绪论-热力学基础

1、,吉林大学珠海学院 主讲：邓宝清 电话：7510002,汽车发动机原理,绪 论 （3学时） 第1章性能指标与影响因素（4学时） 第2章发动机工作循环（4学时） 第3章发动机燃料特性（2学时） 第4章换气过程（5学时） 第5章混合气形成和燃烧（8学时） 第6章燃料供给与调节（5学时） 第7章使用特性与匹配（3学时）,学时分配,课程教学目标： 通过该课程的学习，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： 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： 本课程讲授34学时，共18周，周学时为2。,教学大纲,考核方式,综合实验：实验内容为内燃机特性和调节 考核方式：考试（70%） +平时、作业、试验（30%） *！：每缺课1次扣5分，迟到及其他1次扣2分。 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，

2、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,绪 论,发动机的地位： 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： 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。,热力学基础,汽车发动机 往复活塞式内燃机 内燃机 热机：符合热力学过程,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。 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。 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。,第一节 热功转换基础,一、能量与能源 能量是物质运动状态的量度。 能源是指能够直接或间接提供能量的资源。 1、能量的种类： 机械能、热能、电能、化学能、核能、辐射能。 2、能源的利用形态： 一次能源：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。 如，煤、天然气、水能、生物质能、地热能、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的能源。 如

3、，电力、蒸汽、焦碳、煤气、沼气、氢气、石油制品等； 生产过程排出的余热（高温烟气、可燃废气、排放有压流体等）。,能源再生性：,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。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。 地球表面吸收的太阳能约为：8.6万兆瓦 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。 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。 能源问题：再生能源的利用技术，新能源的开发利用。 节能和环保成为当今世界的主题和热点。,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。 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。 特点：宏观上以温度的高低表现； 是基本的能量形式其它形式的能都能完全转换为热能 。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。 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； 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

4、能。 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 射线、x射线、热辐射、微波。 热辐射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。,1、能量的种类2：,、化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。 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。 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。 、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。 特点：在原子核中的粒子相互作用原子核反应时释放出来； 原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂变、聚变反应时释放大量能量。,3、热 能,、热能发生途径： 直接产生如地热能、海洋热能 通过能量形式转换产生化学能的转换：燃烧放热反 应，生成CO2和水 电能转换：焦耳效应。 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 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，将化学能热能机械能。 汽轮机：化学能蒸汽的热能经汽轮机转换为机械能； 内燃机：化学

5、能燃气的热能经活塞连杆机换为机械能。,热能利用实例,热能的应用在国民经济中的重要地位： 电力工业火力发电或核发电，均应用热能转换。 钢铁工业炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能； 有色金属工业铝、铜等有色金属的冶炼用热能； 化学工业酸、碱、合成氨的生产过程 石油工业采油、炼制、输送等用热能； 建材工业建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等； 机械工业铸造、锻压、焊接等用热能； 轻纺工业造纸、制糖、化纤、印染等用热能 交通运输汽车、火车、船舶、飞机等的动力来之热能； 农业及水产养殖业电力灌溉、温室培植、鱼池加温等 生活需要供暖、空调、烹饪。,二、热力状态及状态参数,工质：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，具有一定的内能、焓和熵称为工质处于某个热力状态。 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：温度T、压力p、比体积v；内能U、焓H、熵S。其中T、p、v可以直接测量。,1、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对象称为热力系统。 与系统

6、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。 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：系统与外界有能量传递和转换的同时有工质交换。 封闭系统：系统与外界有能量传递和转换但无工质交换。 绝热系统：系统与外界既无热量传递又无工质交换。 孤立系统：系统与外界既无能量传递和转换又无工质交换。,2、温度T,温度是表示物体的冷热程度。 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，分子无规则平均动能越大，气体温度越高。 热力学温度T是国际基本单位制SI制中的基本温度，单位是K。并选取水的相变点温度为基本标定点温度，规定其温度为276.15K。 摄氏温度t与热力学温度的关系：K=t+276.15 *只有热力学温度才是状态参数。 温度的测量仪器是什么？ 测量原理是什么？实质是什么？,3、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p。 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，撞击的个数越多气体压力越高。 压力的基本单位是Pa，按定义Pa=N/m2。 工程上由

7、于Pa的单位太小，常用kPa和MPa。 绝对压力：气体作用于容器表面的实际压力值称为绝对压力，用p表示。只有绝对压力才是状态参数。 表压力：测量时压力计读数压力叫表压，记作pg。 表压力：是绝对压力高出当地大气压力p0的数值。如果绝对压力低于p0，表压力为负值称为真空，记作pv。,4、比体积v,比体积是表示单位质量物质所占的体积v， 其单位是m3/kg。 体积V=质量m*比体积v。 比体积v与密度的关系： 密度是单位体积物质具有的质量，单位是kg/m3。 所以： * v=1. 平衡状态：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力平衡状态。,三、理想气体状态方程,理想气体：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。 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。,理想气体状态方程：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克拉贝隆发现了气体状态参数p、v、T之间的关系,即为理想气体状态方程。pv=RT。 其中R是气体常数，单位是J/(kg.K)，它与气体分子量有关。 R=Rm/。 是摩尔质量k

8、g/kmol；Rm是通用气体常数。 Rm=8.3143kJ/(kmol.K),四、工质的比热容,比热容：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。 常用符号c表示比热容。 C=dq/dT 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cp和cv表示。 对于理想气体， cp和cv的比值为常数k，在热力学中把这个比值叫做比热比，又叫做等熵指数。 单元子气体k=1.66；双原子气体k=1.4；多原子气体k=1.29 对于1kmol的理想气体， cpm和cvm的比值也为常数，其值为通用气体常数Rm= cpm-cvm。 实验表明：理想气体的比热容只是温度的函数与压力无关。,五、热力过程,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。 热力循环：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，回到初始状态的热力过程。常用p-V图或T-S图来表示。 可逆过程：系统由状态1变化到状态2， 如果能够沿着原来的变化过程逆向回到1状态，没有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。 只有无摩擦、无温差产热的内平衡过程才有可逆性。,第二节、热力学第一定律,实质：能量守恒与转换定律在工程热力学中的应用。 内容：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。 对于一个系统来讲： 进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的变化量。 这里能量包括内容很广： 1、热量Q：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。 2、功量W：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 3、内能U：工质内部所具有的各种能量的总和。,一、封闭系统的能量方程,热力循环：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，回到初始状态的热力过程。,

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