§4.6 热机

§4.6 热机
η热=W
’
/Q
1
设系统向低温热源放的总热量为 Q2 0， 由于ΔU = 0，则 由第一定律可得
Q1 − Q 2 = W
'
η热 =
Q1 − Q 2 Q1
= 1−
Q2 Q1
•若系统不止与两个热源相接触，则 若系统不止与两个热源相接触， 若系统不止与两个热源相接触
Q1 =
∑Q
i =1
m
1i
§4.6 热机
(三)热机效率的定义 既然不可能把从高温热源吸的热量全 部转化为有用功， 部转化为有用功，人们就必然关心燃料 燃烧所产生的热中， 燃烧所产生的热中，或热机从高温热源 吸的热中，有多少能量转化为功。 吸的热中，有多少能量转化为功。 前者是总的热效率的问题， l前者是总的热效率的问题，后者是热机 效率的问题。 效率的问题。 热机效率η热定义为 为热机输出净功的数值, 其中W ’为热机输出净功的数值, 为热机输出净功的数值 为热机从高温热源吸取的总热量。 Q 1为热机从高温热源吸取的总热量。
T T − T2 T2 = 3 = 3 T1 T4 T 4 − T1
1−γ
V1 T4 − T1 T1 η热 = 1 − = 1− = 1− V T3 − T2 T2 2
= 1 − K1−γ
§4.6 热机
V K = 1 V2
η
热
= 1− K
1− γ
称绝热容积压缩比。 其中 K = V1/V2 称绝热容积压缩比。 越大，效率越高。 可见K 越大，效率越高。 将引起所谓爆震现象， 但过大的 K 将引起所谓爆震现象，对机件保 养不利。 养不利。 一般认为， 不能大于10 10。 一般认为，汽油机的 K 不能大于10。 7， 假设K = 7，算得奥托循环的效率为 η=55% 实际的汽油机其效率低于此数 ，一般最高仅 40%多左右 多左右。 40%多左右。
§4.6 热机
5-02热机A.exe
一个热机至少应包括如下三个组成部分: 一个热机至少应包括如下三个组成部分: (1)循环工作物质； (1)循环工作物质； 循环工作物质 (2)两个以上的温度不相同的热源， (2)两个以上的温度不相同的热源，工作物 两个以上的温度不相同的热源 质从高温热源吸热，向低温热源放热； 质从高温热源吸热，向低温热源放热； (3)对外作功的机械装置。 (3)对外作功的机械装置。 对外作功的机械装置
§4.6 热机
作功正负的判断: 作功正负的判断 作功与过程有关， 作功与过程有关， 看是否单方向膨胀 p A B
V
§4.6 热机
例：理想气体经历一卡诺循环，当热源 温度为１００℃，冷却器温度为０℃时， 作净功８００J，今若维持冷却器温度 不变，提高热源温度，使净功增为１６ ００J，则这时（１）热源温度是多少？ （２）效率增大到多少？设两个循环都 工作于相同的两绝热线之间。
§4.6 热机
(二)热机循环 热机(heat engine)是工作物质从高 热机(heat engine)是工作物质从高 温热源吸热使之转化为有用功的机械。 温热源吸热使之转化为有用功的机械。 但工作物质从高温热源吸热所增加的 内能不能全部转化为对外作的有用功， 内能不能全部转化为对外作的有用功， 因为它还要向外放出一部分热， 因为它还要向外放出一部分热，这是由 循环过程的特点决定的。 循环过程的特点决定的。 所谓循环过程是指系统(即工作物质)从 所谓循环过程是指系统(即工作物质) 初态出发经历一系列的中间状态最后回 到原来状态的过程。 到原来状态的过程。
1 一定量的理想气体，由平衡状态 一定量的理想气体，由平衡状态A 变到平衡状态B（ ），则无论经历的 变到平衡状态 （pA=pB），则无论经历的 是什么过程，系统必然 是什么过程， p （A）对外作功 ） A B T高 （B）内能增加 ） 高 （C）从外界吸热 ） （D）向外界放热 ） T低 低 V O
§4.6 热机
1-2等温膨胀过程中吸热 在3-4等温压缩过程中放热
V2 Q 1 = ν RT 1 ln V1
Q 2 = ν RT 2 ln
为绝热膨胀过程。 2-3 为绝热膨胀过程。设气体的比热容比为γ，
V4 V3
T 1 V 2 γ - 1 =T 2V 3γ -1
V2 T2 1 /(γ −1) =( ) V3 T1
,
Q2 = ∑ Q2 i ,
i =1
n
§4.6 热机
§4.6.2卡诺热机 (Carnot heat engine) 4.6.2卡诺热机
法国工程师卡诺在对蒸汽机所作的热力学 研究时所采用的方法与众不同， 研究时所采用的方法与众不同，他对蒸汽机 所作的简化、抽象十分彻底。 所作的简化、抽象十分彻底。 整个循环由两个可逆等温过程及两个可逆绝 整个循环由两个可逆等温过程及两个可逆绝 热过程组成， 热过程组成，如图所示. •这样的热机称为卡诺热机。卡 这样的热机称为卡诺热机。 这样的热机称为卡诺热机 诺热机的工作物质不一定是理 想气体，可以是其他任何物质。 想气体，可以是其他任何物质。 在循环中工作物质从 T 1 热源吸热Q1 ，向T2 热源放热Q2 ，向外输出功W ’ 。 现在研究以理想气体为工作物质的卡诺循环 的效率。 的效率。
§4.6 热机
图表示理想气体任意的一个准静态热机 循环过程。 循环过程。 由图可见， 由图可见，任何热机不可能仅吸热而不 放热，也不可能只与一个热源相接触。 放热，也不可能只与一个热源相接触。 循环过程的净功就是p-V图上循环曲线所 围的面积。 围的面积。 图上顺时针变化的循环， 在p-V图上顺时针变化的循环，系统对外 作出净功，这就是热机。 作出净功，这就是热机。 • 逆时针变化的循环中 外界对系统作净功， 外界对系统作净功，这 是制冷机或热泵。 是制冷机或热泵。
§4.6热机 热机 §4.6.1蒸汽机与热机 4.6.1蒸汽机与热机
(一)蒸汽机(steam engine) 蒸汽机(steam 图所示为一简单的活塞式蒸汽机的流程图。 图所示为一简单的活塞式蒸汽机的流程图。 • 蒸汽机中，工作 蒸汽机中， 物质水在每一次循 环中都把向高温热 源吸收的热量中的 一部分用于气缸对 外作功， 外作功，其余的能 量则以热量方式向 低温热源释放。 低温热源释放。
§4.6 热机
*§4.6.3内燃机循环 § 内燃机循环 将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机 称为内燃机(internal 称为内燃机(internal combustion engine) 由于内燃机把燃烧移到气缸内部， 由于内燃机把燃烧移到气缸内部，与 蒸汽机相比较可明显升高高温热源温度， 蒸汽机相比较可明显升高高温热源温度， 因而效率将高于蒸汽机。 因而效率将高于蒸汽机。 内燃机主要有奥托循环(Otto 内燃机主要有奥托循环(Otto cycle) 与狄塞尔(Diesel cycle)循环两种形式 循环两种形式。 与狄塞尔(Diesel cycle)循环两种形式。
§4.6 热机
而低温热源最低温度常是室温或江、河、地下 而低温热源最低温度常是室温或江、 水的水温 ， 提高热机效率的主要途径是升高高温热源温度。 提高热机效率的主要途径是升高高温热源温度。 蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽， 蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽， 不仅利于它在绝热膨胀降温后不会有水冷凝出 而且这样能有效升高蒸汽压强， 而且这样能有效升高蒸汽压强，以便升高蒸 汽温度。 汽温度。 目前30 kW汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上 30万 汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上， 目前30万kW汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上， 蒸汽温度为400℃ 以上， 蒸汽温度为400℃ 以上，这种蒸汽称为亚临界 状态的蒸汽，其排气温度约200℃ 200℃， 状态的蒸汽，其排气温度约200℃，热机效率 35-40%。 为35-40%。超大型的汽轮机的高温蒸汽将处于 超临界状态，其效率将更高。 超临界状态，其效率将更高。
Hale Waihona Puke §4.6 热机(二)定压加热循环(狄塞尔循环) 定压加热循环(狄塞尔循环)
德国工程师狄塞尔(Diesel,185613)于 德国工程师狄塞尔(Diesel,1856-19 13)于 (Diesel,1856 1892年提出了压缩点火式内燃机的原始设计 年提出了压缩点火式内燃机的原始设计。 1892年提出了压缩点火式内燃机的原始设计。 所谓压缩点火式就是使燃料气体在气缸中被压 缩到它的温度超过它自己的点火温度(例如， 缩到它的温度超过它自己的点火温度(例如， 气缸中气体温度可升高到600 700℃， 600气缸中气体温度可升高到600-700℃，而 柴油 燃点为335℃) 335℃)。 燃点为335℃)。 这时燃料气体在气缸中一面燃烧， 这时燃料气体在气缸中一面燃烧，一面推动活 塞对外作功。 塞对外作功。 1897年最早制成了以煤油为燃料的内燃机 年最早制成了以煤油为燃料的内燃机， 1897年最早制成了以煤油为燃料的内燃机，以 后改用柴油为燃料， 后改用柴油为燃料，这就是我们通常所称的柴 油机(Diesel engine)。 油机(Diesel engine)。 其简化循环称为狄塞尔循环也称为定压加热循 其简化循环称为狄塞尔循环也称为定压加热循 环.
§4.6 热机
在(2-3)等体吸热Q1 (2-3)等体吸热
内燃机.exe
(4-1)等体放热 (4-1)等体放热Q2 。 设气体定体摩尔热容为CV.m ，则
Q2 = νCV ,m (T1 − T4 )
§4.6 热机
Q1 = νCV ,m (T3 − T2 )
Q1 = ν CV , m (T3 − T2 )
§4.6 热机
Q1 = νC p , m (T3 − T2 ),
Q2 = νCV ,m (T1 − T4 )
Q1 Q2
§4.6 热机
=
C p ,m (T3 − T2 ) CV .m (T1 − T4 )
Q1 Q2
η热 = 1−
Q2 Q1
=
C p ,m (T3 − T2 ) CV .m (T1 − T4 )
Q2 = ν CV , m (T1 − T4 )
T3 − T2 = Q2 T4 − T1 Q1
T4 − T1 η热 = 1 − = 1− Q1 T3 − T2 Q2
因为(1-2)和(3-4)是绝热过程，由TVγ-1=常 因为(1-2)和(3-4)是绝热过程， (1 是绝热过程 数可知
T T2 V V = ( 1 ) γ −1 及 3 = ( 1 ) γ −1 T1 V2 T4 V2
V1 T2 1 /(γ −1) =( ) V4 T1 V2 V3 Q1 T1 = = V1 V4 Q2 T2
§4.6 热机
T1 = Q2 T2
Q1
η热 =
Q1 − Q 2 Q1
=1−
Q2 Q1
可得卡诺热机效率为 T1 − T 2 T2 η 卡热 = = 1− T1 T1 可逆卡诺热机效率公式非常简单，它与 可逆卡诺热机效率公式非常简单， 工作物质是何种气体无关， 工作物质是何种气体无关，也与V1/V2 无关， 或V3/V4 无关，仅与高温热源温度与低 温热源的温度有关。 温热源的温度有关。 要提高卡诺热机效率应尽量提高高温热 源温度或尽量降低低温热源温度。 源温度或尽量降低低温热源温度。
CV C
,m
= 1−
(T 4 − T1 ) (T 3 − T 2 )
= 1−
p ,m
T 4 − T1 γ (T 3 − T 2 )
最后可得
η热 = 1 − (
ρ
K
)
γ −1
1 ⋅ γ ( ρ − 1)
§4.6 热机
• 由于狄塞尔循环没有K＜10的限制，故其效率 10的限制， 的限制 可大于奥托循环。 可大于奥托循环。 • 柴油机比汽油机笨重而能 发出较大功率，因 发出较大功率， 而常用作大型卡车、工程机械、 而常用作大型卡车、工程机械、机车和和船 舶的动力装置。 舶的动力装置。
§4.6 热机
(一)定体加热循环(奥托循环) 定体加热循环(奥托循环) 德国工程师奥托(Otto,1832-1891)于 德国工程师奥托(Otto,1832-1891)于 (Otto,1832 1876年仿效卡诺循环设计使用气体燃料 1876年仿效卡诺循环设计使用气体燃料 的火花塞点火式四冲程内燃机。 的火花塞点火式四冲程内燃机。 所使用的工作物质主要是天然气体及汽 油蒸汽， 油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机 (gasoline engine)。 engine)。