汽车发动机原理第2章热力学第二定律.ppt

第2章 热力学第二定律,▼,▼,2.1.1 热力过程条件与限度问题,热力学第一定律说明了热量和功量两者之间可以相互转换，且在数量上有一定的当量关系，即规定了热能与机械能在转换过程中量的关系热力学第二定律则是从另一个角度研究热功转换问题，它是关于解决过程进行的方向、条件和限度等问题的规律工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程，称系统经历了一个热力循环在状态参数坐标图上，循环的全部过程一定构成一个闭合曲线，整个循环可看作一个闭合过程2.1.2 热机循环,完成一个正向循环后全部效果为： 1）高温热源放出了热量q1（或热机中工质从高温热源吸热q1） 2）低温热源获得了热量q2（或热机中工质向低温热源放热q2） 3）热机将(q1－q2)=q0的热量转化为功 4）工质与机器设备回复到原来状况，没有变化2.1.2 热机循环,热机中工质从高温热源得到的热能q1，其中只有部分可以转化为功，在部分热能（q1－q2）转化为功的同时，必有另一部分q2传向低温热源，后者是使热能经过热循环转化成为功的必要条件因此，一切热动力装置都只能将从热源得到的热量中的一部分转化成为功，这是热动力循环根本特性。

正向循环的经济性用热效率t来衡量，即,2.1.2 热机循环,,1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行能量转换方向性的 实质是能质有差异,,无限可转换能—机械能，电能,部分可转换能—热能,不可转换能—环境介质的热力学能,2.1.3 热力学第二定律,热力学第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体 2.开尔文—普朗克叙述——不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响 3.热力学第二定律各种表述是等效的2.1.3 热力学第二定律,,卡诺循环,是两个热源的可逆循环,,2.1.4 卡诺循环及热效率,2.1.4 卡诺循环及热效率,2.1.4 卡诺循环及热效率,2）,3）,第二类永动机不可能制成；,4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a）一切过程不可逆；b）气体实施等温吸热，等温放热困难；c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功极微5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向1）,2.1.4 卡诺循环及热效率,卡诺定理定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。

定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源 间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2 2）提高热机效率的极限2.1.4 卡诺循环及热效率,循环热效率归纳：,适用一切循环，任意工质多热源可逆循环，任意工质卡诺循环，概括性卡诺循环，任意工质,2.1.4 卡诺循环及热效率,实际热机采用的循环是多种多样的，主要决定于下列因素： 1）工质的性质：是气体还是蒸汽； 2）燃料的性质：是固体、液体、还是气体，液体燃料则还要看是易挥发的轻油，还是不易挥发的重油； 3）机器设备的结构：活塞式的还是叶轮式的2.1.4 卡诺循环及热效率,例1 某理想气体动力循环，空气从初始状态p1=1.01bar、t1=15℃、V1=0.014m3，绝热压缩到V2=0.0028m3，再定容加热到p3=18.5bar，然后绝热膨胀到p4=1.01bar，最后定压放热到初始状态完成循环试计算：（1）循环净功量；（2）理想循环热效率，并与同温度范围内的卡诺循环热效率相比较2.1.4 卡诺循环及热效率,解：按题意绘出循环的p - v及T - s图，先确定各状态点温度为T1=273+15=288K,,式中，,,,,,循环热效率,循环净功量 对空气：Rg=0.287kJ/kg.K, cv0=0.718 kJ/kg·K 空气质量：,循环吸热量： Q1=mcv0(T3–T2)=0.017×0.717（1054－548）kJ=6.2 kJ循环净功量 W=tQ1=0.475×6.2 kJ=2.945 kJ,(2) 同温度范围内卡诺循环为1 - 2’ - 3 - 4’- 1，其热效率为,故在恒定的热源之间卡诺循环热效率高于其他 类型动力循环的热效率。

2.2 四冲程发动机的理论循环,四冲程发动机的工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个过程组成理想循环的基本假设： （1）缸内热力系统为闭口系统由于进气过程和排气过程中工质的状态参数变化不大，故热力计算时，可不考虑换气过程 （2）放热过程简化为定容放热过程； （3）缩和膨胀过程近似为绝热过程； （4）工质为理想气体，整个循环工质成分不变，物性参数为定值； （5）气缸内无摩擦损失，简化为可逆过程；,2.2.1 对发动机实际工作过程的简化,定容加热循环 1 - 2 绝热压缩 2 - 3定容加热 3 - 4绝热膨胀 4 - 1定容放热,定压加热循环 1 - 2 绝热压缩 2 - 3定压加热 3 - 4绝热膨胀 4 - 1定容放热,2.2.1 对发动机实际工作过程的简化,混合加热循环 1 - 2 绝热压缩 2 - 3定容加热 3 - 4定压加热 4 - 5绝热膨胀 5 - 1定容放热,2.2.1 对发动机实际工作过程的简化,12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热,压缩比—compression ratio,定容增压比—pressure ratio,定压预胀比 — cutoff ratio,混合加热理想循环（dual combustion cycle）,2.循环热效率,或,,,两式相除，考虑到,把T2、T3、T4和T5代入,求,,归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。

b.利用T-s图分析循环较方便c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均定压加热理想循环—Diesel cycle,C) 重负荷（，q1  ）时内部热效率下降，除外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降,,,,定容加热理想循环—Otto cycle,,,,,,,,,,,C) 重负荷（q1  ）时内部热效率下降，因温度上升使 ，造成热效率下降,,,压缩比相同，吸热量相同时的比较,,循环pmax，Tmax相同时的比较,,。