发动机原理热工基础部分

五、热力学第一定律
热能和机械能在转换过程中，能量总量必定守恒
容积变化功 压力 p dV , dv
热量 温度 T dS , ds
力学的功 力F dx
例题
系 统 储 存 能
热力学能
w pdv
w
q Tds
q Tds
W Fdx
熵 S：J/K 比熵 s：J/kgK
定容 /定压比热容 (cv / cp) 定容 /定压下单位量的气体，温度升高 1K所吸收的热量
28 29
1, c

2 ,c
q2 T2 w0 T1 T 2 q T1 1 w0 T1 T 2
热能转换为机械能的 5） T∈【 T1， T2】， η t,c＝ max
30
3
四、内燃机热力循环分析 1. 高速柴油机
压缩比： = v1/v2 升力升高比：
混合加热循环
q1
n= k
二、热力循环 工质从某一状态出发，经过一系列的状态变化后又回到 初态的热力过程，称为热力循环 1. 正向循环 (热机循环 )
v
pv 常数
n 1 n
n
p
2. 逆向循环 (逆时针） 消耗外界功
q1
n= 1
2.基本状态参数间的关系式：
n=0
p2 v T v T p ( 1 ) n 或 2 ( 1 )n 1 或 2 ( 2 ) p1 v2 T1 v2 T1 p1
q1
w0
q0
= v1/v 2，= p3/p2， = v4/v3， k=cp0/cv0
t 1
q2
=p3/p2
预胀比： = v4/v3 循环热效率：
cv 0 T5 T1 cv 0 T3 T2 c p 0 T4 T3
T2 T1 (
t
（ k: 比热比或等熵指数）
外储存能
Q1 2 TdS （J 或 kJ） 1
1 宏观动能： Ek mc 2 2 系统工质与外力场的相互作用(如重力，位 重力位能： E mgz
能)；以外界为参考坐标的系统宏观运动所 具有的能量(宏观动能)
p
q1 2 Tds
1
2
（J/kg或kJ/kg）
（三） 定温过程 过程中温度保持不变 1.过程方程式： T = 定值 2.基本状态参数间的关系式
（四） 定熵过程 1.过程方程式：
可逆 绝热的热力过程
pv k 常数
k 1 k
2.基本状态参数间的关系式
v2 T2 v1 T1
3.功量与热量的分析计算
p1v1 p2 v2
3.功量与热量的分析计算
32
v1 k 1 ) T1 k 1 v2 p T3 T2 3 T2 T1 k 1 2-3：定容加热 p2 v2 v3 v4 k 1 T4 T3 T3 T1 3-4：定压加热 v1 v5 v3 v v 4-5：绝热膨胀 T5 T4 ( 4 ) k 1 T4 ( 3 ) k 1 T4 ( ) k 1 T1 k v5 v1
3.功量与热量的分析计算： 1 w ( p1v1 p2 v2 ) n 1 n 1 R RT1 p (T 1T2 ) [1 ( 2 ) n ] n 1 n 1 p1
n=0 n= 1 n= k
q2
-∞ n +∞
n= k
将热变为功
q1 d q2 c 制冷系数： 1
+∞ -∞
1
2
R(T2 T1 )
q c p (T2 T1 )
22
w
2
1
v p pdv pv ln 2 RT ln 1 v1 p2
qw
23
R 1 (T 1T2 ) ( p1v1 p2v2 ) k 1 k 1
q0
24
2
（五） 多变过程 1.过程方程式：
+∞ n -∞
2 v
13
w12 pdv （J/kg或kJ/kg）
1
2
12 1 2 1 1 与过程的初、终状态有关 说明：功， 功，
W
2
V
pdV p V V 2000 J
注意： SI单位 与工质所经历的过程有关 (b)
14
v2
W12 pdV p1V1
1 1
2
2
1-2：绝热压缩 4-5：绝热膨胀 2-3 ：定容加热 5-1 ：定容放热
31
wo q1 q 2 q q2 1 2 1 q1 q1 q1 q1 q1
3-4：定压加热
q2 cv 0 T3 T2 c p 0 T4 T3 q1 q1 q2 cv 0 T5 T1
理想气体的熵的计算
s c v ln
s c p ln
s c v ln
Q W E 2 E1 U q w u
例题： 汽车 柴油机
19
q du pdv T T cv dT pdv T T
ds
T2 v R ln 2 T1 v1
T2 p R ln 2 T1 p1
16
17
18
1
系统总储存能(E)=热力学能(U)+外储存能(Ek+Ep)
1 单位质量工质的比储存能： e u c 2 gz 2
U/u：状态参数，与过程的途径无关
能量平衡式：
理想气体热力学能的计算 能量方程（微分形式）： 对定容过程：
第二节 热力过程及热力循环
q du pdv
qv cv dT
第一章 热工基础知识
第一节 热力学基本概念 一、状态参数及其坐标图
二、 膨胀功
功＋ 力学中功
例：p1=4MPa V1=500cm3，分别经历如下二个不同的过程
（J 或 kJ） 系统 功－ 外界
膨胀到 V2=1000cm3。 （a） p=const ； （ b） pv=const 。 求过程的功。 解 :(a)
27
三、卡诺循环及其热效率 1824年法国工程师卡诺提出 一种理想的有重要理论意义的可逆循环
2.卡诺循环的热效率 3. 卡诺循环结论
t， c
w0 q T 1 2 1 2 q1 q1 T1
4. 逆卡诺循环 逆向进行的卡诺循环
例题
消耗机械能，从低温热源吸收热量，向高温热源放出热量 制冷系数： 供热系数： 结论： 提高 T2，降低 T1，可以使制冷系数和供热系数提高。 供热系数总是大于 1，制冷系数可以大于、等于、小于 1
p
w Fx
1
a b
2
热机中：体积变化功 (膨胀功)
状态参数： 描述 热力系统 工质 状态 的宏观物理量
如：压力 p、温度 T、 比体积 v=V/m （比容）
2
p p1 p2 0 v1
●
W12 pAdx pdV （ J 或 kJ） 1 1
2
2
热力过程 1
●
单位工质：
两个独立状态参数组成的 坐标图 如：p-v图、 T-S图
内动能：分子热运动的动能 内位能：分子之间由于相互 U：（J或 kJ） 作用所形成的位能 储存于热力系内部的能 u：（ J/kg或kJ/kg） 量。与工质的分子结构 及微观运动形式有关 比热力学能

pdv
热量也是一个过程量
2
c p / cV k R cv k 1
c p cV R kR cp k 1
（二）热传导的特点 1 微观粒子能量，热量由高温传向低温
pv w0 1 1 k k 1 1 k 1 k 1



35
2 发生在固体和静止流体中，运动流体中也存在 3 参与导热的各部分（或不同物体）直接接触
36
34
4
（三）导热基本定律 Fourier定律 大平壁的稳态导热 热流量
p2 v c p ln 2 p1 v1
20
2.基本状态参数间的关系式： p T v1 v2 及 2 2 p1 T1 3.功量与热量的分析计算：
w pdv 0
1
2
q cv (T2 T1 )
21
（二） 定压过程 热力过程中压力保持不变 1.过程方程式： p = 定值 2.基本状态参数间的关系式
T n= 1 n=0
n= k
n=0
n= 1
q2 q2 w0 q1 q2
q q
热效率：
s
-∞
nk q cv (T2 T1 ) n 1
+∞
w q q q t 0 1 2 1 2 q1 q1 q1
26
a
b
1 供热系数： 2 1 w0 q1 q2 热泵
25
二、热对流与对流换热 （一）热对流（对流） 由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产 生的热量传递现象（流体团块掺混） 只发生在流体中，伴随有微观粒子热运动产生的导热
p2 v T v T p ( 1 ) k 或 2 ( 1 ) k 1 或 2 ( 2 ) p1 v2 T1 v2 T1 p1
3.功量与热量的分析计算 膨胀功为 w pdv
RT1 p k 1 [1 ( 2 ) k ] k 1 p1
w pdv p (v2 v1 )
=1
t 1
1

k 1
k 1 1 1 k 1 1 k 1
T1
w0 q1 q2 cv 0 T3 T2 c p 0 T4 T3 cv 0 T5 T1 w0 cv 0T1 k 1 1 k 1 k 1
状态参数坐标图
V dV p1V1 ln 2 1386 J V V1
15
三、功和热量的类比
热量Q ：系统与外界之间由于温度不同而通过边界所传递的能量
能量传递方式 推动力 状态参数的变化
热量－ 系统 热量＋ 外界
四、理想气体的性质 理想气体状态方程
1kg： pv RT m kg： pV mRT
1-2：绝热压缩
33
2. 汽油机（定容加热循环）
第三节 传热过程 热量传递的基本方式 热传导；对流；热辐射 一、热传导 (导热) （一）热传导的定义 物体内部分之间不发生宏观相对位移，依靠分子、原子 及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象
T1>T2
t 1
1
k 1
k 1 1 k 1
多层平壁的稳态导热 热流量
导热系数（ W/(mK)) 固体 晶体 (如金属 )的较高 纯金属＞合金 晶体 ＞非晶体(如玻璃 ) (W) Q 建材 与材料的性质、结 构、孔隙度、湿度等有关
R 3
Q A
t w1 tw 2 t t /( A ) R
一、理想气体的基本热力过程 （一） 定容过程 热力过程中容积保持不变 1.过程方程式： v = 定值
qv du pdv du
输入系统的能量－输出系统的能量=系统总储存能量的变化
系统从外界热源取得热量Q 对外界做膨胀功W 对于不做整体移动的闭口系，系统 宏观动能和位能均无变化
du cv dT
1）热效率η t,c与工质的性质无关，只取决于 T1、 T2 2）提高 T1，降低 T2，可以使η t,c提高 3）η t,c总是＜ 1，→ 不可能通过热机循环将热能全部转换 为机械能 4） T1＝ T2时，η t,c＝ 0 →没有温差是不可能连续不断地将 卡诺循环的p-v图和 T-s图 1.卡诺循环的组成： 两个热源，两个可逆等温过程 +两个可逆绝热过程
R 2
≈～
tw4 湿材料＞干材料 水的比空气高～倍
38 39
tw1
tw2
tw3
液体 一般 T↗→ ↘ 水例外：℃ MAX
3. 气体 与压力无关。 T↗→ ↗
增加材料的孔隙度（充满空气）可降低 保温材料 ： 多为多孔材料
pv w0 1 1 k 1 1 k 1 k 1 k 1
pv w0 1 1 1 k 1 1 k 1


T2



3. 低速柴油机（定压加热循环）



=1
t 1
1
k 1
k 1 k 1
t w1 t w 4 Q 1 2 3 A 1 A 2 A 3
(W) Q
R

tw1பைடு நூலகம்(W/m2 )
37
t R 1 R 2 R 3
导热系数： ， W/(mK)，物性参数 导热热阻： R
tw2
R1
Q t t t w1 w 2 热流密度 q A r