功转换为热量和低温物体的热量一起传给高温物体，以达到制冷的目的。以达到制冷的目的。u结论：结论：自发过程具有方向性自发过程具有方向性-一切自发实现的过程都是不可一切自发实现的过程都是不可逆的。逆的。第四节热力学第二定律一、自发过程的方向性与热力学第二定律的表述u定义定义:工质由某一初始状态出发，经过一系列的状工质由某一初始状态出发，经过一系列的状态变化又重新回到初始状态所经历的封闭过程，简态变化又重新回到初始状态所经历的封闭过程，简称循环。称循环。u循环可分为正向循环和逆向循环。循环可分为正向循环和逆向循环。u循环过程可用循环过程可用pv图图表示。表示。二、热力循环与热效率pv图图u循环中工质所作的净功为循环中工质所作的净功为:w w0 0 u循环中工质从外界吸收的净热量循环中工质从外界吸收的净热量为为:q1q2 u由于由于u u=0=0。根据热力学第一定律。根据热力学第一定律则可得出则可得出:q1q2=w w0u结论结论:循环中工质从高温热源吸收循环中工质从高温热源吸收热量热量q q1 1，只将其中的一部分转换成，只将其中的一部分转换成机械功机械功w w0 0，而另一部分热量，而另一部分热量q q2 2传递传递给低温热源。给低温热源。umkg：Q1 Q2=W0循环评定指标循环评定指标1.1.循环热效率循环热效率t：指循环中热功转换的效率，它等于循指循环中热功转换的效率，它等于循环中工质对外界作的净功与循环加热量之比环中工质对外界作的净功与循环加热量之比 （评价经济（评价经济性）。性）。2.2.循环平均压力循环平均压力pt：指单位汽缸工作容积所作的循环功指单位汽缸工作容积所作的循环功（评价动力性）（评价动力性）。三、卡诺循环与卡诺定理1.卡诺循环)卡诺循环的热效率仅决定于高温热源和低温热源的温度。)由于不可能为无限大，不可能为零，所以卡诺循环的热效率不可能达到。)无论采用什么工质和什么循环，也无论将不可逆损失减小到何种程度，在一定的温度范围到之间，不可能制造出热效率超过()的热机。图-卡诺循环示意图.卡诺定理 卡诺定理告诉我们，两个给定热源之间的所有循环中，以卡诺循环的热效率最高。一切工质的循环都是不可逆循环，因此实际循环的热效率必小于相同热源条件下卡诺循环的热效率。所以提高热效率的途径是减小过程的不可逆性，使实际循环尽量接近卡诺循环。卡诺定理还指出了两个给定热源之间所有卡诺循环的热效率都相等，与工质的性质无关，因此影响热效率的基本因素仅仅是热源的温度。提高热效率的另一个基本途径是提高高温热源的温度和降低低温热源的温度。为了提高热效率，现代热机就是沿着这条途径发展的。四、孤立系统的熵增原理 对于孤立系统，整个系统的熵变等于热源、冷源和工质三者熵变的代数和，即系统工质热源冷源。系统熵变与过程进行的方向之间有如下的关系即孤立系统的热力过程总是朝着系统的熵有所增加的方向进行，不可能出现使系统熵的总量减小的情况，在理想的可逆过程中可使系统熵的总量保持不变。