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1、發(fā)動(dòng)機(jī)原理發(fā)動(dòng)機(jī)原理教學(xué)目教學(xué)目標(biāo).了解了解變質(zhì)量系量系統(tǒng)熱力學(xué)力學(xué)過(guò)程分析方法。程分析方法。.了解了解發(fā)動(dòng)機(jī)燃機(jī)燃燒熱化學(xué)，理想混合氣體?；瘜W(xué)，理想混合氣體。.理解多理解多變過(guò)程程p-V圖及及T-S圖分析。分析。.理解機(jī)械理解機(jī)械損失的失的測(cè)量。量。.掌握掌握變質(zhì)量系量系統(tǒng)熱力學(xué)力學(xué)過(guò)程定律。程定律。.掌握掌握發(fā)動(dòng)機(jī)能量機(jī)能量轉(zhuǎn)換的的評(píng)價(jià)。價(jià)。.掌握掌握發(fā)動(dòng)機(jī)燃料與工機(jī)燃料與工質(zhì)，多，多變過(guò)程中程中熱力參數(shù)的力參數(shù)的計(jì)算。算。我們一般所稱的熱力學(xué)，主要研究平衡態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)，所我們一般所稱的熱力學(xué)，主要研究平衡態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)，所以又稱平衡熱力學(xué)。它們都是熱運(yùn)動(dòng)的特殊形態(tài)，它們的各以又稱平衡熱力學(xué)。它

2、們都是熱運(yùn)動(dòng)的特殊形態(tài)，它們的各種變化過(guò)程都是一系列平衡態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的連續(xù)變化。這種變種變化過(guò)程都是一系列平衡態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的連續(xù)變化。這種變化從理論上講需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，因而熱力學(xué)中沒(méi)有時(shí)間變化從理論上講需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，因而熱力學(xué)中沒(méi)有時(shí)間變量，它不涉及過(guò)程的速率。量，它不涉及過(guò)程的速率。近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有限時(shí)間熱力學(xué)就是考慮了時(shí)間近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有限時(shí)間熱力學(xué)就是考慮了時(shí)間變量，考慮了熱力過(guò)程的速率問(wèn)題。它屬于不可逆過(guò)程熱力變量，考慮了熱力過(guò)程的速率問(wèn)題。它屬于不可逆過(guò)程熱力學(xué)，但又與傳統(tǒng)的不可逆熱力學(xué)不同。學(xué)，但又與傳統(tǒng)的不可逆熱力學(xué)不同。工程熱力學(xué)是研究工程熱力學(xué)是研究熱和功熱和功

3、之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，是研究熱之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，是研究熱力學(xué)及其在涉及能量利用的各種過(guò)程、裝置和系統(tǒng)的工程設(shè)力學(xué)及其在涉及能量利用的各種過(guò)程、裝置和系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中的用途，以造福于人類的學(xué)科，它是宏觀熱力學(xué)的一個(gè)計(jì)中的用途，以造福于人類的學(xué)科，它是宏觀熱力學(xué)的一個(gè)重要分支。重要分支。隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，工程中遇到各種各樣的熱隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，工程中遇到各種各樣的熱力學(xué)問(wèn)題，從而使工程熱力學(xué)的內(nèi)容不斷的豐富和向前發(fā)展，力學(xué)問(wèn)題，從而使工程熱力學(xué)的內(nèi)容不斷的豐富和向前發(fā)展，變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)就是工程熱力學(xué)的拓展。變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)就是工程熱力學(xué)的拓展。發(fā)動(dòng)機(jī)作為將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為對(duì)外輸出機(jī)發(fā)

4、動(dòng)機(jī)作為將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為對(duì)外輸出機(jī)械能的熱機(jī)，較其他形式的熱機(jī)有著效率高的特點(diǎn)。在整個(gè)械能的熱機(jī)，較其他形式的熱機(jī)有著效率高的特點(diǎn)。在整個(gè)工作過(guò)程中，工質(zhì)與汽缸壁及相關(guān)外界存在著熱量傳遞，發(fā)工作過(guò)程中，工質(zhì)與汽缸壁及相關(guān)外界存在著熱量傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)進(jìn)、排氣系統(tǒng)與外界發(fā)生著質(zhì)量的交換。動(dòng)機(jī)通過(guò)進(jìn)、排氣系統(tǒng)與外界發(fā)生著質(zhì)量的交換?？梢钥闯霭l(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)之間不但存在著能量的傳遞?？梢钥闯霭l(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)之間不但存在著能量的傳遞。還存在著質(zhì)量的交換，下面我們將介紹與變質(zhì)量系統(tǒng)有關(guān)的還存在著質(zhì)量的交換，下面我們將介紹與變質(zhì)量系統(tǒng)有關(guān)的熱力學(xué)基本知識(shí)。熱力學(xué)基本知識(shí)。一、變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)簡(jiǎn)介及分析方

5、法一、變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)簡(jiǎn)介及分析方法 變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)是研究變質(zhì)量系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換的變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)是研究變質(zhì)量系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換的規(guī)律和方法。例如工程中經(jīng)常遇到的內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程、規(guī)律和方法。例如工程中經(jīng)常遇到的內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程、壓縮機(jī)熱力過(guò)程、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程等都是變質(zhì)量壓縮機(jī)熱力過(guò)程、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程等都是變質(zhì)量熱力系統(tǒng)的實(shí)例。對(duì)于這樣的變質(zhì)量熱力系統(tǒng)，表征熱力系統(tǒng)的實(shí)例。對(duì)于這樣的變質(zhì)量熱力系統(tǒng)，表征系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)除了壓力、溫度、容積以外，工質(zhì)的系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)除了壓力、溫度、容積以外，工質(zhì)的數(shù)量也是表征系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)，有時(shí)它是一個(gè)關(guān)鍵的數(shù)量也是表征系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)，有時(shí)它是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。參數(shù)。變

6、質(zhì)量熱力系統(tǒng)與常質(zhì)量熱力系統(tǒng)有著本質(zhì)的差別。變質(zhì)量熱力系統(tǒng)與常質(zhì)量熱力系統(tǒng)有著本質(zhì)的差別。對(duì)于開(kāi)口系統(tǒng)，常質(zhì)量熱力學(xué)只研究穩(wěn)定流動(dòng)。對(duì)于一個(gè)對(duì)于開(kāi)口系統(tǒng)，常質(zhì)量熱力學(xué)只研究穩(wěn)定流動(dòng)。對(duì)于一個(gè)常質(zhì)量熱力系統(tǒng)，每個(gè)工質(zhì)微團(tuán)經(jīng)歷的狀態(tài)變化相同，因常質(zhì)量熱力系統(tǒng)，每個(gè)工質(zhì)微團(tuán)經(jīng)歷的狀態(tài)變化相同，因此在研究過(guò)程中，我們可以取單位工質(zhì)作為分析對(duì)象。而此在研究過(guò)程中，我們可以取單位工質(zhì)作為分析對(duì)象。而對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)熱力過(guò)程，每個(gè)工質(zhì)微團(tuán)經(jīng)歷的熱力過(guò)程對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)熱力過(guò)程，每個(gè)工質(zhì)微團(tuán)經(jīng)歷的熱力過(guò)程不完全相同，況且系統(tǒng)中工質(zhì)的數(shù)量也在變化，因而不能不完全相同，況且系統(tǒng)中工質(zhì)的數(shù)量也在變化，因而不能取單位工質(zhì)

7、作為分析對(duì)象，而只能取微元工質(zhì)作為研究對(duì)取單位工質(zhì)作為分析對(duì)象，而只能取微元工質(zhì)作為研究對(duì)象，并且假定象，并且假定:()微元工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)之前和離開(kāi)系統(tǒng)之后，工質(zhì)發(fā)生微元工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)之前和離開(kāi)系統(tǒng)之后，工質(zhì)發(fā)生的一切變化與所考察的變質(zhì)量熱力系統(tǒng)無(wú)關(guān)；的一切變化與所考察的變質(zhì)量熱力系統(tǒng)無(wú)關(guān)；()微元工質(zhì)從進(jìn)入系統(tǒng)的瞬時(shí)起，即屬于系統(tǒng)的一部微元工質(zhì)從進(jìn)入系統(tǒng)的瞬時(shí)起，即屬于系統(tǒng)的一部分，與其他工質(zhì)一樣參與系統(tǒng)的狀態(tài)變化。分，與其他工質(zhì)一樣參與系統(tǒng)的狀態(tài)變化。對(duì)于只有工質(zhì)流入的系統(tǒng)對(duì)于只有工質(zhì)流入的系統(tǒng)(例如例如:對(duì)剛性容器的充氣對(duì)剛性容器的充氣)和和只有工質(zhì)流出的系統(tǒng)只有工質(zhì)流出的系統(tǒng)(例如例如:自

8、剛性容器的放氣自剛性容器的放氣)。微元工質(zhì)。微元工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后，即與系統(tǒng)中原來(lái)的工質(zhì)處于同一狀態(tài)，流出工進(jìn)入系統(tǒng)后，即與系統(tǒng)中原來(lái)的工質(zhì)處于同一狀態(tài)，流出工質(zhì)的狀態(tài)是該時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)。質(zhì)的狀態(tài)是該時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)。由熱力學(xué)知，對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮常質(zhì)量系統(tǒng)其狀態(tài)方程由熱力學(xué)知，對(duì)于簡(jiǎn)單可壓縮常質(zhì)量系統(tǒng)其狀態(tài)方程是是3 3個(gè)變量的函數(shù)，獨(dú)立變量只有個(gè)變量的函數(shù)，獨(dú)立變量只有2 2個(gè)，而對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，個(gè)，而對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，其狀態(tài)方程是其狀態(tài)方程是4 4個(gè)變量的函數(shù)，獨(dú)立變量有個(gè)變量的函數(shù)，獨(dú)立變量有3 3個(gè)。個(gè)。對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)，狀態(tài)方程一般形式為對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)，狀態(tài)方程一般形式為(,)=對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，

9、狀態(tài)方程一般形式為對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，狀態(tài)方程一般形式為 (,)=例如例如:對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有容積變對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有容積變化的邊界功，其表達(dá)式為：化的邊界功，其表達(dá)式為：W=pdv (1-1)或或 ：W=pdv 對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)，則有對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)，則有 W=pd(mv)=mpdv (1-2)對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，則有對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，則有 W=pd(mv)=mpdv+vpdm (1-3)很顯然，對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)，當(dāng)很顯然，對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)，當(dāng)dv=0時(shí)，則有時(shí)，則有w=0，對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，雖然比體積不變，即對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)，雖然比體積不變，即 dv=0，但質(zhì)量，但質(zhì)量是可變的，是可

10、變的，即即dm0，所以這時(shí)的功，所以這時(shí)的功 w0。在熱力學(xué)中，我們用工質(zhì)比體積的增大還是減小在熱力學(xué)中，我們用工質(zhì)比體積的增大還是減小來(lái)定義工質(zhì)的膨脹和壓縮。來(lái)定義工質(zhì)的膨脹和壓縮。由以上分析可以看出，對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng)由以上分析可以看出，對(duì)于常質(zhì)量系統(tǒng),和有同和有同樣的作用樣的作用,增大增大,也增大，系統(tǒng)膨脹對(duì)外做功，反之也增大，系統(tǒng)膨脹對(duì)外做功，反之亦然。可是對(duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)則不然，所謂的膨脹和壓縮亦然?？墒菍?duì)于變質(zhì)量系統(tǒng)則不然，所謂的膨脹和壓縮是以系統(tǒng)容積的增大還是減小來(lái)定義的。是以系統(tǒng)容積的增大還是減小來(lái)定義的。由由dV=mdv+vdm，可以看出，當(dāng)工質(zhì)膨脹做功時(shí)，可以看出，當(dāng)工質(zhì)膨脹做功

11、時(shí)，即即dV大于零時(shí)，但大于零時(shí)，但dv不一定大于零，當(dāng)不一定大于零，當(dāng)dV小于零時(shí)小于零時(shí),dv也也不一定小于零。不一定小于零。很顯然，這是因?yàn)楹茱@然，這是因?yàn)閐m引起的。即引起的。即V的增大或減小的增大或減小(即即 dV0 或或 dVcv0，故對(duì)理想氣體，故對(duì)理想氣體，有有k 1。對(duì)于液體來(lái)說(shuō)。對(duì)于液體來(lái)說(shuō),cp0=cv0。有。有k=1。在后面章節(jié)對(duì)于理想氣體的討論中，為了書(shū)寫簡(jiǎn)便比在后面章節(jié)對(duì)于理想氣體的討論中，為了書(shū)寫簡(jiǎn)便比熱容不再帶有下標(biāo)，將下標(biāo)熱容不再帶有下標(biāo)，將下標(biāo)0 0省略省略。)流動(dòng)功流動(dòng)功 圖圖1-11-1表示一個(gè)有固定邊界并包含有固定質(zhì)量表示一個(gè)有固定邊界并包含有固定質(zhì)量

12、m m的系的系統(tǒng)。假設(shè)在邊界處有一微元質(zhì)量統(tǒng)。假設(shè)在邊界處有一微元質(zhì)量m被壓力為被壓力為p p的環(huán)境的環(huán)境推動(dòng)通過(guò)邊界進(jìn)入體系，這時(shí)，環(huán)境對(duì)包括質(zhì)量推動(dòng)通過(guò)邊界進(jìn)入體系，這時(shí)，環(huán)境對(duì)包括質(zhì)量m和和m的系統(tǒng)所做的功稱為流動(dòng)功，并用符號(hào)的系統(tǒng)所做的功稱為流動(dòng)功，并用符號(hào)Wj表示。表示。根據(jù)以上分析可以得出根據(jù)以上分析可以得出 對(duì)于單位質(zhì)量的工質(zhì)，系統(tǒng)所做流動(dòng)功則有對(duì)于單位質(zhì)量的工質(zhì)，系統(tǒng)所做流動(dòng)功則有wj=Wj/m=pv 我們規(guī)定我們規(guī)定:當(dāng)質(zhì)量被推入體系時(shí)，流動(dòng)功當(dāng)質(zhì)量被推入體系時(shí)，流動(dòng)功pv的值為的值為負(fù)，而當(dāng)質(zhì)量被推出體系時(shí)，其值為正，因此流動(dòng)功也負(fù)，而當(dāng)質(zhì)量被推出體系時(shí)，其值為正，因此流動(dòng)

13、功也稱為推動(dòng)功。單位質(zhì)量工質(zhì)的流動(dòng)功在數(shù)值上等于其壓稱為推動(dòng)功。單位質(zhì)量工質(zhì)的流動(dòng)功在數(shù)值上等于其壓力和比體積的乘積。它是工質(zhì)在流動(dòng)中向前方傳遞的功，力和比體積的乘積。它是工質(zhì)在流動(dòng)中向前方傳遞的功，并且只有在工質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程中才出現(xiàn)。當(dāng)工質(zhì)不流動(dòng)時(shí)并且只有在工質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程中才出現(xiàn)。當(dāng)工質(zhì)不流動(dòng)時(shí)雖然工質(zhì)也具有一定的狀態(tài)參數(shù)雖然工質(zhì)也具有一定的狀態(tài)參數(shù)p和和v，但這時(shí)的乘積，但這時(shí)的乘積pv并不代表流動(dòng)功。并不代表流動(dòng)功。以上我們討論了幾個(gè)熱力學(xué)參數(shù)，對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為以上我們討論了幾個(gè)熱力學(xué)參數(shù)，對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為 m的熱力系統(tǒng)，理想氣體的內(nèi)能的熱力系統(tǒng)，理想氣體的內(nèi)能U、焓、焓H、熵、熵S，只需用，

14、只需用總質(zhì)量總質(zhì)量m分別乘以比內(nèi)能分別乘以比內(nèi)能u、比焓、比焓h、比熵、比熵s即可得到即可得到.這這時(shí)若取比熱容為定值，以時(shí)若取比熱容為定值，以0()時(shí)的內(nèi)能和焓為基點(diǎn)時(shí)的內(nèi)能和焓為基點(diǎn),取取其值為零，則任一溫度其值為零，則任一溫度時(shí)的內(nèi)能和焓、熵為時(shí)的內(nèi)能和焓、熵為 對(duì)于常質(zhì)量熱力系統(tǒng)，其微分表達(dá)式為對(duì)于常質(zhì)量熱力系統(tǒng)，其微分表達(dá)式為 對(duì)于變質(zhì)量熱力系統(tǒng)，其微分表達(dá)式為對(duì)于變質(zhì)量熱力系統(tǒng)，其微分表達(dá)式為 .狀態(tài)方程狀態(tài)方程 對(duì)于單相純物質(zhì)所構(gòu)成的簡(jiǎn)單熱力學(xué)系統(tǒng)，作為變對(duì)于單相純物質(zhì)所構(gòu)成的簡(jiǎn)單熱力學(xué)系統(tǒng)，作為變質(zhì)量系統(tǒng)，其狀態(tài)方程的一般形式為質(zhì)量系統(tǒng)，其狀態(tài)方程的一般形式為 (,)=0 (1

15、-19)若工質(zhì)為理想氣體，則狀態(tài)方程為若工質(zhì)為理想氣體，則狀態(tài)方程為 pV=mRT (1-20)式中：壓力式中：壓力p、容積、容積、溫度和質(zhì)量都是變量、溫度和質(zhì)量都是變量,R R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。在變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)分析中經(jīng)常用的是式在變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)分析中經(jīng)常用的是式(1-20)的的微分形式。微分形式。對(duì)式對(duì)式(1-20)兩邊取對(duì)數(shù)，然后求微分有兩邊取對(duì)數(shù)，然后求微分有 此式即為常用的狀態(tài)方程的微分形式。此式即為常用的狀態(tài)方程的微分形式。三、變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)定律三、變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)定律 .變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式(開(kāi)口系統(tǒng)能量方程開(kāi)口系統(tǒng)能量方程)熱力

16、學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是能量守恒定律，可以寫為如下熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是能量守恒定律，可以寫為如下的形式的形式:dEn=Q-W (1-32)根據(jù)儲(chǔ)能的定義，這里根據(jù)儲(chǔ)能的定義，這里dEn包含了所有形式的工質(zhì)儲(chǔ)能包含了所有形式的工質(zhì)儲(chǔ)能變化。對(duì)于流動(dòng)的工質(zhì)，若儲(chǔ)能限于內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能變化。對(duì)于流動(dòng)的工質(zhì)，若儲(chǔ)能限于內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能,則則單位質(zhì)量流體的儲(chǔ)能為單位質(zhì)量流體的儲(chǔ)能為:en=u+c2/2+gz.對(duì)于總質(zhì)量為對(duì)于總質(zhì)量為m的體的體系，則總儲(chǔ)能為系，則總儲(chǔ)能為En=men。如前所述，基本定律都是對(duì)體系而言的。將式如前所述，基本定律都是對(duì)體系而言的。將式(1-32)表示為對(duì)時(shí)間的變化率。則有表示為對(duì)時(shí)間的變化率。則有 （1-33）式中式中:熱流量，熱流量，=/dt；功率，功率，=/dt。將式將式(1-33)左邊通過(guò)輸運(yùn)方程可表示為左邊通過(guò)輸運(yùn)方程可表示為 為了將式了將式(1-34)表達(dá)表達(dá)為用控制容用控制容積表示的表示的熱力學(xué)第一定力學(xué)第一定律形式，律形式，須將將、轉(zhuǎn)換為用與控制容用與控制容積有關(guān)的流有關(guān)的流動(dòng)參數(shù)表參數(shù)表示。示?？刂迫菘刂迫莘e對(duì)外界所做的功定外界所做的功定義為正功，它主要以兩種