【发动机原理】第一章----热力学知识及能量转化

第一章热力学知识及能量转换第一节热力学知识第二节发动机能量转换练习题结束22020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化教学目标１.了解变质量系统热力学过程分析方法。２.了解发动机燃烧热化学，理想混合气体。３.理解多变过程p-V图及T-S图分析。４.理解机械损失的测量。５.掌握变质量系统热力学过程定律。６.掌握发动机能量转换的评价。７.掌握发动机燃料与工质，多变过程中热力参数的计算。32020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化42020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化52020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化我们一般所称的热力学，主要研究平衡态或准静态，所以又称平衡热力学。它们都是热运动的特殊形态，它们的各种变化过程都是一系列平衡态或准静态的连续变化。这种变化从理论上讲需要无限长的时间，因而热力学中没有时间变量，它不涉及过程的速率。近几十年来发展起来的有限时间热力学就是考虑了时间变量，考虑了热力过程的速率问题。它属于不可逆过程热力学，但又与传统的不可逆热力学不同。62020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化工程热力学是研究热和功之间的转换规律，是研究热力学及其在涉及能量利用的各种过程、装置和系统的工程设计中的用途，以造福于人类的学科，它是宏观热力学的一个重要分支。随着科学技术的飞跃发展，工程中遇到各种各样的热力学问题，从而使工程热力学的内容不断的丰富和向前发展，变质量系统热力学就是工程热力学的拓展。72020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化发动机作为将燃料燃烧产生的热能转换为对外输出机械能的热机，较其他形式的热机有着效率高的特点。在整个工作过程中，工质与汽缸壁及相关外界存在着热量传递，发动机通过进、排气系统与外界发生着质量的交换。可以看出发动机各系统之间不但存在着能量的传递。还存在着质量的交换，下面我们将介绍与变质量系统有关的热力学基本知识。82020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化一、变质量系统热力学简介及分析方法变质量系统热力学是研究变质量系统热功转换的规律和方法。例如工程中经常遇到的内燃机工作过程、压缩机热力过程、火箭发动机工作过程等都是变质量热力系统的实例。对于这样的变质量热力系统，表征系统状态的参数除了压力、温度、容积以外，工质的数量也是表征系统状态的参数，有时它是一个关键的参数。92020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化变质量热力系统与常质量热力系统有着本质的差别。对于开口系统，常质量热力学只研究稳定流动。对于一个常质量热力系统，每个工质微团经历的状态变化相同，因此在研究过程中，我们可以取单位工质作为分析对象。而对于变质量系统热力过程，每个工质微团经历的热力过程不完全相同，况且系统中工质的数量也在变化，因而不能取单位工质作为分析对象，而只能取微元工质作为研究对象，并且假定:102020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化(１)微元工质进入系统之前和离开系统之后，工质发生的一切变化与所考察的变质量热力系统无关；(２)微元工质从进入系统的瞬时起，即属于系统的一部分，与其他工质一样参与系统的状态变化。对于只有工质流入的系统(例如:对刚性容器的充气)和只有工质流出的系统(例如:自刚性容器的放气)。微元工质进入系统后，即与系统中原来的工质处于同一状态，流出工质的状态是该时刻系统的状态。112020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化由热力学知，对于简单可压缩常质量系统其状态方程是3个变量的函数，独立变量只有2个，而对于变质量系统，其状态方程是4个变量的函数，独立变量有3个。对于常质量系统，状态方程一般形式为ｆ(ｐ,Ｖ,Ｔ)=０对于变质量系统，状态方程一般形式为ｆ(ｐ,Ｖ,Ｔ,ｍ)=０122020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化例如:对于一个简单可压缩系统来说，只有容积变化的边界功，其表达式为：δW=pdv(1-1)或：δW=pdv对于常质量系统，则有δW=pd(mv)=mpdv(1-2)对于变质量系统，则有δW=pd(mv)=mpdv+vpdm(1-3)132020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化很显然，对于常质量系统，当dv=0时，则有δw=0，对于变质量系统，虽然比体积不变，即dv=0，但质量是可变的，即dm≠0，所以这时的功δw≠0。在热力学中，我们用工质比体积ｖ的增大还是减小来定义工质的膨胀和压缩。由以上分析可以看出，对于常质量系统,ｖ和Ｖ有同样的作用,ｖ增大,Ｖ也增大，系统膨胀对外做功，反之亦然。可是对于变质量系统则不然，所谓的膨胀和压缩是以系统容积Ｖ的增大还是减小来定义的。142020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化由dV=mdv+vdm，可以看出，当工质膨胀做功时，即dV大于零时，但dv不一定大于零，当dV小于零时,dv也不一定小于零。很显然，这是因为dm引起的。即V的增大或减小(即dV0或dV0)要由mdv+vdm的综合效果来决定，而不仅仅决定于比体积的变化，还要取决于工质质量m的变化。152020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化必须要指出的是，系统与外界传递的热量δQ、系统做的功δW两者都不能储存，它们是传递过程中的能量，不是系统的状态参数，是与过程有关的物理量。例如:式中:１、２——热力系统中某物理量在热力过程中的初、终态。162020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化变质量系统热力过程其基本特点是每个工质微团所经历的热力过程并不完全相同，这时若任取单位工质作为研究对象，已不能代表整个工质的热力过程。同时，整个工质的循环也不可能在热力学坐标图上用一条简单的封闭曲线表示出来。因此，在分析方法上与常质量热力系统不同，这就是以控制容积为分析对象，采用控制容积分析方法。而且广泛采用的是P-V图，而不是一般的P-v图或T-s图。172020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化控制容积分析方法是变质量系统热力学的基本分析方法。在下面的分析中，我们将热力系统按其与外界是否有质量交换而分为开口系和闭口系(或称封闭系)。在进行热力分析时，若取一定容积的空间为热力系统，则称此空间区域为控制容积，对所取定的控制容积进行热力分析的方法就是控制容积法。其基本特点如下：182020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化控制容积是一个可以流过流体的、虚构的、固定的体积，在一般情况下，控制容积可以改变其形状和空间位置。控制容积的表面，我们称为控制面，它是一个虚构的、可渗透的、包围全部控制容积的表面。与控制容积对应的是体系分析方法(又称为控制质量法)。体系是物质的集合，对于一个体系，既没有物质的进入，也没有物质离开，体系之外的一切都称为外界或环境。192020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化变质量系统热力学主要研究的是变质量的开口系。正如前面指出，工质流经一个开口系统，这时工质微团所经历的过程不完全相同，在控制容积中，工质不断地进出，控制容积中的工质不断更新，这时以跟踪某一微元工质来考察它与周围工质的相互作用是不可能的。我们的研究集中在所选取的控制容积上，要确定出工质占据此控制容积的瞬时特性。202020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化控制容积中工质的参数可以是不稳定的(随时间变化)，也可以是不均匀的(随地点变化)。若不稳定，但是均匀的，可用瞬时参数来描绘；若不均匀，则需划分为若干局部均匀的小系统来描绘。因此研究变质量热力过程，采用控制容积法是很方便的，也是行之有效的。212020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化当对控制容积列出质量平衡、能量平衡、熵平衡方程时，不仅需要分析热和功的相互作用，还要计算由于工质质量的进出而引起的各种相应热力学参数的变化。由于微元工质在穿过控制面时，参数可能急剧的变化，这时难以确定工质在控制面上的参数。222020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化为此需假定在开口系统的界面上取一微元容积，其中的微元工质处于局部平衡，处于局部平衡的微元工质的参数就可用来表示工质在开口界面上的参数。我们采用控制容积法分析热力系统的目的是导出基本方程式，即以控制容积为研究对象的质量平衡方程式，能量平衡方程式和熵平衡方程式。232020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化但是，这些平衡方程式都是依据基本定律导出的，而基本定律都与一个固定的、可以识别的物质集合有关，即基本定律都是针对某一个体系而言(即控制质量)。因此，在导出各平衡方程式时，要由体系分析方法(控制质量方法)入手，取包括控制容积中的质量和即将流入或流出的微元工质质量之和为控制质量，然后根据控制质量在所考察的时间内的变化列出各种相应的平衡方程式。242020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化在用控制容积方法分析热力系统时，我们认为热和功的作用发生在没有质量交换的那部分控制面上，质量的交换和伴随着质量交换发生的能量的变化和熵的变化等则仅仅发生在开口系统进、出口的控制面上。252020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化二、变质量系统热力学基本方程１.热力学参数１)广延量与强度量热力学参数可以是与所含质量多少无关的物理量，也可以是取决于所含质量多少的物理量。我们一般定义:与所考察对象的质量有关的量称为广延量。例如:体系的体积、质量、动量等。另一类是与所考察对象的质量无关的量，称为强度量。上述两类物理量是体系的状态参量，我们又称为第一类强度量。第二类强度量则称为比广延量，即单位质量的广延量。262020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化例如:我们已经在大学物理中学习过的对于一个热力系统，其热力学参数比内能ｕ(单位质量的内能)，比焓ｈ(单位质量的焓)，比熵ｓ(单位质量的熵)，比体积ｖ(单位质量的体积)，等等。若令系统的质量为ｍ、内能为Ｕ、焓为Ｈ、熵为Ｓ、体积为Ｖ，则272020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化显然，广延量具有可加性，总量为各部分的相应量之和。而对单位物质质量而言，比广延量就是强度量，强度量反映系统的内含性质，与分子的运动有关，没有可加性。无论是广延量还是强度量，对于一个热力系统，当系统处于平衡时，状态一定，上述两类物理量也随之确定。282020年3月21日第一章热力学知识及能量转化第一节热力学知识发动机原理热力学知识及能量转化因此，体系的一般广延量Ｎ为Ｎ=∫ηdm。若体系占据的体积为τ,由于ρ=dm/dτ，因此一般广延量Ｎ为可以表达为：Ｎ=∫τηρdτ。式中:ρ——广延量密度。２)储能对于一个质量为ｍ的封闭体系，它经历了包括对外界传热和做功的过程，假定该热力过程构成一个循环，则根据热力学第一定律有∮(δＱ－δＷ)=0(1-5)292020年3月21日第一章热力学知