汽车发动机原理教案汇总

《发动机原理与汽车理论》教案1第一章工程热力学基础学习目的与要求掌握汽车发动机热力学的基本概念。了解传热学的基本概念和逆循环。掌握热力学第一定律和第二定律。理解理想气体状态方程和多变过程方程。了解混合气体的比热、热力学性质。学习重点热力系统、热力过程及热力状态的基本概念，热力学第一定律。多变过程方程。燃烧基本知识。热效率的计算及影响因素。学习难点热力过程方程，功、能、热的异同点。卡诺循环与卡诺定理。1.1工程热力学基本概念1.什么是工程热力学从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。锅炉一烟气一水一水蒸气一(直接利用)供热；锅炉一烟气一水一水蒸气一汽轮机一(间接利用)发电冰箱、空调一一(耗能)制冷2.本课程的研究对象及主要内容研究对象：与热现象有关的能量利用与转换规律的科学。研究内容：（1）．研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律。（2）．研究工质的基本热力性质。（3）．研究各种热工设备中的工作过程。（4）．研究与热工设备工作过程直接有关的一些化学和物理化学问题。基本特点：1、热源，冷源2、工质（制冷剂）3、得到容积变化功4、循环(加压、放热、膨胀、吸热)21.1.1工质及热力系统(一)工质用以实现热能与机械能相互转换或热能转移的媒介物质。如：水蒸气，制冷剂(二)热力系统、外界和边界1.热力系统：具体制定的，用界面分离出来的研究对象。2.外界：系统以外与之相关的所有有关物体。3.边界(界面)：系统与外界的分界面。界面的性质：它可以是真实的，也可以假想；可以固定也可以移动。边界特性：真实、虚构固定、活动(三)闭口系和开口系、绝热系统和孤立系统1.热力系统分类：按热力系统与外界进行物质交换的情况分：闭口系统：系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界。开口系统：系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界。绝热系统：系统与外界无热交换。孤立系统：系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边界，也不与外界发生任何形式的能量交换。热源热力系统分类以系统与外界关系划分：有无是否传质开口系闭口系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热功、质非孤立系孤立系开口系热力系统非孤立系＋相关外界＝孤立系闭口系绝热闭口系孤立系3简单可压缩系统：最重要的系统简单可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功1.1.2工质的热力学状态及基本状态参数一、状态参数和热力过程（一）状态参数1.状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况2.状态参数：描述工质状态的宏观物理量3.状态参数的特征：(1)状态确定，则状态参数也确定，反之亦然(2)状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关。数学表达式如下：式中，x1，x2分别代表两种状态的状态参数状态参数的积分特征状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。例：温度变化山高度变化强度参数与广延参数强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S比参数、比容、比内能、比焓、比熵单位：/kg/kmol具有强度量的性质二、基本状态参数１、温度温度：标志物体冷热程度的物理量。其数值称为温标摄氏温标：用t表示，单位为℃热力学(开尔文或绝对)温标：用T表示，单位为K可以看出两种温标的温差是相等的热力学第零定律：温度的热力学定义热力学第零定律（R.W.Fowler）如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。4温度测量的理论基础温度计温度的热力学定义：处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度。温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。２、压力压力：单位面积上所承受的垂直作用力。表压与真空：工程上，工质的压力常用压力表或真空表来测量。测量压力的仪表通常处于大气环境中，不能直接测量出绝对压力，显示的是绝对压力和当时当地大气压的差值。表压力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力计显示的绝对压力超出大气压力的部分。表压力=绝对压力-大气压力真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空计显示的绝对压力低于大气压力的部分。真空度=大气压力-绝对压力要想知道气体的绝对压力，还要知道当时当地的大气压力，然后通过上述公式进行计算。如果大气压力发生变化，即使工质的绝对压力不变，测压计的对数也会变，所以只有绝对压力才是状态参数。注：工程计算中，必须选取绝对压力5压力的单位：国际单位制中压力的单位:Pa,1Pa=1N/m21MPa=106Pa常用单位：1atm(标准大气压)=760mmHg(毫米汞柱1mmHg=133.3Pa1at(工程大气压)=735.6mmHg=9.80665104Pa３.比体积和密度比体积：单位质量的物质所占有的体积，用v表示。式中V——体积；m——质量。比体积是表示物质内部分子疏密程度的状态参数。比体积大，物质内部分子间的距离大比体积的倒数为密度1.1.3平衡状态及其状态方程1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。温差—热不平衡势压差—力不平衡势化学反应—化学不平衡势平衡的本质：不存在不平衡势平衡与稳定稳定：参数不随时间变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？稳定不一定平衡，但平衡一定稳定平衡与均匀平衡：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的。为什么引入平衡概念？6如果系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述，但平衡状态是死态，没有能量交换２.状态方程、坐标图平衡状态可用一组状态参数描述其状态状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数N=n+1想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？状态公理：闭口系：不平衡势差状态变化能量传递独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等状态方程简单可压缩系统：N=n+1=2绝热简单可压缩系统状态方程基本状态参数（p,v,T)之间的关系状态方程的具体形式取决于工质的性质坐标图简单可压缩系N=2，平面坐标图1）系统任何平衡态可表示在坐标图上2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图1.1.4理想气体状态方程理想气体——是一种经过科学抽象的假想气体模型。假设：①气体分子是一些弹性的质点，分子体积与气体的总体积相比可以忽略不计；②分子相互之间没有作用力（引力和斥力）。实际气体——气体所处的压力很高，温度很低，或者是刚刚脱离液态，此时它具有很高的密度，以至于分子本身的体积和分子之间的相互作用力均不能忽略的气体。例如，锅炉中产生的水蒸气，制冷剂蒸气，石油气等都属于实际气体。理想气体是实际存在的气体当p→0，ρ→0时的极限气体模型。7比如空气，烟气中的水蒸气，因其含量少，比体积大，均可当理想气体看待。二、理想气体状态方程（克拉贝龙方程）理想气体的三个基本状态参数之间存在的一定的函数关系。当理想气体处于任一平衡状态时，三个基本状态参数之间满足:pv=RgTRg气体常数，单位为J/(kg·K)，其数值取决于气体的种类，与气体状态无关。对于质量为mkg的理想气体，有pV=mRgT【补充知识点】物质的量：n，单位：mol（摩尔）。物质的量是表示物质所含微粒数(N)（如：分子，原子等）与阿伏加德罗常数(NA)之比,即n=N/NA。它是把微观粒子与宏观可称量物质联系起来的一种物理量。阿伏加德罗常数：0.012kg12C中所含的原子数目。阿伏加德罗常数的符号为NA。阿伏加德罗常数的近似值为：6.023×1023/mol。1mol任何物质所含的粒子数均为阿伏加德罗常数个。摩尔质量：M，1mol物质的质量，kg/mol。定义：单位物质的量的物质所具有的质量(1mol物质的质量）叫摩尔质量，即1mol该物质所具有的质量与摩尔质量的数值等同。物质的量（n）、质量（m）、摩尔质量（M）之间的关系为：n=m/M1kmol物质的质量在数值上等于该物质的相对分子质量。摩尔体积：Vm，1mol物质的体积，m3/mol。∵pv=RgT∴pVm=MRgT若令RMRg，n=mVV，则有pV=nRTR摩尔气体常数（又称为通用气体常数),J/(molK)。根据阿佛伽德罗定律，同温、同压下任何气体的摩尔体积Vm都相等，所8以任何气体的摩尔气体常数R都等于常数，并且与气体所处的具体状态无关。已知在物理标准状态(压力为101325Pa，温度为273.15K)下，1kmol任何气体所占有的体积为22.41410m3。故有R=8.314〔J/(mol·K)〕例4-1氧气瓶内装有氧气，其体积为0.025m3，压力表读数为0.5MPa，若环境温度为20℃，当地的大气压力为0.1MPa，求：（1）氧气的比体积；（2）氧气的物质的量。解：（1）瓶中氧气的绝对压力为p（0.50.1）1060.6106（Pa）气体的热力学温度为T273.1520293.15（K）气体常数为Rg=MR=3-10328.314=259.8J/（kgK）根据公式（3-1）得氧气的比体积为V=pTRg=6106.015.2938.259=0.127（m3/kg）（2）根据公式（3-4）得氧气物质的量为N=RTpV=15.293314.8025.0106.06=0.6×106=6.154（mol）｛难重点｝1、什么是平衡状态、状态方程。2、理想气体的假设条件是什么？3、理想气体的状态方程的各种表达形式？4、什么是物质的量，摩尔质量，摩尔体积？91.2热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间相互转换时的数量关系，从能量“量”的方面揭示了能量转换的基本规律。本章以热力学第一定律为理论基础，建立闭口系统和稳定流动开口系统的能量方程，即热力学第一定律的数学表达式，为热力过程计算奠定理论基础。本章的主要内容：•理解准平衡过程，掌握可逆过程。•掌握能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量的概念，理解热量和功量是过程量而非状态参数。•掌握体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及它们之间的关系。•理解焓的定义式及其物理意义。•熟练使用p-v图和T-s图，能在图上标出状态、过程和循环。•理解热力学第一定律的实质能量守恒定律。•掌握封闭热力系的能量方程，能熟练运用能量方程对封闭热力系进行能量交换的分析和计算。•掌握开口热力系的稳定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方程对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。•了解常用热工设备主要交换的能量及稳定流动能量方程的简化形式。本章的重点：理解热力过程中能量转换的规律，针对封闭系统、稳定流动开口系统会运用热力学第一定律分析计算能量转换问题。本章难点：1、对体积变化功、轴功、流动功和技术功的概念、焓、熵的定义、计算及它们之间的关系理解起来会有一定的难度。102、熟练运用热力第一定律的表达式能量方程对实际工程问题进行能量交换的分析和计算需要一定的技巧，有一定的难度，应结合例题与习题加强练习。3、比热容的种类较多，理解起来有一定的难度。应注意各种比热容的区别与联系。在利用比热容计算过程热量及热力学能和焓的变化量时应注意选取正确的比热容，不要相互混淆，应结合例题与习题加强练习。1.2.1.1准平衡过程与可逆过程首先要知道什么是“热力过程”系统从一个状态到达另一个状态所经历的全部状态变化称为热力过程，简称过程。•区别“过程与状态”，即引入“准平衡过程”的原因。系统状态的改变意味着本身的平衡态被破坏，而实际的热力过程也正是由于各处温度、压力或密度的不平衡引起的。当引起变化的不平衡势差消失后，过程结束，系统又恢复到平衡状态。热力过程所经历的中间状态是不平衡状态，过程进行得愈快，系统就越偏离平衡状态。这样的过程非常复杂，讨论起来很困难，为了简化问题，我们引入准平衡过程