汽车发动机原理课件-第2章热力学第二定律.ppt

1、第2章 热力学第二定律 热机循环热机循环2.1 四冲程发动机的理论循环四冲程发动机的理论循环2.22.1.1 热力过程条件与限度问题 热力学第一定律说明了热量和功量两者之间可以相互转换，且在数量上有一定的当量关系，即规定了热能与机械能在转换过程中量的关系。热力学第二定律则是从另一个角度研究热功转换问题，它是关于解决过程进行的方向方向、条件条件和限度限度等问题的规律。工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程，称系统经历了一个热力循环热力循环。在状态参数坐标图上，循环的全部过程一定构成一个闭合曲线，整个循环可看作一个闭合过程。2.1.2 热机循环 完成一个正向循环后全部效果为：1）高

2、温热源放出了热量q1（或热机中工质从高温热源吸热q1）。2）低温热源获得了热量q2（或热机中工质向低温热源放热q2）。3）热机将(q1q2)=q0的热量转化为功。4）工质与机器设备回复到原来状况，没有变化。2.1.2 热机循环 热机中工质从高温热源得到的热能q1，其中只有部分可以转化为功，在部分热能（q1q2）转化为功的同时，必有另一部分q2传向低温热源，后者是使热能经过热循环转化成为功的必要条件。因此，一切热动力装置都只能将从热源得到的热量中的一部分转化成为功，这是热动力循环根本特性。正向循环的经济性用热效率热效率t来衡量，即2.1.2 热机循环1212110t1qqqqqqw1）自发过程有

3、方向性方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附附加条件加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的实质是能质能质有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能部分可转换能部分可转换能热能不可转换能不可转换能环境介质的热力学能2.1.3 热力学第二定律热力学第二定律的两种典型表述热力学第二定律的两种典型表述1.1.克劳修斯克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价自发地不花代价地地从低温物体传向高温物体。2.2.开尔文开尔文普朗克普朗克叙述不可能制造循环热机，只从一个热源一个热源吸热，将之全部全部转化为功，而不在外界留下任何影响不在外界留下任何影响。3.热力学第二定律

4、各种表述是等效等效的。2.1.3 热力学第二定律卡诺循环卡诺循环21绝热压缩是两两个热源的可逆可逆循环32等温吸热43绝热膨胀14等温放热2.1.4 卡诺循环及热效率net1twqnet1 22 33 44 1wwwww1g 121 2132 3g2211lnR TpwpvwR Tv2.1.4 卡诺循环及热效率41142ssTqqqL放23231hLLtChhTTsTTsT 23321ssTqqqh吸net12qqq23nethLTTsw2.1.4 卡诺循环及热效率,tChLhLf T TTT2）0,1LhtCTT 3）,0LhtCTT若第二类永动机不可能制成；4）实际循环不可能实现卡诺循环，

5、原因：a）一切过程不可逆；b）气体实施等温吸热，等温放热困难；c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功极微。5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。1LtChTT 1）tCnet1Lwqq即循环必需有放热2.1.4 卡诺循环及热效率卡诺定理卡诺定理 定理定理1 1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。定理定理2 2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源 间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2 2）提高热机效率的极限。2.

6、1.4 卡诺循环及热效率循环热效率归纳循环热效率归纳：1211qqqwnett适用一切循环，任意工质。吸放mmtTT1多热源可逆循环，任意工质。HLtTT1卡诺循环，概括性卡诺循环，任意工质2.1.4 卡诺循环及热效率卡诺循环及热效率实际热机采用的循环是多种多样的，主要决定于下列因素：1）工质的性质：是气体还是蒸汽；2）燃料的性质：是固体、液体、还是气体，液体燃料则还要看是易挥发的轻油，还是不易挥发的重油；3）机器设备的结构：活塞式的还是叶轮式的。2.1.4 卡诺循环及热效率卡诺循环及热效率例例1 1 某理想气体动力循环，空气从初始状态p1=1.01bar、t1=15、V1=0.014m3，绝

7、热压缩到V2=0.0028m3，再定容加热到p3=18.5bar，然后绝热膨胀到p4=1.01bar，最后定压放热到初始状态完成循环。试计算：（1）循环净功量；（2）理想循环热效率，并与同温度范围内的卡诺循环热效率相比较。2.1.4 卡诺循环及热效率解解：按题意绘出循环的p-v及T-s图，先确定各状态点温度为T1=273+15=288KK548K0028.0014.028814.112112VVTT2323ppTT 式中，bar61.9bar501.14.12112VVppK1055K61.95.185483TK460K5.1801.110554.114.113434kkppTT%5.4754

8、81055)288460(4.11)()(1)()(11231423v1412tTTTTkTTcTTcqqopo循环热效率循环净功量对空气：Rg=0.287kJ/kg.K,cv0=0.718 kJ/kgK空气质量：kgRTVpm0171.028810287.0014.01001.135111循环吸热量：Q1=mcv0(T3T2)=0.0170.717（1054548）kJ=6.2 kJ循环净功量 W=tQ1=0.4756.2 kJ=2.945 kJ(2)同温度范围内卡诺循环为1-2-3-4-1，其热效率为%7.72727.010552881131ct,TT故在恒定的热源之间卡诺循环热效率高于其

9、他类型动力循环的热效率。2.2 四冲程发动机的理论循环四冲程发动机的工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个过程组成。理想循环的基本假设基本假设：（1）缸内热力系统为闭口系统闭口系统。由于进气过程和排气过程中工质的状态参数变化不大，故热力计算时，可不考虑换气过程。（2）放热过程简化为定容放热定容放热过程；（3）缩和膨胀过程近似为绝热过程绝热过程；（4）工质为理想气体理想气体，整个循环工质成分不变，物性参数为定值；（5）气缸内无摩擦损失，简化为可逆过程可逆过程；2.2.1 对发动机实际工作过程的简化 定容加热循环 1-2 绝热压缩 2-3定容加热 3-4绝热膨胀 4-1定容放热 定压加热循环 1

10、-2 绝热压缩 2-3定压加热 3-4绝热膨胀 4-1定容放热2.2.1 对发动机实际工作过程的简化 混合加热循环 1-2 绝热压缩 2-3定容加热 3-4定压加热 4-5绝热膨胀 5-1定容放热2.2.1 对发动机实际工作过程的简化12 等熵压缩；23 等容吸热；34 定压吸热；45 等熵膨胀；51 定容放热32pp43vv压缩比compression ratio定容增压比pressure ratio定压预胀比 cutoff ratio21vv混合加热理想循环混合加热理想循环（dual combustion cycle）2.循环热效率循环热效率net1twqnet1 22 33 44 55

11、11 23 44 5wwwwwwwww或netnet12wqqq342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV11gg5213434141111RRppTpvvTpp3423151211TTTTTTqqtt表示、利用111211221TvvTT有13321223pTTTp有14431334vTTTv有151515ppTT 有44552211vpvpvpvp因两式相除，考虑到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpv11111t 5511pTTp51TT3423151TTTTTTt把T2、T3、T4和T5代入求15pp)a)c归纳归纳：a.吸热前压缩气体，提

12、高平均吸热温度是提高吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导循环的指导。b.利用利用T-s图分析循环较方便。图分析循环较方便。c.同时考虑同时考虑q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。)bttt121qqt23141TTTTt11111t142TTcqV231TTcqp11111t 2321vvvv定压加热理想循环定压加热理想循环Diesel cyclenet)tawnet)tbwC)重负荷（，q1 ）时内部热效率下降，除外还有因温度上升而使，造成热效率下降定容加热理想循环定容加热理想循环Otto cycle2321ppvv231TTcqV111111111t 142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvvta)net);tbw不变，但C)重负荷（q1 ）时内部热效率下降，因温度上升使，造成热效率下降压缩比相同，吸热量相同时的比较压缩比相同，吸热量相同时的比较111vmpqqqpmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT111循环循环pmax，Tmax相同时的比较相同时的比较222pmvqqqvmpTTT222vmpqqq221tptmtvvmpTTT111