发动机原理第一次授课讲义.docx

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发动机原理第一次授课讲义

第一次讲课讲义

第一章工程热力学基础

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。

第一节气体的热力性质

一、热力系统

1、热力系统：

某一宏观尺寸范围内所要研究的对象的总称。

2、外界：

与系统有相互作用的以外物质。

3、热力系统的分类：

闭口系统：

与外界无质量交换的系统；

开口系统：

与外界有质量交换的系统；

绝热系统：

与外界无热量交换的系统；

孤立系统：

与外界即无质量交换，又无热量交换的系统。

二、工质状态及状态参数

1、工质：

用以实现热功转换的媒介物质。

2、工质热力状态：

工质在热力系统中某一瞬间所处的宏观状况。

3、工质状态参数：

用来描述工质状态的物理量。

4、基本状态参数：

能够测量并能代表工质基本特征的参数。

（1）压力（P）、

单位容积面积上的垂直力。

P=F/AN/m=Pa（帕斯卡）

工程气压：

1kg/cm2=98.1kPa

物理气压：

76cmHg=101.33kPa

绝对压力：

P—状态参数

表压力：

Pg

真空度：

Pν

大气压力：

P0

P=P0+PgP=P0-Pν

（2）温度（T）

表示物体的冷热程度。

开氏温标：

T单位K

水的三相点为单一固定点273、16K。

（冰点为273、15K）

摄氏温标：

t单位℃

T=t+273、15K

（3）比容（v）

单位质量的容积。

v=V/m（m3/kg）

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，分子之间无引力的气体。

1升气体有2.7×1022分子,挤在一起仅0.4cm3占0.04%

2、理想气体状态方程：

（1）1千克气体：

Pv=RT

R为为气体常数（Kj/kg·K）其大小与气体的种类有关

（2）m千克气体：

PV=mRTV=mν（体积）

（3）1千摩尔气体：

Pμv=μRT

PVm=RmT

Vm1千摩尔容积；μ为1千摩尔质量;Rm为通用气体常数,Rm=8.31kJ/kmol.K

3、压容图（P-V图）

（1）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）热力过程：

系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程称为一个热力过程。

为便于分析，通常将气体的热力过程假设为准平衡过程，即从一个平衡状态经历了一连串的无限接近平衡状态的中间状态，到另一个平衡状态的变化历程。

（3）P-V图的意义

在P-V图上的一点表示气体的一个热力状态；一条曲线表示一个热力过程；（曲线下面所包围的面积表示功量）。

四、工质比热：

单位质量的工质温度变化1K所吸收或放出的热量。

用c表示。

C=δq/dt

1、比热与度量单位关系

质量比热C：

单位kJ/kgK

摩尔比热φckJ/kmol.K

容积比热C1kJ/m3K

2、比热与加热过程的关系

常见的加热过程是等压过程和等容过程

等压比热cp

等容比热cν

cp>cνcp-cν=R

比热比：

cp/cν=k（绝热指数）

3、比热与温度的关系

真实比热：

每一温度下的气体比热。

实验证明，多数气体的比热是随温度的升高而增大

平均比热：

Cm某一温度范围内的比热平均值（为使计算简便）

定比热：

实际中不考虑比热随温度的变化，即采用定比热。

第二节热力学第一定律

热力学第一定律是能量转换与守衡定律在热力系统中的应用。

热量===其它能量

在工程热力学中它表达工质吸热、作膨胀功和内能储存的三者关系。

一、功、热量和内能

（一）膨胀功

气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功。

即系统与外界宏观位移而传递的能量

1千克气体功：

δw=Fdx=APdx=Pdν

w12=∫12Pdν

m千克气体功：

W12=mw=∫12mPdν=∫12PdV

在P-V图上，曲线下面所包围的面积。

规定：

系统对外界做功（膨胀功）为正，外界对系统做功（压缩功）为负。

功是过程量，不是状态参数。

（二）热量

系统与外界之间依靠温差来传递的能量形式，即系统与外界微观而传递的能量。

热量是过程量，不是状态参数。

q为1千克气体传递的热量kJ/kg

Q为千克气体传递的热量kJ

规定：

传入系统的热量即吸热为正；传出系统的热量即放热为负。

（三）内能

工质内部总能量

即工质内部粒子微观运动和粒子位移的总能量，它包括内动能和内位能。

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，即也是工质状态参数。

内能用u表示，单位kJ。

气体内能变量的计算

Δu=U2-U1

在等容过程中，加热量全部用于增加内能

qν=cν（T2-T1）=Δu

即Δu=cν（T2-T1）

因为内能是一状态量，与热力过程无关，故上述公式适用于任何热力过程。

二、闭口系统能量方程

内燃机的燃烧、作功过程可看作闭口系统。

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

q-w=Δuq=Δu+w（1千克）

Q=ΔU+W（m千克）

对于微元过程δQ=dU+δW

以上各项均为代数值，可正可负，

三、开口系统的能量方程（略）

四、熵和温熵图（T-S图）

功和热量都是工质在状态变化过程中与外界进行能量交换的度量。

功是系统与外界之间存在压差ΔP而作功。

δw=Pdν（使dν变化）

dν>0，dw>0膨胀，系统对外界做功；

dν<0，dw<0压缩，外界对系统做功；

dν=0，dw=0系统与外界之间无功量传递。

功可用P、ν描述，P是推动力，ν改变标志有无作功，并用P-ν图表示。

热量是系统与外界之间存在温差ΔT而传热，T是推动力，相应有另一参数，它的改变标志有无传热，就是熵。

熵s增量等于系统在过程中交换热量除以传热时的绝对温度所得的商。

ds=δq/T

δq=Tds

ds>0，δq>0，吸热；

ds<0，δq<0，放热；

ds=0，δq=0，系统与外界之间无热量传递。

熵是一个状态参数。

熵的变量：

ΔS=∫12δq/T

参造P-ν图同样有类似T-S图

T-S图上一点表示状态，一条曲线表示过程，曲线下面积表示热量大小。

第三节理想气体的热力过程

一、定容过程

1、定义：

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：

ν1=ν2

P1/P2=T1/T2（PV=RT）

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T=∫12cν

=cν

5、能量转换：

w=0q=qν=cν（T2-T1）

q=Δu+w=cν（T2-T1）

二、定压过程

1、定义：

压力保持不变的过程。

2、过程方程式：

P=常数

3、参数间的关系：

P1=P2

ν1/ν2=T1/T2MNJHUY76（PV=RT）

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T=∫12cp

=cp

5、能量转换：

q=qp=cp（T2-T1）

w=∫12Pdν=P（ν2-ν1）=R（T2-T1）

q=Δu+w=cv（T2-T1）+R（T2-T1）

=（cv+R）（T2-T1）

∴cp=（cv+R）

三、定温过程

1、定义：

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：

T1=T2

P1ν1=P2ν2

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）=0

ΔS=∫12δq/T=1/T∫12δq

5、能量变换：

w=∫12Pdν=∫12RT/Vdν=RTLnv2/v1

q=Δu+w=w

四、绝热过程

1、定义：

系统与外界不存在热量交换。

2、过程方程式：

pvk=常数k为绝热指数。

3、参数间的关系：

P2/P1=（v1/v2）k

T2/T1=（v1/v2）k-1

T2/T1=（P2/P1））k-1/k

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T=0

5、能量变换：

q=0

q=Δu+w

w=-Δu=cv（T1-T2）

=cv（P1ν1/R-P2ν2/R）

=cv/cp-cv（P1ν1-P2ν2）

=R/k-1（T1-T2）