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1、第一章工程热力学基础本讲稿第一页，共七十二页课程简介学习汽车发动机原理这门课程的目的，是通过学习汽车构造（上册）之后，在对汽车发动机整体结构有一定了解的基础上，进一步深入到发动机工作过程的各个阶段，去分析影响性能指标的因素，掌握提高性能指标的具体措施及努力方向。学习这门课程的目标，是让我们能够在从事发动机制造、设计、改进等相关工作中，创造性地运用这些基本原理，使发动机运行参数始终保持最佳值，力求发动机动力、经济、排放等性能指标的最佳化。本讲稿第二页，共七十二页课程主要内容汽车发动机原理的主要内容包括：发动机的性能指标、工作过程、发动机的特性、增压技术、燃料与燃烧、排放、噪声及其防治、发动机电子
2、控制等。本讲稿第三页，共七十二页汽车发动机总体构造车用汽油机的总体构造：两个机构和五个系统机体组曲柄连杆机构配气机构供给系统点火系统冷却系统润滑系统起动系统车车用用汽汽油油机机的的总总体体构构造造本讲稿第四页，共七十二页发动机简介n热机：是将燃料中的化学能转变为机械功的热力发动机。如：蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。n内燃机：是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的。内燃机着火方式又分为：点燃式发动机（汽油机）和压燃式发动机（柴油机）。n发动机（本书中的发动机都是指汽车发动机）是汽车的动力来源，其质量的优劣，直接影响着汽车的性能、可靠程度和寿命。本讲稿第五页，共七十二页本讲稿第六
3、页，共七十二页为什么要选用内燃机作为汽车的动力来源呢？为什么要选用内燃机作为汽车的动力来源呢？n内燃机的热效率高（柴油机的循环热效率高达40%以上，汽油机的循环热效率可达33%左右）n结构比较简单n比质量（单位输出功率的质量）轻，从而便于携带n升功率高本讲稿第七页，共七十二页第一章 工程热力学基础n热力学：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系的科学。n工程热力学：是热力学的工程分支，是在阐述热力学普遍原理的基础上，研究这些原理的技术应用的科学，它着重研究的是热能与其他形式能量（主要是机械能）之间的转换规律及其工程应用。本讲稿第八页，共七十二页n热力学有两种不同的研
4、究方法：一种是宏观的研究方法；另一种是微观的研究方法。n宏观研究方法的特点是以热力学第一定律、第二定律等基本定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、理想化和简化的方法，抽出共性、突出本质，建立分析模型，推导出一系列有用的公式，得到若干重要结论。n应用宏观方法研究的热力学叫做宏观热力学，也叫做经典热力学。工程热力学主要应用宏观研究方法。本讲稿第九页，共七十二页工程热力学基础研究的主要内容有：n构成工程热力学理论基础的两个基本定律1.热力学第一定律2.热力学第二定律n常用工质的热力性质n根据热力学基本定律，结合工质的热力性质，分析计算实现热能和机械能相互转换的各种热力工程和热力循环，阐明提高转换效
5、率的正确途径。本讲稿第十页，共七十二页学习本章内容的目的：n本章仅就工程热力学基础知识作一简要阐述，为我们学习汽车发动机原理提供必要的理论基础和分析计算方法。本讲稿第十一页，共七十二页第一节 热功转换的基础知识热能利用有两种基本方式：一种是热利用，即将热能直接用于加热物体，以满足烧饭、采暖、烘干、熔炼等需要。另一种是动力利用，通常是指通过各种热力发动机（热机）将热能转换成机械能或者再通过发电机转换成电能。本讲稿第十二页，共七十二页工质的热力状态及其基本状态参数：工质的热力状态及其基本状态参数：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”。汽车发动机的工质是气体（包括空气、燃气
6、和烟气）。本讲稿第十三页，共七十二页在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质作为研究的具体对象，称为热力系统，简称系统。与该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就是系统与外界的分界面，称为边界（或界面）。边界可以是实际存在的，也可以是假象的。系统和外界之间的边界可以是固定不动的，也可以有位移和变形。1.热力系统本讲稿第十四页，共七十二页根据边界上物质和能量交换情况，热力系统分为下述几类：1.开口系统，指与外界有物质交换的系统；2.封闭系统，指与外界无物质交换的系统；3.绝热系统，指与外界无热交换的系统；4.孤立系统，指与外界既无物质交换，也无能量交换的系统。本讲稿第十五页，共七十
7、二页2.基本状态参数标志气体热力状态的各个物理量叫做气体的状态参数。常用的状态参数主要有六个：压力p、温度T、比体积、内能U、焓H、熵S。其中p、T、v可以直接用仪表测量，且其物理意义易被理解，所以成为描述工质状态最常用的基本状态参数。本讲稿第十六页，共七十二页1）压力p气体对单位面积容器壁所施加的垂直作用力称为压力p。压力单位为Pa，工程上亦常用kPa和MPa。也被记做N/。P=F/A式中，P为压力；F为垂直作用力；A为面积。根据上式计算的压力是气体的真正压力，也成为绝对压力P。本讲稿第十七页，共七十二页气体的压力一般用压力计测得。由于压力计在侧压力时处于大气环境中，故只测得绝对压力和当地大
8、气压力Pb的差值，即相对压力。当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表测的相对压力又称表压力Pg。P=Pb+Pg当气体的绝对压力低于大气压力时，压力表测的相对压力又称真空度Pv。P=Pb Pv本讲稿第十八页，共七十二页2）温度T温度表示气体的冷热程度。按照分子运动论，气体的温度是气体内部分子不规则运动激烈程度的量度。气体的温度越高，表明气体分子的平均动能越大。热力学温度（绝对温度）T的单位为K。允许使用摄氏温度t，并定义：t=T-T0（T0取做273K）注：热力学温度不可能有负值。只有热力学温度才是状态参数。本讲稿第十九页，共七十二页3）比体积比体积是单位质量的物质所占的体积，单位为m/kg，即
9、=V/m 式中 比体积 V 体积 m质量比体积的倒数为密度。本讲稿第二十页，共七十二页4）热力学能宏观静止的物体，其内部的分子、原子等微粒仍在不停地运动着，这种运动称做热运动。物体因物体热运动而具有的能量称做内热能，它是工质的内部储存能。在热力学中把物体内热能也称做热力学能（或内能），用符号U表示，单位是J或kJ。热力学能仅考虑内动能和内位能。对于理想气体，因假设其分子间没有引力，故理想气体间的分子位能为零，其内能仅是温度的单值函数。本讲稿第二十一页，共七十二页5）焓有关热工计算的公式中时常有U+PV出现，为了简化公式和简化计算，通常把它定义为焓，用符号H表示，单位为J。H=U+PV当热力系统
10、状态一定时，由于U、P和V都有一定的值，因而焓H也有一定的值。本讲稿第二十二页，共七十二页工质的平衡态如果组成热力系统的各部分之间没有热量的传递，系统就处于热的平衡；各部分之间没有相对位移，系统就处于力的平衡。同时具备了热和力的平衡的系统就处于热力学平衡状态（简称平衡态）。工程热力学通常只研究平衡状态。处于平衡态时，气体的所有状态参数都有确定的数值。只要知道两个独立的状态参数（如压力p和温度T），就可以确定气体所处的状态及参数。工程上的大多数过程,由于热力系恢复平衡的速度很快,仍可以作为平衡过程分析。本讲稿第二十三页，共七十二页三、理想气体状态方程式所谓理想气体就是假设气体内部分子不占有体积，
11、分子间没有吸引力，这样的气体称为理想气体。在热力计算和分析中，常常把空气、燃气等气体近似的看作理想气体。通常把实际气体近似看作理想气体进行各种热力计算，其结果极其相似。本讲稿第二十四页，共七十二页根据分子运动论和理想气体的假定，结合试验所得的一些气体定律，并综合表示成理想气体状态方程式（或称克拉贝隆方程式）。对于1kg理想气体，其状态方程为：pv=RT对于mkg理想气体，其体积V=mv,其状态方程为：pV=mRT式中，R气体常数J/(kgK)，它的数值决定于气体的种类。本讲稿第二十五页，共七十二页理想气体状态方程式反映了理想气体三个基本状态参数间的内在联系：f（p,v,T）=0，只要知道其中两
12、个参数就可以通过该方程求出第三个参数。本讲稿第二十六页，共七十二页四、工质的比热容在热力工程中，热量计算常用到比热容。工质的比热容就是单位量的物质当单位温度变化时所吸收或放出的热量。用符号c表示比热容，根据定义有：式中，某工质在某一状态下温度变化dT所 吸收或放出的热量，kJ或J。本讲稿第二十七页，共七十二页（一）比热容与物质单位的关系因为工质的计量单位可用kg、kmol、m，所以工质的比热容有如下三种：比质量热容：c kJ/（kgK）比摩尔热熔：cm kJ/（kmolK）比容积热容：c kJ/（mK）本讲稿第二十八页，共七十二页（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
13、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p和V来标注。如比定压热容记做cp（kJ/（kgK），比定容热容为cV（kJ（kgK）,而比定压千摩尔热容记做cp,m（kJ/（kmolK），比定容千摩尔热容为cV,m（kJ/（kmolK）等等。本讲稿第二十九页，共七十二页可以定义比热容比如下：比热容比 又称等熵指数，它在工程热力学中有很重要的应用，将在以后经常用到。本讲稿第三十页，共七十二页气体在定压下受热时，由于在温度升高的同时，还要克服外界抵抗力而膨胀做功，所以同样升高1，比在定容下受热时需要更多的热量。实验表明，理想气体的比定压热容值和比定容热容值的差是一个常数，即梅耶公式cp,m
14、-cV,m=Rm Rm=8.3143J/（kmolK）本讲稿第三十一页，共七十二页（三）定比热容在实际应用中，温度变化不大或不要求很精确的计算时，常忽略温度的影响而把理想气体的比热容当做常量，只按理想气体的原子数确定比热容，称为定比热容。如下：单原子气体 双原子气体 多原子气体 cV,m 3/2Rm 5/2Rm 7/2Rm cp,m 5/2Rm 7/2Rm 9/2Rm 1.66 1.40 1.29本讲稿第三十二页，共七十二页五、热力过程热力过程是指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合。热力系统从一个平衡（均匀）状态连续经历一系列（无数个）平衡的中间状态过度到另一个平衡状态，
15、这样的过程称为内平衡过程；否则便是内不平衡过程。本讲稿第三十三页，共七十二页在热力学中，常用两个彼此独立的状态参数构成坐标图。例如，以p为纵坐标，V为横坐标组成的坐标图（简称压容图）来进行热力学分析。图中a、b两点分别代表p、V的两个独立的状态参数所确定的两个平衡状态。曲线代表一个内平衡过程。本讲稿第三十四页，共七十二页可逆过程的特点：只有无摩擦、无温差传热的平衡过程才有可逆性，即可逆过程就是无摩擦、无温差的内平衡过程。可逆过程是没有任何损失的理想过程，实际的热力过程既不可能是绝对的平衡过程，又不可能避免的会有摩擦。因此，可逆过程是实际过程的理想极限。后面章节讨论的主要是针对可逆过程。本讲稿第
16、三十五页，共七十二页第二节 热力学第一定律热力学第一定律的实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律，它建立了热力过程中的能量平衡关系，是热力学宏观分析方法的主要依据之一。热力学第一定律可表述为：在热能与其他形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程，不论是开口系统还是闭口系统，热力学第一定律均可表达为：进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能量的变化本讲稿第三十六页，共七十二页热力系统中的一些能量形式：一、功、热量和内能：1.工质的膨胀功W：2.热量Q：热量是两物体间通过微观的分子运动发生相互作用而传递的能量。按习惯，规定外界加给系统的热量为正，而系统放
17、给外界的热量为负。热量Q和功W的单位都是焦耳（J）。3.工质的内能：本讲稿第三十七页，共七十二页二、封闭系统能量方程式现在先讨论最简单的封闭系统的能量转换情况。封闭在气缸中的定量工质，可作为封闭系统的典型例子。假定气缸中的工质为1kg，热力学第一定律可表述为：q=u+w式中 q外界加给每1kg工质的热量（J/kg）w每1kg工质对外界所做的功（J/kg）u每1kg工质内能的增加（J/kg）对于mkg工质来说，其总热量Q可表达为：Q=U+W本讲稿第三十八页，共七十二页工程上常用的热工设备除起动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的。这时，工质的流动状况不随时间而改变，
18、即任一流通截面上工质的状态不随时间而改变，各流通截面工质的质量流量相等，且不随时间而改变。这种流动状况称为稳定流动。对于连续周期性工作的热工设备，如活塞式压气机或内燃机，工质的出入是不连续的，但按照同样的循环过程重复着，整个工作过程也可按稳定流动来处理。三、开口系统稳定流动能量方程式与焓本讲稿第三十九页，共七十二页开口系统稳定流动能量方程式，它广泛应用于汽轮机、燃气轮机、喷管、锅炉等热力设备的热工计算中。本讲稿第四十页，共七十二页本讲稿第四十一页，共七十二页对于每1kg流动工质，除了自身内能u外，总是随推进功pv一起转移，那么我们热力学中定义两者之和为焓h，即：h=u+pv焓也是工质的状态参数
19、，称为复合的状态参数。本讲稿第四十二页，共七十二页四、熵及温熵图熵是一个导出的状态参数，它的定义式如下：式中 q可逆过程中系统与外界交换的微元热量 T可逆过程中的温度 ds熵的增量即熵的定义是：熵的增量等于系统在可逆过程中交换的热量除以传热时的绝对温度所得的商。1kg工质的熵s的单位是J/（kgK）,mkg工质的熵S的单位是J/K本讲稿第四十三页，共七十二页同功量的图示相仿，也可用两个独立的状态参数T、S构成的状态图来表示热量。在TS图上的一个点表示一个平衡状态，一条曲线表示一个可逆过程，如图1-5b中的曲线1-2。q=Tds q=Tds（从1到2的热力过程）因此TS图上曲线1-2下的面积表示
20、该过程中的传热量q的大小，故图TS又称为“示热图”。本讲稿第四十四页，共七十二页熵有如下性质：1）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。2）只有在平衡状态下，熵才有确定值。3）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。4）熵是可加性的量，mkg工质的熵是1kg工质的熵的m倍，S=ms。5）在可逆过程中，从熵的变化过程中可判断热量的传递方向：ds0系统吸热；ds=0系统绝热；dscv，故在TS图上过同一初始状态点的定压线斜率要小于定容线斜率，即定压线比定容线平坦。分析可知，pV图和TS图上的1-2过程为温度升高的膨胀（比体积增加）吸热过程；12过程为温度降低的
21、压缩（比体积减少）放热过程。本讲稿第五十五页，共七十二页 三、定温过程理想气体的定温过程中，膨胀功、技术功和热量三者相等。四、定熵过程绝热可逆过程的熵保持不变，称为等熵过程。本讲稿第五十六页，共七十二页 五、理想气体的多变过程上述四种热力过程的共同特点是：在热力过程中某一状态参数的值保持不变。然而许多实际热力过程中往往是所有的状态参数都在变化。例如，压气机中气体在压缩的同时也被冷却，使气体在压缩过程中的压力、比体积和温度都在发生变化。但实际过程中气体状态参数的变化往往遵循一定规律。实验研究发现，这一规律可以表示为：pvn=定值符合这一方程得过程称为多变过程，式中的指数n叫做多变指数。在某一多变
22、过程中n为定值，但不同的多变过程其n值不相同，可在0间变化。对于比较复杂的实际过程，可分做几段不同多变指数的多变过程来描述，每段的n值保持一定值。本讲稿第五十七页，共七十二页 由于多变指数n可在0变化，所以前述的四个基本热力过程可视为多变过程的特例。当n=0时，p=定值，为定压过程；当n=1时，pv=定值，为定温过程；当n=k时，pvk=定值，为定熵过程；当n=时，v=定值，为定容过程；本讲稿第五十八页，共七十二页为了在pV图和TS图上对多变过程的状态参数变化和能量转换规律进行定性分析，需掌握多变过程线在pV图和TS图上随多变指数n变化的分布规律。对于任意多变过程，只要知道多变指数n的值，就能
23、确定该过程在pV图及TS图上的相对位置。为此，首先在pV图和TS图上过同一初态点1画出四条基本过程曲线。本讲稿第五十九页，共七十二页由图可以分析如下：1）在定温线上方（T-S图）或右上方（P-V图）的各过程由于T0，则有u0，h0。2）处于定容线右方（P-V图）或右下方（T-S图）的各过程由于V0，则有W0，工质对外做功。3）处于绝热线右方（T-S图）或右上方（P-V图）的各过程由于S0，则有q0，工质从外界吸热。有了这些判定标准，可方便地从坐标图上分析一个过程中能量转换和状态变化情况，或者根据能量转换和状态变化情况在坐标图上绘出该热力过程。本讲稿第六十页，共七十二页第四节 热力学第二定律 热
24、力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 热力学第二定律揭示了自然界中一切热过程进行的方向、条件和限度。下面介绍两种具有代表性的热力学第二定律表述：1）克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。这是从热量传递的角度表述的热力学第二定律。它指明了热量只能自发地从高温物体传向低温物体，反之的非自发过程并非不能实现，而是必须花费一定的代价。例如：压缩制冷装置就是以花费机械能为代价，即以机械能变为热能这一自发过程作为实现热从低温物体转移至高温物体所必须的补偿代价。本讲稿第六十一页，共七十二页 2）开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其他影响。这是从热
25、功转换的角度表述的热力学第二定律。不产生其他影响是这一表述不可缺少的部分。例如：理想气体定温膨胀过程进行的结果，就是从单一热源取热并将其全部变成了功。但与此同时，气体的压力降低，体积增大，即气体的状态发生了变化，或者说“产生了其他影响”。因此，并非热不能完全变为功，而是必须有其他影响为代价才能实现。本讲稿第六十二页，共七十二页二、热力循环与热效率1.热力循环 工质由某一初态出发,经历一系列热力状态变化后,又回到原来初态的封闭热力过程称为热力循环,简称循环。根据效果的不同，热力循环分为正向循环和逆向循环。把热能转变为机械功的循环叫正向循环（或热机循环）；依靠消耗机械功而将热量从低温热源传向高温热
26、源的循环叫逆向循环。本讲稿第六十三页，共七十二页12ab43PV0012ab43TS图1-11 正向循环示意图本讲稿第六十四页，共七十二页2.热效率 为了评价热力循环在能源利用方面的经济性，通常采用热力循环的净功W0与工质从高温热源受的热量q1（即吸收的热量）的比值作指标，称为循环热效率，用 表示，即 热效率是衡量机械能的重要指标之一，它说明工质从高温热源接受的热量有多少转化为功，从上式可以看出，q2越小，则 越大，但因q20所以 总小于1.本讲稿第六十五页，共七十二页三、卡诺循环与卡诺定理 前面已经说了，热机循环的热效率不可能达到100%，那么可能达到的上限究竟是多少呢？卡诺在1824年提出
27、了最理想的热机方案，即著名的卡诺循环。1.卡诺循环 如图所示，卡诺循环是由两个定温过程和两个绝热过程交错组成的可逆循环。则卡诺循环的热效率为本讲稿第六十六页，共七十二页 由上式可知：1）卡诺循环的热效率仅决定于高温热源和低温热源的温度。提高T1及降低T2，可以提高卡诺循环的热效率。2）由于T1不可能为无限大，T2不可能为零，所以卡诺循环的热效率不可能达到1。当T1=T2时，卡诺循环的热效率为零，即不可能由单一循环做功。3）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T1到T2之间，不可能制造出热效率超过1-（T2/T1）的热机。最高热效率也只能接近1-（T2/
28、T1），实际上是不能达到的。本讲稿第六十七页，共七十二页 2.卡诺定理 卡诺定理的内容是：工作在两个恒温热源（T1和T2）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率为1-（T2/T1）；如果是不可逆的，其热效率恒小于1-（T2/T1）。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少过程的不可逆性，使实际循环尽量接近卡诺循环。本讲稿第六十八页，共七十二页本讲稿第六十九页，共七十二页本讲稿第七十页，共七十二页本讲稿第七十一页，共七十二页本讲稿第七十二页，共七十二页