《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》汽車工程學(xué)院蔣浩豐2016-09《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程主要內(nèi)容發(fā)動(dòng)機(jī)原理是研究發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用性能的科學(xué)，是在分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上研究發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用性能與其結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析各種影響發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用性能的因素，從而指出正確設(shè)計(jì)和使用發(fā)動(dòng)機(jī)的基本途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)原理研究的內(nèi)容包括工程熱力學(xué)基礎(chǔ)、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)和性能指標(biāo)、換氣過程、燃料與燃燒、汽油機(jī)和柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)特性等。

汽車是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧弧Ｆ囘\(yùn)輸具有機(jī)動(dòng)、靈活、快速、換裝少、貨損少、效率高、效益高的特點(diǎn)。汽車與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相連、與人民日常生活密切相關(guān)。汽車工業(yè)是機(jī)械電子工業(yè)的一個(gè)重要組成部分，也是一個(gè)綜合性的工業(yè)部門和技術(shù)密集行業(yè)。在一定程度上，一個(gè)國家的汽車工業(yè)代表了這個(gè)國家的工業(yè)發(fā)達(dá)水平。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理》是交通運(yùn)輸（汽車運(yùn)用技術(shù)）專業(yè)的必修課程。

《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理》以發(fā)動(dòng)機(jī)性能為主要研究對(duì)象，把合理組織工作過程，提高整機(jī)性能作為主要內(nèi)容，通過分析各工作過程中影響性能指標(biāo)的諸多因素，從中找到提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的一般規(guī)律。

本課程的任務(wù)是研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程及整機(jī)性能，使學(xué)生掌握發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程的分析方法及性能指標(biāo)與各工作過程的內(nèi)在聯(lián)系；掌握性能實(shí)驗(yàn)的基本方法以及數(shù)據(jù)處理與分析；了解影響整機(jī)性能的基本途徑，為從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的管理、使用、維護(hù)與修理提供理論基礎(chǔ)。

發(fā)動(dòng)機(jī)：將某種形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械（Engine）能的一種機(jī)器。

發(fā)動(dòng)機(jī)（狹義）：主要制用于可移動(dòng)的交通工具或可移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備上的動(dòng)力裝置。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶、汽車、拖拉機(jī)……現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（AutomotiveEngine）多為往復(fù)式的內(nèi)燃機(jī)。

內(nèi)燃機(jī)：將燃料在氣缸內(nèi)燃燒，使其熱能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。

往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)(ReciprocatingPistonEngine)：活塞在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

蒸汽機(jī)和目前大多內(nèi)燃機(jī)都是往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)如果不加特別說明，一般都是往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料有汽油、柴油、酒精和液化石油氣等。但目前廣泛使用的還是汽油和柴油。

主要內(nèi)容：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程與性能指標(biāo)；燃燒熱化學(xué)與熱計(jì)算；換氣過程及燃燒過程的進(jìn)行與使用因素的影響；發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及排放污染的形成機(jī)理與防止措施；主要特性（負(fù)荷特性、速度特性、萬有特性）與制取方法及分析；車用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢棄渦輪增壓等。

基本要求：

(1)明確本課程的地位、性質(zhì)、任務(wù)及主要研究對(duì)象；了解目前國內(nèi)外研究水平及主要發(fā)展方向;(2)重點(diǎn)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)及指示指標(biāo)、有效指標(biāo)、機(jī)械效率的定義、計(jì)算與分析；明確實(shí)際循環(huán)的各項(xiàng)損失及減少損失的的基本途徑;(3)明確換氣過程的進(jìn)行；重點(diǎn)掌握充氣系數(shù)的概念及影響因素與提高充氣系數(shù)的措施；了解進(jìn)排氣管內(nèi)的動(dòng)力效應(yīng);(4)熟悉汽油機(jī)及柴油機(jī)的混合氣形成；掌握汽油機(jī)正常燃燒過程的特點(diǎn)與分期及不正常燃燒現(xiàn)象與形成機(jī)理；掌握柴油機(jī)燃燒過程的特點(diǎn)與分期；了解柴油不正常噴射發(fā)生的原因及消除措施；明確使用因素對(duì)燃燒過程的影響;(5)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及排放污染形成機(jī)理、測定方法與防治措施；明確使用因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及排氣中有害氣體濃度的影響。(6)明確發(fā)動(dòng)機(jī)特性的定義、基本分析式及研究意義；重點(diǎn)掌握負(fù)荷特性、速度特性、調(diào)速特性、萬有特性曲線的制取方法與分析；掌握大氣修正方法。了解車用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢棄渦輪增壓技術(shù);前言

汽車?yán)碚摰膶W(xué)習(xí)則是以整車為研究對(duì)象，要求我們掌握汽車各種使用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。理解有關(guān)的汽車動(dòng)力學(xué)方程式，分析汽車及其部件的結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各使用性能的影響。并學(xué)會(huì)進(jìn)行性能預(yù)測的基本計(jì)算方法。

安排：課堂教學(xué)40學(xué)時(shí)，其中含作業(yè)講評(píng)、測驗(yàn)1次。

課程成績評(píng)定：平時(shí)成績（作業(yè)、測驗(yàn)）30%，期末考試成績70%。

第1章工程熱力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)掌握工質(zhì)在各種熱力過程中其初態(tài)參數(shù)與終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系以及能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)；掌握用理想氣體狀態(tài)方程分析熱力過程的方法；了解工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本參數(shù)；了解熱力學(xué)基本定律在分析熱機(jī)工作性能方面的作用。工程熱力學(xué)的主要內(nèi)容工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最早發(fā)展起來的一個(gè)分支，它研究熱能和機(jī)械功互相轉(zhuǎn)換的規(guī)律。其主要內(nèi)容有：1．介紹常用工質(zhì)（如空氣、可燃混合氣等）的熱力性質(zhì)；2．介紹熱力學(xué)基本定律：熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律；3．根據(jù)熱力學(xué)基本定律和工質(zhì)的熱力性質(zhì)，分析實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械功相互轉(zhuǎn)換的基本熱力過程，闡明使熱能以更大的百分率轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的途徑。一些基本概念在工程熱力學(xué)中，把實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械功相互轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)稱為工質(zhì)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是通過燃料的燃燒變熱能為機(jī)械功的，在整個(gè)轉(zhuǎn)變過程中，總是以氣體作為媒介物質(zhì)，這些氣體便是工質(zhì)。燃料燃燒前，工質(zhì)為空氣（柴油機(jī)）或空氣和汽油的混合氣（汽油機(jī)）。燃燒后，工質(zhì)主要是二氧化碳和水蒸氣等。1.1氣體的熱力性質(zhì)1.1.1熱與比熱實(shí)驗(yàn)表明，熱現(xiàn)象是物體內(nèi)部分子和原子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的總體表現(xiàn)，這種運(yùn)動(dòng)的劇烈程度決定了物體的冷熱程度，其外在表現(xiàn)為溫度的高低。這就是說，物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的平均速度越高，則物體的受熱程度越大，表現(xiàn)出來的溫度就越高。熱能可由工質(zhì)通過傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射等方式來進(jìn)行傳遞。例如，高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體與水道中低溫的冷卻水接觸時(shí)，缸體材料里運(yùn)動(dòng)比較劇烈的分子之間的不斷碰撞，影響了鄰近的水分子，這時(shí)，溫度較高的缸體傳熱至受熱較低的水，前者溫度降低，后者溫度升高。若兩物體達(dá)到同一溫度時(shí)，傳熱就會(huì)停止，這種現(xiàn)象稱為傳熱?！盁帷钡膶?shí)質(zhì)“熱”實(shí)質(zhì)上是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)形式，也是能量傳播的一種形式。熱量的單位是焦耳（J）。焦耳這個(gè)單位較小，使用不方便，在計(jì)算中往往采用千焦耳（KJ）單位。2．工質(zhì)的比熱——質(zhì)量熱容在熱力工程中，熱量的計(jì)算常利用比熱。使質(zhì)量為1千克的物體溫度升高或降低1K所需加入或放出的熱量稱為工質(zhì)的比熱，用符號(hào)C表示，單位為千焦耳/千克度（kJ/kg·K）。氣體的比熱隨溫度變化的關(guān)系氣體的比熱氣體的比熱一般是隨著溫度的升高而增大的，如圖所示。不同的溫度，氣體比熱的數(shù)值也不同。在每一個(gè)溫度下所對(duì)應(yīng)的比熱稱為真實(shí)比熱。氣體在某一溫度下的真實(shí)比熱為：式中：dq為某工質(zhì)在某一狀態(tài)下溫度變化時(shí)所吸收或放出的熱量。單位是kJ或J。氣體的比熱與加熱過程的關(guān)系氣體的比熱與加熱過程有關(guān)。在不同的過程中，使1kg質(zhì)量的氣體溫度升高1K，所需加入的熱量是不同的。故比熱的大小隨氣體變化過程的特征而定。在工程熱力學(xué)中，常遇到定容加熱過程和定壓加熱過程。定容比熱與定壓比熱定容加熱過程是工質(zhì)在加熱過程中容積保持不變的過程。其比熱稱為定容比熱，用符號(hào)cv

表示。定壓加熱過程是工質(zhì)在加熱過程中壓力保持不變的過程。其比熱稱為定壓比熱，用符號(hào)cp表示。從定容加熱過程和定壓加熱過程的特點(diǎn)可知，在定容加熱過程中，氣體沒有膨脹做功，所加入的熱量將完全用來增加氣體分子運(yùn)動(dòng)的功能，外在表現(xiàn)為氣體的溫度升高。在定壓加熱過程中，氣體可以膨脹做功。因此，氣體所加入的熱量除了一部分用來增加氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能外，另一部分用來克服外力做功。對(duì)同樣質(zhì)量的氣體而言，要將氣體加熱到某一溫度，則在定壓加熱過程中所加入的熱量比定容加熱過程所加入的熱量要多，即定壓比熱大于定容比熱。質(zhì)量熱容比在工程熱力學(xué)的計(jì)算中，定壓比熱與定容比熱之比，稱為比熱比——質(zhì)量熱容比，用符號(hào)表示。即：

對(duì)于空氣來說，其定壓比熱cp為1.0046kJ/kg·K，定容比熱cv為0.7158kJ/kg·K，k為1.4。1.1.2工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本參數(shù)熱機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是靠氣態(tài)工質(zhì)及在特定的條件下不斷地改變它的熱力狀態(tài)，執(zhí)行某一具體的熱功轉(zhuǎn)換過程來實(shí)現(xiàn)的。如發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，就是將燃料燃燒的熱能，通過工質(zhì)的膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的。常用的氣態(tài)工質(zhì)基本上可分為兩類：氣體和蒸汽。氣體是指遠(yuǎn)離液態(tài)、不容易液化的氣態(tài)物質(zhì)，蒸汽是指剛由液態(tài)轉(zhuǎn)變過來或較容易液化的氣態(tài)物質(zhì)。內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)是氣體。表明工質(zhì)狀態(tài)特征的各個(gè)物理量，稱為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在變熱為功的整個(gè)過程中，工質(zhì)的狀態(tài)總是不斷地變化著，可以用壓力p、溫度T、比容v、內(nèi)能U、焓H、熵S六個(gè)狀態(tài)參數(shù)來描述。其中p、T、v可以直接用儀表測量，且其物理意義易于理解，故成為描述工質(zhì)狀態(tài)的基本狀態(tài)參數(shù)。壓力p工質(zhì)在單位面積容器壁上所施加的垂直作用力稱為壓力，對(duì)于氣體工質(zhì)來說，氣體的壓力是大量的分子在紊亂的運(yùn)動(dòng)中對(duì)容壁碰撞的統(tǒng)計(jì)量。假定氣體分子在容器壁的垂直方向上產(chǎn)生總的作用力為F，容器壁的總面積A為，則有：

壓力的單位為帕，記作Pa，或記作N/m2。工程上，Pa的單位太小，為了計(jì)算方便，常用kPa與MPa。壓力的表示方法在工程上，容器內(nèi)氣體壓力的大小有兩種表示方法。一種是指明氣體施于容器壁上的實(shí)際壓力，稱為絕對(duì)壓力，記做p。另一種是測量時(shí)壓力表上的讀數(shù)壓力，叫表壓力，記做pg。由于壓力表未使用時(shí)，其指針總是指在0附近（此時(shí)已有一個(gè)左右的大氣壓），故絕對(duì)壓力p、表壓力pg、大氣壓力p0三者的關(guān)系式為：

壓力的單位與表示方法如果容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力低于外界大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)數(shù)，僅取其數(shù)值，稱之為真空度，記做pv

。則有：

真空度的數(shù)值愈大，說明愈接近絕對(duì)真空。表壓力和真空度都是相對(duì)于大氣壓力的相對(duì)值。當(dāng)絕對(duì)壓力高于大氣壓力時(shí)，它們的差值稱為表壓力。當(dāng)絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，它們的差值稱為真空度。只有絕對(duì)壓力才能作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，它表示工質(zhì)的真正狀態(tài)。溫度T溫度表示工質(zhì)的冷熱程度。從分子運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，氣體工質(zhì)的溫度是氣體分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的一種量度。氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均速度越高，其溫度也越高，此時(shí)氣體分子的平均動(dòng)能也越大。在熱力學(xué)中，溫度用熱力學(xué)溫標(biāo)來量度，用符號(hào)T和單位K表示。熱力學(xué)溫標(biāo)，也叫開爾文溫標(biāo)，是國際單位制（SI）的基本單位。由熱力學(xué)溫標(biāo)所確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度。國際單位制規(guī)定，水的三相點(diǎn)溫度（冰、水、水蒸氣平衡共存的溫度）為273.16K，而熱力學(xué)溫度單位“K”為三相點(diǎn)溫度的1/273.16。熱力學(xué)溫度的零度，稱為絕對(duì)零度。溫度T在工程上，溫度也可以用攝氏溫標(biāo)來量度，用符號(hào)t和單位℃表示。攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的關(guān)系為：

由上式可知，熱力學(xué)溫度273.16K為攝氏溫標(biāo)的零點(diǎn)。用攝氏度表示的溫度也可用開（K）表示。須注意的是只有熱力學(xué)溫度才是狀態(tài)參數(shù)。工程上，常把上式近似寫為：

比容v單位質(zhì)量的工質(zhì)所占有的容積稱為比容，用符號(hào)v表示，單位為m3/kg。設(shè)氣體的質(zhì)量為mkg，容積為Vm3，則氣體的比容為：

密度與比容呈倒數(shù)關(guān)系，密度是指單位容積中氣體的質(zhì)量，用ρ表示：

1.1.3理想－氣體狀態(tài)方程1．理想氣體真實(shí)氣體的分子是具有體積的，并且分子之間存在著吸引力。但實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)壓力較低或溫度較高時(shí)，一般氣體的比容較大，分子間的距離比分子的直徑大得多，因此，氣體分子間的吸引力和分子本身的體積就可忽略不計(jì)，它的性質(zhì)就比較接近理想氣體。所謂理想氣體，就是指分子本身不占有體積，分子間又無吸引力的氣體。在發(fā)動(dòng)機(jī)熱力分析中，常把空氣、燃?xì)獾榷冀频乜醋隼硐霘怏w。2．理想氣體的狀態(tài)方程對(duì)于一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)，一般可用氣體所占的體積V、壓力p、溫度T三個(gè)量來表示。在氣體平衡狀態(tài)下，理想氣體的壓力、溫度和比容三者之間的關(guān)系式稱為理想氣體狀態(tài)方程式，它是根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說導(dǎo)出的。對(duì)于1kg理想氣體，狀態(tài)方程式為：

對(duì)于mkg理想氣體，狀態(tài)方程式為：

式中：，它是mkg氣體所占的總?cè)莘e。RR為氣體常數(shù)，單位為kJ/kg·K。對(duì)于同一種氣體，常數(shù)R值是一定的，但對(duì)于不同種類的氣體，常數(shù)R值是不同的。各種氣體的值可在表1.1或有關(guān)的手冊中查得。理想氣體狀態(tài)方程式表明，如果任意兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)已知，則第三個(gè)參數(shù)也就確定，氣體的狀態(tài)也就確定。表1.1常用氣體的熱力性質(zhì)氣體摩爾質(zhì)量Mkg/kmol氣體常數(shù)RkJ/(kg·K)密度ρkg/m3(0℃101325Pa)定壓比熱cpkJ/(kg·K)定容比熱cvkJ/(kg·K)比熱比kHe4.0032.0770.1795.2343.1531.667Ar39.940.20811.7840.5240.3161.667H22.0164.12440.09014.3610.221.404O232.0000.25981.4290.9170.6571.395N228.0160.29681.2501.0380.7411.400空氣28.970.28711.2931.0040.7161.400CO28.0110.29681.251.0420.7451.399CO244.0100.18891.9770.8500.6611.285H2O18.0160.46150.8041.8631.4021.329CH416.040.51830.7172.2271.6871.32C2H428.0540.29641.2601.7211.4271.2081.2熱力學(xué)基本定律1.2.1氣體的功、熱量、內(nèi)能

1．氣體的膨脹功設(shè)在圖示的氣缸中裝有1kg氣體，氣體的體積為V，壓力為p，活塞截面積為A。若氣體的壓力比外界壓力大，氣體就會(huì)推動(dòng)活塞右移，氣體的體積便增大，這時(shí)氣體對(duì)活塞做了功，稱為膨脹功。如果是推動(dòng)活塞向左移，氣缸內(nèi)的氣體體積便縮小，這時(shí)外界通過活塞對(duì)氣體做了功。1．氣體的膨脹功若1kg氣體在氣缸內(nèi)進(jìn)行膨脹，如圖中由1膨脹到2，氣體壓力將逐漸下降。假設(shè)氣體作用在活塞上的力推動(dòng)活塞右移了一個(gè)微小距離ds，在這期間，膨脹極小，氣體的壓力近乎不變，則氣體完成的微量膨脹功為：

由于，所以：

1．氣體的膨脹功對(duì)可逆過程1-2，氣體由狀態(tài)1到狀態(tài)2所做的微量膨脹功為：

若氣缸中的氣體為mkg，其總?cè)莘e為V=mv，膨脹功為：對(duì)1kg氣體而言，當(dāng)氣體不是膨脹，而是受外界壓縮時(shí)，則是外界對(duì)氣體做功。這時(shí)dv成為負(fù)值，w也是負(fù)值，負(fù)的膨脹功實(shí)際上表明氣體接受了外界的壓縮功。

1．氣體的膨脹功如果已知工質(zhì)的初態(tài)、終態(tài)參數(shù)，以及氣體膨脹做功過程中壓力發(fā)生變化的規(guī)律，則可求得氣體的膨脹功。上述氣體的某一初狀態(tài)1到另一終狀態(tài)2所進(jìn)行的一個(gè)狀態(tài)變化過程，在工程熱力學(xué)中稱為一個(gè)熱力過程。圖1.3b)是以比容v為橫坐標(biāo)，以壓力p為縱坐標(biāo)的一個(gè)直角坐標(biāo)圖，稱為壓容圖。氣體的狀態(tài)可以用圖上的一點(diǎn)代表，因此，壓容圖上的一條曲線代表氣體所進(jìn)行的一個(gè)熱力過程。圖b）中曲線1-2代表的就是圖a）中所示氣體的膨脹過程，它也反映了p是v的某一函數(shù)。根據(jù)微積分原理可知，曲線下面所包圍的面積，就代表氣體在這過程中所做的功。因此壓容圖也叫示功圖。2．熱量Q熱量是指兩物體間通過微觀的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。所以無論對(duì)于系統(tǒng)或外界都不能說它們含有多少熱量。熱量和功一樣不是熱力狀態(tài)的參數(shù)，而是工質(zhì)狀態(tài)改變時(shí)對(duì)外的效應(yīng)。它們的區(qū)別在于前者是通過微觀分子運(yùn)動(dòng)作用而傳遞的能量，后者則是通過宏觀運(yùn)動(dòng)作用而傳遞的能量。在熱力學(xué)中規(guī)定，外界加給系統(tǒng)的熱量為正，而系統(tǒng)放給外界的熱量為負(fù)，國際單位制規(guī)定功和熱量Q的單位都用焦耳（J）。3．工質(zhì)的內(nèi)能工質(zhì)的內(nèi)能就是氣體分子和原子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間的位能的總和。分子動(dòng)能是由分子直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、自旋運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、分子內(nèi)原子振動(dòng)能、原子內(nèi)電子振動(dòng)能等組成的。分子間位能是由氣體分子間相互吸引而形成的。對(duì)于理想氣體，由于假設(shè)其分子間沒有吸引力，所以理想氣體的內(nèi)能僅指氣體內(nèi)部動(dòng)能。它是溫度的單值函數(shù)。3．工質(zhì)的內(nèi)能單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能也是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。1kg工質(zhì)的內(nèi)能用符號(hào)u表示，單位用kJ/kg。mkg工質(zhì)的總內(nèi)能為。工質(zhì)內(nèi)能變化值只與工質(zhì)的初狀態(tài)和終狀態(tài)有關(guān)，而與工質(zhì)由狀態(tài)1到狀態(tài)2所經(jīng)歷的過程無關(guān)。5氣體的功、熱量、內(nèi)能熱量q工質(zhì)自外界吸熱工質(zhì)向外界放熱+―功w工質(zhì)膨脹對(duì)外作功壓縮工質(zhì)消耗外功+―內(nèi)能增量Δu工質(zhì)內(nèi)能增加工質(zhì)內(nèi)能減少+―各項(xiàng)符號(hào)的規(guī)定1.2.2熱力學(xué)第一定律各種形式的能量之間都可以相互轉(zhuǎn)換，這是自然界的普遍現(xiàn)象。人們通過長期的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出了能量轉(zhuǎn)換與守恒定律：各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但它們的總量保持不變。將這一定律應(yīng)用在熱力學(xué)上，便是熱力學(xué)第一定律。

1.2.2熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律可敘述為：熱和功可以相互轉(zhuǎn)換，為了要獲得一定量的功必須消耗一定量的熱；反之，消耗一定量的功，必然會(huì)產(chǎn)生一定量的熱，轉(zhuǎn)換前、后的能量總和保持不變。熱力學(xué)第一定律若用Q表示轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臒崃?，W表示轉(zhuǎn)換過來的功，兩者的單位都用kJ，則熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式表示為：

熱力學(xué)第一定律指出：輸入系統(tǒng)的能量等于系統(tǒng)貯存能量的變化與系統(tǒng)輸出的能量之和。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是將混合氣體燃燒產(chǎn)生的一定量的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的熱量和膨脹功的，若發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣燃燒后產(chǎn)生的廢氣溫度越高，表明氣體殘留的熱量越大，則膨脹功越少。1.2.3能量方程在熱力過程中，因氣體狀態(tài)變化而產(chǎn)生的能量平衡關(guān)系由能量平衡方程表示。設(shè)在氣缸里裝1kg氣體，從外界吸入熱量dq后，氣體膨脹推動(dòng)活塞移動(dòng)了一個(gè)距離ds并做了dw的功。同時(shí)，氣體的溫度也升高了dT，其內(nèi)能也有變化，變化量為du。此時(shí)工質(zhì)與外界沒有物質(zhì)交換，僅有能量交換，系統(tǒng)內(nèi)沒有整體運(yùn)動(dòng)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)的內(nèi)能、熱量和功三者的轉(zhuǎn)換必然遵守下列方程：

dq=du+dw上式稱為熱力過程的能量平衡方程式，它指出：加給氣體一定熱量是用于增加氣體的內(nèi)能和使氣體做一定量的膨脹功的。1.2.3能量方程上式是對(duì)無窮小的狀態(tài)變化而言的，對(duì)1kg氣體在狀態(tài)1至狀態(tài)2的過程中有：

對(duì)mkg氣體有：

在上兩式中，每一項(xiàng)都可以是正值、零或負(fù)值，視實(shí)際情況而定。一般規(guī)定，氣體向外界放出熱量，則Q（q）為負(fù)值，吸收熱量，Q（q）為正值；外界對(duì)氣體壓縮做功，則W（w）為負(fù)值，氣體膨脹做功，W（w）為正值；氣體的內(nèi)能減小，U2－U1和u2－u1為負(fù)值，反之為正值。1.2.4熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律闡明了各種能量可以相互轉(zhuǎn)換，且其數(shù)量關(guān)系是恒定的道理。但是，熱力學(xué)第一定律解決不了在熱機(jī)中燃料所產(chǎn)生的熱量能否全部地利用來做功的問題。這一類熱功轉(zhuǎn)換條件的解答，必須依賴熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律是人們經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)出來的規(guī)律，它說明實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的條件以及自發(fā)過程進(jìn)行的方向性和不可逆性。它與熱力學(xué)第一定律并稱為熱力學(xué)的兩條基本定律。工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一、熱力學(xué)第二定律的幾種表述熱力學(xué)第二定律是人們根據(jù)無數(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的有關(guān)熱現(xiàn)象的第二個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律，并被大量經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)說明它的正確性。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)就是指出一切過程的不可逆性。

第一種說法：克勞修斯說法（1950年），“不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體，而不引起其它變化?！奔础盁岵豢赡茏詣?dòng)（自發(fā)）地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。”

第二種說法：開爾文說法（1951年），“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。”即“只冷卻一個(gè)熱源而連續(xù)不斷作功的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是造不成功的?！睙崃ρh(huán)加熱氣體工質(zhì)，使工質(zhì)膨脹對(duì)外做功，是熱變功的根本途徑。為了實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換而不斷地對(duì)外做功，汽車上是通過內(nèi)燃機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。工質(zhì)在內(nèi)燃機(jī)氣缸中僅僅完成一個(gè)膨脹過程不可能連續(xù)做功。為了重復(fù)地進(jìn)行做功過程，工質(zhì)在每次膨脹做功之后，必須進(jìn)行一次壓縮過程，使它回復(fù)到初態(tài)，以便重新膨脹做功，這種使工質(zhì)由初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)重新回到初始狀態(tài)所完成的一個(gè)封閉過程，稱為熱力循環(huán)。就1kg工質(zhì)而言，若循環(huán)中工質(zhì)狀態(tài)變化經(jīng)過的過程都是準(zhǔn)靜態(tài)過程，則熱力循環(huán)可用p-v圖上的封閉曲線來表示，如圖所示。在圖1-5的p-v圖上，1-a-2曲線是工質(zhì)膨脹過程曲線。2-b-1曲線是工質(zhì)壓縮過程曲線。q1表示循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩粗薪邮軣崃康慕^對(duì)值，q2表示工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃康慕^對(duì)值，則循環(huán)中工質(zhì)接受的凈熱量為q1－q2。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，循環(huán)中工質(zhì)的循環(huán)凈功等于循環(huán)凈熱，即q1－q2＝w。可見，在熱力循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩此邮艿臒崃縬1，只有一部分變成循環(huán)凈功，而另一部分熱量q2傳給低溫?zé)嵩?。由于?duì)自然界中不同的熱現(xiàn)象進(jìn)行觀察的結(jié)果，熱力學(xué)第二定律有多種表述方式，下面為兩種主要的表述方式：1．熱力學(xué)第二定律的開爾文-普朗克說法：不可能建造一種循環(huán)工作的機(jī)器，其作用只是從單一熱源取熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而不引起其它變化。這一表述說明，要連續(xù)地獲得機(jī)械功，至少應(yīng)有一個(gè)高溫?zé)嵩春鸵粋€(gè)低溫?zé)嵩?，熱機(jī)工作時(shí)，將從高溫?zé)嵩慈〉脽崃?，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分排至低溫?zé)嵩?。任何熱機(jī)循環(huán)的效率都小于1。2．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法：不可能將熱量由低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。這一表述說明，要實(shí)現(xiàn)把熱量由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，是必須付出代價(jià)的。以上說法雖然不同，但實(shí)質(zhì)都是一樣的。如果僅從熱機(jī)理論的需要來理解熱力學(xué)第二定律，則可表述為：只有熱源而不傳熱給冷源的熱機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。熱機(jī)的熱效率反映了熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容，也是衡量熱機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。通常采用熱力循環(huán)的凈功w0與工質(zhì)從高溫?zé)嵩唇邮艿臒崃縬1的比值作為指標(biāo)，稱為循環(huán)熱效率，用ηt表示，即：

熱效率說明工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃坑卸嗌俎D(zhuǎn)換為功，從上式可知，q2越小，則ηt越大，但q2不可能為0，所以總小于1。所謂熱源和冷源都是抽象概念。不論是哪種熱機(jī)循環(huán)，工質(zhì)都要吸熱和放熱。在循環(huán)中，把熱傳給工質(zhì)的物體稱為熱源；接受工質(zhì)傳出熱量的物體稱為冷源。例如，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮行程終了時(shí)，電火花出現(xiàn)，使被壓縮的可燃混合氣在氣缸容積近似不變的情況下燃燒，這實(shí)質(zhì)上是對(duì)工質(zhì)加熱的過程，這一過程就是高溫?zé)嵩磳?duì)工質(zhì)加熱。但工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1并非全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，而有一部分熱量Q2通過排出的廢氣傳給了大氣，則大氣就稱為冷源。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為：

1.2.5卡諾循環(huán)、卡諾定理1824年法國青年工程師卡諾提出了最理想的熱機(jī)工作方案，即卡諾循環(huán)。并確定了在給定條件下熱機(jī)效率可能達(dá)到的最大限度?？ㄖZ循環(huán)是由兩個(gè)定溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的。圖1.6為理想氣體卡諾循環(huán)的p-v圖。a-b為定溫加熱過程，b-c為絕熱膨脹過程，c-d為定溫放熱過程，d-a為絕熱壓縮過程。設(shè)在a-b過程中，工質(zhì)從溫度T1的高溫?zé)嵩唇邮艿臒崃康慕^對(duì)值為q1；在c-d過程中，工質(zhì)向溫度T2的低溫?zé)嵩捶懦鰺崃康慕^對(duì)值為q2。按照絕熱過程b-c及d-a中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系，可推得：

于是卡諾循環(huán)的熱效率公式為：

卡諾循環(huán)由上式可知：⑴卡諾循環(huán)的熱效率僅與高溫?zé)嵩醇暗蜏責(zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。提高T1及降低T2可使卡諾循環(huán)的熱效率提高。⑵卡諾循環(huán)的熱效率不可能達(dá)到1，因?yàn)門1不可能無限大，T2不可能為零。⑶不可能由單一熱源吸取熱量而循環(huán)做功，因?yàn)門1＝T2時(shí)，ηt＝0?？ㄖZ定理卡諾定理的內(nèi)容是：在相同的高溫?zé)嵩磁c相同的低溫?zé)嵩粗g按卡諾循環(huán)工作的熱機(jī)，無論采用何種工質(zhì)，其熱效都為；如果是不可逆熱機(jī)，其效率恒小于，且卡諾循環(huán)的熱效率為最高。由卡諾定理可找到提高熱機(jī)熱效率的途徑：一是盡量減小過程的不可逆性，使實(shí)際循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)；二是提高高溫?zé)嵩吹臏囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟取?.3工質(zhì)的熱力過程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)可概括為工質(zhì)的熱力循環(huán)。由于熱功轉(zhuǎn)換是在熱力過程中進(jìn)行的，因此，有必要對(duì)熱力過程進(jìn)行分析，確定過程中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，揭示出熱力過程能量轉(zhuǎn)換的特性。氣體的熱力過程類型很多，主要的熱力過程有：定容過程、定壓過程、定溫過程、絕熱過程和多變過程。為便于分析，假定工質(zhì)是1kg理想氣體，其比熱也視為定值。1.3.1定容過程氣體容積保持不變的過程稱為定容過程。圖1.7a）氣缸活塞不動(dòng)，工質(zhì)被加熱的過程就是定容加熱過程。1．初態(tài)、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系定容過程中，比容v不變，即v1＝v2＝v＝常數(shù)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式pv=RT以及定容條件可得：定容過程曲線如圖b所示，其p-v圖是一條垂直于v軸的鉛垂線。上述分析表明，在等容過程中，氣體的絕對(duì)壓力與絕對(duì)溫度成正比。汽油機(jī)中，混合氣燃燒幾乎全部是在接近氣缸容積保持不變的情況下進(jìn)行的，工質(zhì)的加熱過程就接近等容加熱過程。2．能量轉(zhuǎn)換由于容積不變，即dv=0，定容過程工質(zhì)的膨脹功w=0。根據(jù)比熱的定義，定容比熱cv=dq/dT，若cv設(shè)為定值，則定容過程中工質(zhì)吸入（或放出）的熱量。可得：上述分析表明，定容過程中，工質(zhì)吸入（或放出）的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)內(nèi)能的增加（減小）。1.3.2定壓過程氣體壓力保持不變的過程稱為定壓過程。設(shè)圖a）所示氣缸活塞上的載重塊重量不變，活塞勻速緩慢移動(dòng)。1．初態(tài)、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系在定壓過程中，由于絕對(duì)壓力p保持不變，即：p1=p2=p=常數(shù)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式pv=RT和p＝常數(shù)可得：在定壓過程中氣體的比容與絕對(duì)溫度成正比。如圖b）所示，定壓過程的p-v圖為一條平行于v軸的水平線。柴油機(jī)的整個(gè)燃燒過程的前一部分是在接近定容，而后一部分是在接近定壓的情況下進(jìn)行的。2．能量轉(zhuǎn)換：由于絕對(duì)壓力p保持不變，定壓過程中氣體所做的膨脹功為：在圖b）中，1-2直線下的面積即為氣體所做的膨脹功，1-2‘直線下的面積為氣體所消耗的壓縮功。在定壓過程中加給氣體的熱量為

根據(jù)膨脹功計(jì)算式及pv=RT，經(jīng)整理可得：

上式表明，定壓比熱大于定容比熱。在定壓條件下，溫度高升1K所需的熱量，大于定容條件下所需的熱量，差值是在定壓過程中對(duì)外所做的功。定溫過程氣體溫度保持不變的過程稱為定溫過程。由于T＝常數(shù)，按照理想氣體狀態(tài)方程，可得pv＝常數(shù)。故定溫過程的p-v圖為一等邊雙曲線，如圖1-9所示。1．初態(tài)、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系在定溫過程中，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pv=RT和T1=T2=T=常數(shù)可得：上述表明，在定溫過程中，理想氣體的絕對(duì)壓力與比容成反比。2．能量轉(zhuǎn)換在定溫過程中，pv=RT，T=常數(shù)，設(shè)p是v的過程函數(shù)，則氣體所做的功為：因?yàn)槔硐霘怏w的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，所以，理想氣