热机

•
• •
Q1 C p,m (T3 T2 ),
Q2 CV ,m (T1 T4 )
Q1 Q2 C p ,m (T3 T2 ) CV .m (T1 T4 )
Q1 Q2
热 1
Q2 Q1

C p ,m (T3 T2 ) CV .m (T1 T4 )
CV ,m (T4 T1 ) C p ,m (T3 T2 ) 1 T4 T1 (T3 T2 )
Q2 CV ,m (T1 T4 )
Q1 CV ,m (T3 T2 )
Q2 CV ,m (T1 T4 ) Q1 CV ,m (T3 T2 ) Q2 T4 T1 Q1 T3 T2 热 1 1 Q1 T3 T2 Q T T
2 4 1
1 K 1
V K 1 V2
热 1 K 1
• 其中 K = V1/V2 称绝热容积压缩比。 • 可见K 越大，效率越高。 • 但过大的 K 将引起所谓爆震现象，对机件保 养不利。 • 一般认为，汽油机的 K 不能大于10。 • 假设K = 7，算得奥托循环的效率为 • =55% • 实际的汽油机其效率低于此数 ，一般最高仅 40%多左右。
(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，人们就必然关心燃料燃 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。 • l前者是总的热效率的问题，后者是热机 效率的问题。 • 热机效率η热定义为 • η热=W ’ /Q 1 • 其中W ’为热机输出净功的数值, Q 1为热机从高温热源吸取的总热量。
1-2等温膨胀过程中吸热
在3-4等温压缩过程中放热
Q1 RT 1 ln
V2 V1
2-3 为绝热膨胀过程。设气体的比热容比为γ，
V4 Q2 RT2 ln V3
T1V2γ-1=T2V3γ-1
V2 T2 1 /( 1) ( ) V3 T1
V1 T2 1 /( 1) ( ) V4 T1
§4.6热机 • §4.6.1蒸汽机与热机
• (一)蒸汽机(steam engine) • 图所示为一简单的活塞式蒸汽机的流程图。 • 蒸汽机中，工作 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，其余的能 量则以热量方式向 低温热源释放。
一个热机至少应包括如下三个组成部分:
(二)定压加热循环(狄塞尔循环)
• • 德国工程师狄塞尔(Diesel,1856-19 13)于 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， 气缸中气体温度可升高到600-700℃，而 柴油 燃点为335℃)。 这时燃料气体在气缸中一面燃烧，一面推动活 塞对外作功。 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，这就是我们通常所称的柴 油机(Diesel engine)。 其简化循环称为狄塞尔循环也称为定压加热循 环.
l 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，他对蒸汽机 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 热过程组成，如图所示. •这样的热机称为卡诺热机。卡 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。 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。
(一)定体加热循环(奥托循环) • 德国工程师奥托(Otto,1832-1891)于 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。 • 所使用的工作物质主要是天然气体及汽 油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机 (gasoline engine)。
在(2-3)等体吸热Q1
(4-1)等体放热Q2 。 设气体定体摩尔热容为CV.m ，则
而低温热源最低温度常是室温或江、河、地下 水的水温 ， 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， 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，以便升高蒸 汽温度。 • 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，这种蒸汽称为亚临界 状态的蒸汽，其排气温度约200℃，热机效率 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。
• 因为(1-2)和(3-4)是绝热过程，由TVγ-1=常 数可知
T T2 V V ( 1 ) 1 及 3 ( 1 ) 1 T1 V2 T4 V2
T T T2 T2 3 3 T1 T4 T4 T1
1
V1 T4 T1 T1 热 1 1 1 T3 T2 ຫໍສະໝຸດ Baidu2 V 2
(1)循环工作物质； (2)两个以上的温度不相同的热源，工作物 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。
(二)热机循环
• 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。 • 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， 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。 所谓循环过程是指系统(即工作物质)从 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。
1
• 最后可得
热 1 (

K
)
1
1 ( 1)
• 由于狄塞尔循环没有K＜10的限制，故其效率 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 而常用作大型卡车、工程机械、机车和和船 舶的动力装置。
V2 V3 V1 V4
T1 Q2 T2
Q1
T1 Q2 T2
Q1
热
Q1 Q2 Q1
1
Q2 Q1
可得卡诺热机效率为 T1 T2 T2 卡热 1 T1 T1
可逆卡诺热机效率公式非常简单，它与 工作物质是何种气体无关，也与V1/V2 或V3/V4 无关，仅与高温热源温度与低 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。
• 图表示理想气体任意的一个准静态热机 循环过程。 • 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。 • 循环过程的净功就是p-V图上循环曲线所 围的面积。 • 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。
• 逆时针变化的循环中 外界对系统作净功，这 是制冷机或热泵。
设系统向低温热源放的总热量为 Q2
• 由于ΔU = 0，则 由第一定律可得
Q1 Q2 W '
热
Q1 Q2 Q1
1
Q2 Q1
•若系统不止与两个热源相接触，则
Q1 Q1i ,
i 1
m
Q2 Q2 i ,
i 1
n
§4.6.2卡诺热机
(Carnot heat engine)
*§4.6.3内燃机循环
l 将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机 称为内燃机(internal combustion engine) • 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， 因而效率将高于蒸汽机。 • 内燃机主要有奥托循环(Otto cycle)与 狄塞尔(Diesel cycle)循环两种形式。