能量轉換裝置中工質通過不同的熱力過程而實現能量轉換。因此研究各種熱力過程的特點，確定熱力過程中工質狀態變化的規律及能量轉換的規律，是熱力分析的重要內容。不同性質的工質，同一熱力過程中的參數變化規律也不同。本章只為了從理論上研究能量轉換裝置中的能量轉換中把裝置的工作循環概括為工質的熱力循環，通過對熱力循環的分析，找出裝置中能量轉換的規律。在分析熱力循環時，通常把整個循環分成幾個典型的熱力過程，并逐一地分析各個熱力過程中能量轉換的規律。能量轉換裝置中工質狀態變化的熱力過程?？山频乜醋鞫ㄈ葸^程、定壓過程、定溫過程、絕熱過程及其它也就是要確定熱力過程中系統對外作的功、量、系統本身的熱力學能及焓的變化等。為程中系統的狀態參數如溫度、壓力、比體積把壓力隨比體積變化的關系作為工質狀態變工程上通常所用的能量轉換設備，按其常用工作情況，都可看作熱力學上的閉口系統或穩定流動的開口系統。對于一個閉口系統，當它和外界間發生作用時，系統的狀態就發生一系列的變化而實現能量轉換。對應于一定的狀態變化過程就有一定的能量轉換規律。對于一個穩定流動的開口系統，則是依靠不斷地流過系統的工質，在由進口流到出口的過程中和外界間發生作用，其狀態發生連續的變化而實現能量轉換。按照穩定流動過程的性質可知，相繼流過系統的工質，其狀態變化過程及能量轉換均保持來說，閉口系統和穩定流動的開口系統的情況是完全一樣的。所不同的地方，如第二章中討論的，只是在穩定流動過程中由熱能轉換所得的機械能可表現為軸功、凈推動功、工質的流動動能和重力位能的增量等多種形式。因此，在以后各節討論各種熱力過程時，凡是有關熱力過程的基本性質方面的內容，對于閉口系統分析熱力過程的主要依據是熱力學第一定律能量的守恒表達式。此外，還必須利用實現能量轉換所用工質的有關熱力性質，如狀態方程式、比熱力學能、比焓、比熵及熱容的公式等。本章只有在無耗散的準靜態過程中，系統的狀態變化關系及轉換規律才能簡單地確定，因而本章只討論這類過程。下面各節中將首先討論定容過程、定壓過程、定溫過程及絕熱過程等幾個典型的熱力過程，然后討論較為普遍的多變過程。其中有些已熟系統的比體積保持不變時系統狀態發生變化所經歷的過按理想氣體狀態方程式pv＝RgT，可得定容過程中系統的壓力和p＝p1TT1按理想氣體比熵變化的關系式(3-13)，在定容過程中系統比熵的如圖4-1所示，定容過程1-2在p-v圖上是一條垂直線，在T-s圖上定容過程中，容積不變，系統所作的容積變化功為零即系統接受的熱量全部用于增加系統的熱力在T-s圖上曲線1-2下面的面積相當于過程中系統所接受的熱p＝常量按理想氣體狀態方程式pv＝RgT，可得定壓過程中系統的比體積 = =1TT1按理想氣體比熵變化的關系式(3-14)，在定壓過程中系統的比熵如圖4-2所示，定壓過程1-2在p-v圖上是一條水平線，在T-s圖上是一條指數曲線。由于cp0＞cV0，所以定壓過程線較定容過程線即定壓過程中系統吸收的熱量等于系統焓的變化。并可用T-s圖上曲線1-2下面的面積表示。若比熱容為定對于穩定流動的開口系統，若其工質的流動動按熱力學第一定律的能量方程式，定壓過程中能量轉換的關即定壓過程中系統吸收的熱量用于增加系統溫度不變時系統狀態變化所經歷的過程稱為定溫過程。由于過程中系統的溫度不變，故按理想氣體狀態方程式pv＝RgT可得pv＝p1v1＝RgT1＝常量如圖4-3所示，定溫過程1-2在p-v圖上為一條雙曲線，在T-s圖上按理想氣體比熵變化的關系式(3-13)、(3-13')及式(3-對于穩定流動的開口系統，若其工質的流動動的變化可以忽略不計，則按定溫過程方程式，定溫過程中系統所即定溫過程中系統所作的軸功等于容積變化理想氣體的熱力學能及焓僅是溫度的函數，故在定溫過程中即定溫過程中系統吸收的熱量等于系統所作的功。T-s圖上水平4-5絕熱過程(定熵過程)系統和外界間不發生熱量交換時，系統狀態變化所經歷程稱為絕熱過程。當絕熱過程是沒有功耗散現象的準靜態過程ln(pvγ)＝常量或pvγ=常量對于理想氣體，比熱比γ與等熵指數相等，所以pvκ=常量(4-1)式(4-1)即為無功耗散的準靜態絕熱過程的過程方程式。如圖4-4所示，在p-v圖上絕熱過程線是一條較定溫線為陡的高次雙曲根據絕熱過程的過程方程式(4-1)，并利用理想氣體狀態方pvκ=p1v＝常量有pvκ=(pv)vκ-1＝(RgT)vκ-1＝常量又按常量在絕熱過程中，系統和外界沒有熱量交換，因而根據能量方即絕熱過程中系統對外作的容積變化功乃是在比熱容取為定值時，按照熱力學能變化來計算系統所作的對于穩定流動的開口系統，若其工質的流動動因在絕熱過程中有pvκ=常量，故其微分為結果誤差較大，因而需采用比熱容隨溫度而變化的變比熱容進行pvκm＝常量于是，當過程的初始及終了溫度已知道時，只需求出平均比熱容及絕熱指數κm，即可借用上述定值比熱容情況下所得的各公式，把式中的κ代以κm的值，進行絕熱過程的各種計算。但這種方法是近似算法，有一定的誤差。此外，當終態的溫度不知道時需采用迭代法。即:先假定T2計算出κm，然后通過計算求出T2。若計算結果和原假定不符，則重新再取T2及κm，并計算T2。如此反復多次即可得到較準確的T2及κm。直接利用氣體熱力性質表，來確定過程的初上式等號左側為僅和壓力有關的函數，右側為僅和溫度有關的函數，因而它們反映了絕熱過程的狀態參數之間的關系。為了利用顯然，括號中兩項即為標準狀態熵的表達式，因而可把上式表示為對應的溫度，就可求取絕熱過程終了狀態的溫度或壓力。例如由p1及p2算出ln(p2/p1)，又由T1按表查得s1，從而算出s2在空氣的熱力性質表中還按溫度列出了pr的數值。pr稱為相p1pr1根據此式，便可利用空氣熱力性質表中pr與溫度T的對應關系計便可根據式(4-9)及p1、p2的數值算出pr2，再由表找到其所對應在空氣的熱力性質表中還按溫度列有vr的數值。vr稱為相對T2T1即vr也僅為溫度的函數。而按相對壓力的關系式(4-9)，上式經改寫后可以得到絕熱過程中空氣比體積和相對比體積間的關系式為v2vr2利用熱力性質表中vr的數據，應用類似由pr求p的方法在變比熱容情況下，絕熱過程中系統所作的容積變化功可直因而，只要利用熱力性質表中熱力學能u的值或利用比熱容的經驗公式即可求得w1-2。對于穩定流動的開口系統，按穩定流動能量方程式(2-8")，當工質的流動動能及重力位能的變化可忽略不式中焓的數值可根據熱力性質表查取。如無熱力性質表可查，則例4-1活塞式機器的氣缸中有1kg空氣，其壓℃。設空氣經一個準靜態絕熱過程膨脹到終了壓力0.1MPa，試求終態溫度和終態比體積以及空氣對外所作的容積膨脹功：(1)按定值比熱容計算；(2)解由附表1查得空氣的Rg＝0.2871kJ/(kg·K)。根據理想氣體狀態方=1.088m3/kg=378.8K=158.7kJ/kg+2.409kJ/(kg·K)＝1.947kJ/(kg·K)為求終態的比體積v2，查附表3得，當T1＝600K時，vr1＝105.8；T2=查附表3得：當T1＝600K時u1＝434.78kJ/kg；T2＝383K時u2＝273.86例4-2一臺燃氣輪機裝置，從大氣吸入溫度為17℃、壓力為0.1MPa的空氣，然后在壓氣機中進行絕熱壓縮，使空氣的壓力提高到0.9MPa。試求壓氣機消耗的軸功：(1)按定值比熱容計算；(2)按空氣熱力性質表計解按穩定流動過程的軸功計算公式，若不計壓氣機進口和出口空氣流動動能和重力位能的變化，絕熱過程中壓氣機的軸功可由式(4-13)求ws＝h1－h2＝cp0dT由附表1，空氣的比定壓熱容cp0＝1.004kJ/(kg·K)，κ=1.40，于是可=543.3K=-254.3kJ/kg由附表3，T1＝290K時，pr1＝1.2311。按相對壓力和氣體壓為求壓氣機的軸功，查附表3得，T1＝290K時h1＝290.16kJ/kg；T2=ws＝h1－h2＝290.16kJ/kg－544.14能量轉換裝置中工質所進行的各種熱力過程pvn＝p1v＝常量(4-14)式中n可以為任何常數。顯然，當n取不同的數值時，狀態參數的變化過程不同，而過程的性質也不同。因而式(4-14)代表了無窮多個性質不同的過程，這類過程統稱為多變過程，而指數n稱為實際上，前面幾節中所述四種典型過程均為多變過程當n=κ時，pvκ=常量，即為絕熱過程；圖4-5示出了四種典型過程在p-v圖及T-s圖上的位置，說明隨著n的變化，多變過程在圖上的位置也發生變化。除了前面各節討論中在圖上表示過的定容、定壓、定溫、絕熱四種過程的膨脹(或降壓)過程線，即圖4-5中由點1出發指向右下方的四個過程曲線外，在圖中也畫出了由點1出發的該四種過程的壓縮(或壓力升高)過程曲線，即指向左上方的四條過程曲線。能量轉換裝置中的熱力過程，大部分屬于上述兩組圖線范圍內的多變過程，也即n＞0的過程。而圖上陰影范圍以內的過程，即n＜0的多變過程根據多變過程方程式及理想氣體狀態方程式，可以得到比熱這里cn稱為多變比熱容，則和式(4-17)相對比便可得到多變比熱對于穩定流動的開口系統，若其工質的流動動-vdp＝npdv也就是說，在多變過程中(-vdp)的值為容積變化功pdv的n倍，因而可根據多變過程容積變化功的計算公式列出軸功的計算除通過計算公式確定任意一個多變過程中狀態量轉換關系外，還可利用多變過程的過程曲線在p-v圖及T-s圖上的特定位置來定性地分析說明多變過程的特性。例如某一個膨脹過程的多變指數在κ>n＞1的范圍內，則如圖4-6所示，該過程的過程曲線1-2應介于定溫過程(n＝1)曲線及絕熱過程(n=κ)曲線之間，且在點1右下方的區域內。于是按圖上該過程曲線的位反之，如已知某多變過程中系統的狀態變化特點關系，也可利用p-v圖及T-s圖確定該過程曲線所處的范圍。讀者利用圖解的辦法，當已知熱力過程中某些狀態的壓力和比體積的數值時，就可以確定多變指數n的數值。根據多變過程的過所以在lnp-lnv的坐標圖上，多變過程可表示為一條直線。又按多因而，當已知某些狀態的壓力和比體積時，可先把已知的各狀態點畫在lnp-lnv的坐標圖上，如圖4-7所示，并把它們連成一條直線，然后在直線如各已知點不在一條直線上，說明該過程不是多變過程，可以畫一條近似于該過程的直線或幾條直線組成的折線，于是就可當求出過程的多變指數n后，就可分析計算該過程的狀態變例4-3有一臺空氣壓縮機，壓縮前空氣的溫度為27℃、壓力為0.1消耗的功為1.166kJ。試求壓縮過程的多變解由附表1查得空氣的Rg＝0.2871kJ/(kg·K)，故得氣缸中空氣的質4-2定熵過程的過程方程式是否一定是pvκ=常量？4-4試根據p-v圖上四種基本熱力過程的過程曲線的位置，畫出自點14-5試根據T-s圖上四種基本熱力過程的過程曲線的位置，畫出自點14-1設氣缸中有0.1kg二氧化碳，其壓力為0.1MPa、溫度為27℃。如進行一個定壓過程，氣體對外作功3kJ。設比熱4-2有一氣缸，其中氮氣的壓力為0.15MPa、溫度為300K。如果按兩種不同的過程變化：(1)在定壓下溫度變化到450K；(2)在定溫下壓力下降到0.1MPa。然后在定容下變化到0.15MPa及450K。設比熱容為定值，4-3設氣缸中空氣的壓力為0.5MPa、溫度為600K，若經絕熱過程膨脹到0.1MPa，試求膨脹終了的溫度及比體積：(1)按定值比熱容計算；(2)4-4柴油機吸氣終了時氣缸中空氣的溫度為60℃、壓力為0.1MPa。為使壓縮終了時空氣溫度超過柴油的自燃溫度以使其著火，故要求壓縮終了的溫度至少為720℃。設比熱容為定值及壓縮過程的多變指數為1.45，試求柴油機的壓縮比(即壓縮過程初始容積和終了容積之比)，及壓縮終了的4-5有一臺內燃機，設其膨脹過程為多變過程，多變指數n＝1.3。已知燃氣的Rg＝287.1J/(kg·K)、cV0＝716J/(kg·K)。若膨脹開始時容積為12cm3、壓力為6.5MPa、溫度為1800℃,經膨脹過程其容積膨脹增至原容4-6有一臺壓氣機用于壓縮氮氣，使其壓力由0.1MPa提高至0.4MPa。設比熱容為定值及進氣溫度為300K，試求壓縮過程中消耗的容積變化功以及壓氣機消耗的軸功：(1)壓縮過程為絕熱過程；(2)壓縮過程為定4-7有一臺渦輪機，進入渦輪機的氦氣的壓力為0.84MPa，溫度為4-8有一臺內燃機的渦輪增壓器，在渦輪機進口處工質的壓力為0.2MPa、溫度為650℃,出口處壓力為0.1MPa。渦輪機所產生的功全部用于驅動壓氣機，在壓氣機入口處空氣的壓力為0.1MPa、溫度為27℃。設渦輪機及壓氣機中進行的過程為絕熱過程，并假設工質為空氣，試求渦輪機輸4-9有一儲氣罐，其容積為0.2m3，內儲氧氣的壓力為3MPa、溫度為20℃?，F因焊接用去了一些氧氣，罐內壓力降至2MPa。假設在用氣過程中儲氣罐和外界的熱交換可以忽略不計，試求用去氧氣的體積，并說明4-10氣缸中空氣的壓力為0.09MPa、溫度為17℃,經壓縮過程使空氣壓力升高到0.72MPa，溫度為207.1℃,試求該壓縮過程為多變過程時多4-11根據圖4-5所示p-v圖及T-s圖上自點1出發的四種基本熱力過程4-12測定比熱比γ的一種方法如下：用一個剛性容器，其中充以需測定的氣體，并使其壓力p1略高于環境壓力p0，而其溫度等于環境溫度T0。然后先放出一些氣體，使容器內壓力降低為p0，再放置于環境中使其溫度恢復為T0而壓力又升高為p2。測定p0、p1及p2的數值，并假定放熱過程進行的很快而容器內氣體基本上和外界沒有熱交換。這樣即可確定比熱比γ的4-13試證明:在T-s圖上，如圖4-9所示的理想氣體的任意兩條定壓過程曲線(或定容過程曲線)1-1'及2-2'兩者間的水平距1,2=Δs1',2'4-14試證明:在p-v圖上，如圖4-10所示的理想氣體的任意兩條絕熱 p1p1'=p2p2'4-15試證明:在T-s圖上，如圖4-11所示的理想氣體的任意兩條定壓過程曲線(或定容過程曲線)1-1'及2-2'的縱坐標之錯誤！未定義書簽。=4-16試證明當理想氣體的比熱容關系式為cp0＝a＋bT時，定熵過程中溫度和壓力T.[(a+bT)a]＝cp(Rga)4-17有一直立放置的氣缸，在活塞和重物作用下，氣缸中氮氣的壓力為0.5MPa、溫度為50℃。現突然從活塞上拿去一塊的作用降為0.2MPa，氣體發生膨脹推動活塞上升。設比熱容為定值，膨脹過程中氣體和外界的熱交