大学物理小论文(大学物理大作业)
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论述汽车发动机与热力学的关系
摘要:本文就汽车发动机原理、分类,以及如何提高发动机效率做了阐述。
关键词:热力学第一定律﹑ 热力学第二定律﹑ 热机
正文:动机即热机,大多人叫引擎。是一种把化学能转化为机械能的机器。其实,发动机是一整套动力输出设备,包括变速齿轮、引擎和传动轴等等,可见引擎是只是整个发动机的一个部分,但是却是整个发动机的核心部分,因此把引擎称为发动机也不为过。现在指的发动机即内燃机,常见的有汽油机和柴油机。汽车的主流发动机就是汽油机,也有少部分是柴油机。发动机的原理就是基于热力学的。首先,它遵循热力学第一定律:△E=Q+A. 即燃料被引燃后,内能增加,△E>0,气体前后温度变化不大放热Q<0,所以使得A>0。从而使得发动机向外输出机械能。继而他同样遵循热力学第二定律:即供热转换的方向性,并且,燃料燃烧产生的内能并没有完全转化为机械能。然后,从发动机的工作过程看,发动机工作的一个周期(四个冲程)即为热力学中的一个循环过程。
V 2 V 1 V 如图所示,由a 到d 四个过程分别表示发动机工作的四个冲程:(1):绝热压缩a-b,空气和汽油的混合气从a(低压)到b(高压)状态。(2):等体吸热b-c,压缩到体积V2时气缸内气体被火花塞点燃,混合气体由b 状态急速升温到c 状态,并且压强也急剧升高。(3):绝热膨胀c-d,混合气体绝热膨胀,推动活塞对外做功,温度降低(部分热传递给汽缸),压强减小。(4):等体放热d-a,即将废气从缸中排走,把热量带走。下一循环中,发动机又会吸入气体重复以上过程。通常用8个字概括便是:吸气、压缩、做功(燃烧)、排气。综合这些过程,运用热力学知识,在理想情况下(气体为理想气体、存在真正的绝热过程、机械之间无摩擦等):
b-c 过程,气体吸热Q 1=M/
Cv(T 3-T 2) , d-a 过程,气体放热 Q 2=M/ Cv(T 4-T 1)
所以 =1–Q 2/Q1=1-(T 4-T 1)/(T 3-T 2) 又, a-b, c-d 均为绝热过程,有 T 4V 2 =T 3V 1 ;T 1V 2 =T 2V 1 (将上标γ-1别忘了 C d b a P T 2 T 3 T 4 T 1
得=1-1/(V2/V1)
定义压缩比(V1/V2)= r
则= 1-r
由上式可以知道,奥托循环的热效率取决于压缩比r。实际上,汽油内燃机的压缩比不超过7,不然的话,压缩比太高将导致油气混合物在绝热压缩过程中体积还未到b状态就会因温度升高过大而自行燃烧。所以,按压缩比为7,空气=1.4来算的话,可得到发动机(汽油机)的理论热效率为55%。但是由于实际情况达不到理想状态,所以现实生活中,汽油机的热效率不到30%。
然而,热机的最大理论效率是卡诺循环效率,即热机按照卡诺循环进行工作,其理论效率为62.7% 但是,其条件在现实生活中也是比较可靠的,因为它由两个等温过程和两个绝热过程组成,况且,卡诺循环中要将冷凝温度减低到环境温度以下,这也是不经济的。将其做成汽油机或柴油机也存在很多问题比如工质的不同。但是有一类发动机也应用了卡诺循环——即斯特林发动机。斯特林发动机是独特的热热机,因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率,称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。而且斯特林发动机是外燃机。优点为由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题,从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体,如:天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等,也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料,还可以燃烧木材,以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃,设备即可做功运行,环境温度越低,外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响,非常适合于高海拔地区使用。然而其缺点:制造成本较高,工质密封技术较难,密封件的可靠性和寿命还存在问题,功率调节控制系统较复杂,机器较为笨重。我想这也是实际生活中难以利用卡诺循环来制造汽车发动机的原因。
但是,如何就目前状况进一步提高汽车发动机的效率,依然是一个很有讨论价值的。目前的主流汽油发动机的进气、压缩、做功、排气四个过程的行程应该是相等的,这是造成发动机热效率低的原因之一,就是能量得不到充分利用。因为,在发动机做功过程中,会产生大量的热量,同时汽油燃烧也会产生新的气体,所以此过程的能量应该是非常大的。但现在的发动机做功距离只于压缩距离相等,造成的能量的浪费:一是做功完成之后缸内气体压力过大,仍有部分能量没有利用;二是缸内压力过大使排气过程使用过多的能量;三是缸内温度过高,利于热量向外散发要。改善这一问题便要缩短进气、压缩的行程,延长做功距离。可以延迟吸气的开始时间以减少吸气行程,相比之下便增大了做功行程。
还有就是改进材料,减轻发动机质量;增加进气压力(可考虑使用可产生涡流的活塞),减小进气温度;减小摩擦等。
参考文献:(1)芶秉聪胡海云《大学物理》,国防工业出版社(2)张三慧《大学物理学》,清华大学出版社
(3)李茫雪《大学物理》,中国农业出版社
(4)百度搜索