先导课热力学定律及燃烧学基础

第一篇 热力工程基础,第一章 热力学第一定律,一、工质及热力系统,第一节 工程热力学基本概念,1,、工质：,用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。,工质,理想气体,实际气体,蒸 气,（2）,、分类,闭口系,：,与外界无物质交换的系统,CM,开口系,：,与外界有物质交换的系统,CV,按物质交换,热力系统,系统,固定边界,移动边界,系统,人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。热力系以外的物体称为外界；热力系与外界的交界处称为边界。,（1）、,定义,2,、热力系,二、 状态及,状态参数,1,、状态,热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。(简称状态),2,、状态参数,定义：,描述系统状态的宏观物理量,分类：,广延量参数,：,有关，如,H,、,U,、,S,等，具有可加性,强度量参数,：,无关，如,p,、,T,、,v,、,u,、,h,等,按与所含工质的量有关否,基本状态参数,：,可以直接或易测的状态参数。如,p,、,v,和,T,。,非基本状态参数,：,不能直接或易测的状态参数。如,H,、s、,u,等,按是否直接或易测,或,数学特征：,，,3,、,基本状态参数,（1）比体积 ：,比体积就是单位质量的工质所占的体积。即,（2）压力 ：,压力即物理学中的压强，单位是,Pa。,绝对压力：,p,大气压力：,：表压力,：真空度,（3）温度：,俗称是物体冷热程度的标志。,B,科学定义：,温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理量。,热力学温标：,理论温标，符号,T,单位,K,新摄氏温标：,符号,t,单位。,t,（）=,T,（K）-273.15,A,热力学第零定律,:,如果两物体和第三个物体处于热平衡，,则这两个物体之间必然处于热平衡。,（,4,）热力学能和总能量,1、内部储存能热力学能：,工质微观粒子所具有的能量。,热力学能,分子运动所具有的内动能,分子间由于相互作用力所具有的内位能,维持一定分子结构的化学能和原子核内部的核能,热力学能,U,是状态参数；,比热力学能,uU/m,2、外部储存能,或,或,3、储存能,比储存能,（,5,）焓,定义式,比焓,物理意义：,焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量。,1.1.3,状态参数坐标图和状态方程式,（1）独立的状态参数 ：简单可压缩系统,2,。,（3）描述平衡态基本状态参数间关系表达式称为,状态方程式,。,（2）状态参数坐标图,状态参数坐标图,第二节 热力学第一定律,一、热力学第一定律及其实质,热力学第一定律：,热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，在它们的传递和相互转换过程中，总量保持不变。,热力学第一定律的实质,：,“量”守恒,二、闭口系的能量方程热力学第一定律基本表达式,1、能量方程：,3、其他形式：,2、分析 ：,外热能 内热能,或,微元：,或,可逆：,或,或,机械能,体积变化功,三、开口系统的稳定流动能量方程,1、一般的关系式为：,进入,系统的能量,流出,系统的能量系统能量的,增量,入,出,增量,2、一般表达式：,出：,或,增量：,入,：,3,、稳定流动系统的能量方程,（,1,）稳定流动系统,定义：,稳定流动系统是指热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。,实现条件：,(1)进出系统的工质流量相等且不随时间而变；,(2)系统进出口工质的状态不随时间而变；,(3)系统与外界交换的功和热量等所有能量不随时间而变。,（,2,）流动功,定义：,开口系统中工质流入和流出系统所作的,推动功的代数和。,推动功：,同理：,或,流动功：,(,3),稳定流动系统的能量方程,引入焓,H,：,或,或,对于微元过程：,第三节 理想气体的热力性质,一、理想气体及其状态方程,1、状态方程,：,称为克拉贝龙状态方程。,理想气体定义：,凡是遵循克拉贝龙状态方程的气体称为理想气体。,2、摩尔气体常数及其他形式,由,阿伏伽德罗定律,知：在同温同压下任何气体的摩尔体积都相等。,其他形式还有,或,从微观上讲，凡符合下述假设的气体称为理想气体：,(1)气体分子是不占据体积的弹性质点；,(2)气体分子相互之间没有任何作用力。,二、理想气体的比热容,(一) 比热容的定义,热容：,工质温度升高一度所吸收的热量称为热容，用,C,表示,比热容 ：,摩尔热容,：,(二) 比定容热容和比定压热容,比定容热容,：,比定压热容 ：,(三) 理想气体比热容,理想气体 ：,迈耶尔公式：,定值比热容,三、理想气体的比热力学能和比焓及比熵,(一) 理想气体的比热力学能和比焓,(二) 理想气体的比熵,还可推导得到：,第二节 热力学第二定律的表述,克劳修斯,的说法：,不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。,开尔文,的说法：,不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。,其他,说法，如：,第二类永动机是造不成的。,热力学第二定律各种表述的,等效性：,热源：,失去,冷源：,失去,总效果：,从单一热源吸热 全部转变为功,外界：,得到,第三章 燃烧学基础,第一节 发动机的燃料,石油产品分子式为,CnHm,，通常称为烃。,传统的燃料是汽油,与柴油,利用沸点不同直接进行分馏，依次得到,石油气,-,汽油,-,煤油,-,轻、重柴油,-,渣油,第二节 燃料的使用特性,一、汽油,的性能,1,、辛烷值,辛烷值表示汽油抗爆性。汽油的辛烷值高，则抗爆震的能力强。国产汽油是以辛烷值（研究法）来标号的。,用容易爆燃的正庚烷和抗爆性好的异辛烷的混合液与被测汽油比较，混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测汽油的辛烷值。,为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂。,2,、馏程：,汽油是多种烃类的混合物，没有一定的沸点。汽油馏出温度的范围称为馏程。用来评价汽油的蒸发性。,（,1,）,10%,馏出温度：标志起动性；过低，易气阻；,（,2,）,50%,馏出温度：标志平均蒸发性，它影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性；,（,3,）,90%,馏出温度：标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。,二、柴油的性能,按凝点不同分为,10,号、,0,号、,-10,号、,-20,号、,35,号五级，其凝点分别不高于,10,、,0,、,10,、,-20,和,-35,1.,十六烷值,十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。,用容易自燃的十六烷和最不容易自燃的,-,甲基萘的混合液与被测柴油比较，混合液中十六烷的体积百分数即该柴油的十六烷值。,2.,馏程,:,表示柴油的蒸发性，与燃烧完善程度及起动性能有密切关系,燃料馏出,50%,的温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。,90%,和,95%,溜出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。,3.,黏度：,是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。它影响燃料的喷雾质量。,三、代用燃料,代用燃料概念车,第二节 燃烧热化学,不管燃烧过程多么复杂，在燃烧分析中总需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数量关系。,对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据。,一、空燃比（美、日、欧）（柴油机：燃空比）,理论空燃比：,1kg,燃料完全燃烧所需的理论空气量,汽油：（,kg/kg,）,轻柴油：（,kg/kg,）,二、过量空气系数,a,（中、苏）,燃烧,1kg,燃料实际提供的空气量,L,与理论上所需空气量,L,0,之比，称为过量空气系数,a,常用,a,，功率混合气,a,，经济混合气,a,= 1.05-1.15,a,，火焰传播上限（排气管放炮）,a,，火焰传播下限（进气管回火）,三、,a,1,时完全燃烧产物的数量,1,、燃烧前混合气的数量：,对于汽油机：,M,1,a,L,0,+ (kmol/kg),，,对于柴油机：,M=,a,L,0,(kmol/kg),2,、燃烧后燃烧产物的数量：,a,1,，完全燃烧产物由,CO,2,、,H,2,O,、剩余的,O,2,及未参与反应的,N,2,组成。由化学方程式可求出：,M,2,= ,a,L,0,+ + (kmol/kg),四、,燃料热值与混合气热值,1.,燃料热值,1kg,燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。,在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。在高温下的，则为低热值。,待温度降低以后，水的汽化潜热才能释放出来。因此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值；,内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此应用低热值。,2.,混合气热值,可燃混合气的热值以,kJ,kmol,或,kJ,m,3,（标准）计。,1kg,燃料形成可燃混合气的数量为,M,1,，它所产生的热量是燃料的低热值,h,。因此，单位数量可燃混合气的热值（,kJ/kmol,）是,M,1,随过量空气系数,而变，当,=1,时，燃料与空气所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。,例：,C,16,H,32,燃油在过量空气系数,a,时完全燃烧，求空气与燃油质量的比值。（,O,2,在空气中占有的质量为，,C,12,，,O,16,。）,解：因为此燃料完全燃烧时，,C,16,H,32,24O,2,16CO,2,16H,2,O,考虑过量空气系数,a,，则：,空气与燃油质量的比值：,m,air,/m,fuel,=(2432 ,a,/23.3%)/,（,1612,321,）,