1

第四章

理想氣體的熱力過程

Ideal

gas

thermodynamic

process一、研究熱力過程的目的1、實現(xiàn)預期的能量轉(zhuǎn)化，合理安排熱力過程，從而提高動力裝置的熱經(jīng)濟性。2、對確定的過程，也可預計熱、功多少§4–1

研究熱力過程的目的及一般方法3

2）解決的問題求出過程方程及計算各過程初終態(tài)參數(shù)。確定過程中功和熱轉(zhuǎn)化的數(shù)量關系。畫出過程的p-v圖及T-s圖，幫助直觀分析過程中

參數(shù)間關系及能量關系。計算過程中的內(nèi)能、焓、熵的變化3）方法和依據(jù)熱一律解析式，可逆過程理想氣體性質(zhì)4

二、

定壓、定容和定溫過程1、定容過程（v=常數(shù)）1）狀態(tài)參數(shù)間的關系2）熱力過程在坐標圖上表示5

3）Δu、

Δh和Δs定容過程4）求過程中的功量和熱量定容過程7

2、定壓過程（p=常數(shù)）1）狀態(tài)參數(shù)間的關系2）熱力過程在坐標圖上表示3）求Δu、

Δh和Δs4）求過程中的熱量和功量10

3、定溫過程1）狀態(tài)參數(shù)間的關系2）熱力過程在坐標圖上表示11

3）求Δu、

Δh和Δs12

4）求過程中的熱量和功量13

三、

等比熵（可逆絕熱）過程1、過程方程2、熱力過程在坐標圖上表示14

3、求Δu、

Δh和Δs15

4、w，wt和q或016

0六、變比熱絕熱過程功的計算1、查表2、用代替17

3、定義

比較（A）與（B）令18

四、

多變過程一、過程方程二、在p-v圖及T-s圖上表示n

n

19

三、Δu、Δh和Δs

20

四、w，wt和q21

q=五、比熱容22

六、多變指數(shù)23

七、多變過程的能量關系w/q：膨脹，吸熱，壓縮,放熱膨脹，放熱，壓縮,吸熱24

25

2、在T-s圖上用圖形面積表示Δu和Δh

例：ha-hb用什么面積表示?考慮過程等壓

c思考：若實際氣體，如何？依據(jù)：

a）T-s圖上過程下面積表示q

b）qp=Δh，qv=Δu

a

如圖，某種理想氣體有兩任意過程a-b和a-c，已知b，c在同一可逆絕熱線上，試問：Δuab和Δuac哪個大？解：（方法一）過b、c分別作等溫線（方法二）考慮過程b

c

某理想氣體經(jīng)歷4個過程，如T-s圖1）將各過程畫在p-v圖上；2）指出過程加熱或放熱，膨脹或壓縮。解：1-31-21-41-528

第四節(jié)

壓氣機的熱力過程29

壓縮氣體的用途：

動力機、風動工具、制冷工程、化學工業(yè)、潛水作業(yè)、

醫(yī)療、休閑等。概述30

壓氣機分類：

工作原理活塞式—壓頭高，流量小，

間隙生產(chǎn)葉輪式—壓頭低，流量大，連續(xù)生產(chǎn)

壓頭高低

通風機—表壓0.01MPa以下鼓風機—表壓0.1~0.3MPa壓氣機—表壓0.3MPa以上31

一、

單級活塞式壓氣機工作原理和理論耗功量一.工作原理f-1：吸氣，傳輸推動功p1v1

1-2：壓縮，耗外功2-g：排氣，傳輸推動功p2v2

壓氣機耗功：注意：壓氣機生產(chǎn)量通常用單位時間里生產(chǎn)氣體的標準

立方米表示，不同于進氣或排氣狀態(tài)。32

二.理論耗功所以wC取決于初、終態(tài)及

過程特征1.絕熱壓縮2.等溫壓縮3.多變壓縮33

討論：a）理想壓縮是

等溫壓縮

b）通常為多變壓縮,

1<n<k

思考題：

自行車壓力通常應維持在0.25MPa左右，用手動打氣筒向輪胎充氣時用濕毛巾包在打氣筒外壁，會有什么后果？

34

第五節(jié)

余隙容積的影響一.余隙容積—clearance

volume

原因：防止排氣時，活塞比與氣缸壁碰撞，引起事故。壓氣機余隙容積的存在，則余隙容積殘留氣體在工作中產(chǎn)生氣墊作用，增強壓氣機在運行中的平穩(wěn)性。必然存在：水蒸氣凝結(jié)，工質(zhì)溫度的不同余隙容積：空氣壓縮機在排氣時，活塞位于上死點位置，它和氣缸壁保留一部分空間，這些空間叫作余隙容積35

1-2質(zhì)量m1氣體壓縮：p1

p2

2-3氣體排向儲氣罐3-4氣體膨脹p2

p14-1氣體吸入氣缸生產(chǎn)量(每周期)：二.工作過程36

活塞排量Vh=V1–V3

余隙容積Vc=V3有效吸氣容積Ves=V1–V4

余隙容積比C=Vc/Vh三.余隙容積對生產(chǎn)量的影響1、幾個概念37

三.余隙容積對生產(chǎn)量的影響2、容積效率—volumetric

efficiency討論：38

四.余隙容積對理論耗功的影響39

第六節(jié)多級壓縮和級間冷卻

—multistage

compression

and

intervening

cooling

一.多級壓縮和中間冷卻降低排氣溫度，

節(jié)省功耗。增大容積效率是指氣體依次在幾個氣缸中連續(xù)壓縮，同時為了避免過高的溫度和減少氣體的比容以降低下一級所消耗的功，在前一級壓縮后，將氣體引入中間冷卻器進行定壓冷卻至初始溫度，然后進行下一級繼續(xù)壓縮，直到所需要的壓力為止。40

二.級間壓力確定1n低壓缸ap中冷器3n高壓缸2每生產(chǎn)1kg壓縮氣體：令時41

推廣：若m級，則討論：

1）按選擇各級中間壓力，優(yōu)點：

a）各級耗功相等（總耗功有利于曲軸平衡

b）各缸終溫相同

小于不如此分配時各缸終溫中最高者，有利于潤滑油工作及

使可靠性增加。

c）各級散熱相同各中冷器散熱相等）42

d）各缸按比例縮小

e）對提高整機容積效率

v有利2）若分級m

，則趨于定溫壓縮

但由于體積龐大，系統(tǒng)復雜，

可靠性下降一般2-4級

3）定溫效率—isothermal

efficiency4）真空泵(vacuum

pump)的實質(zhì)也是壓氣機，是出

口壓力為恒值—環(huán)境壓力，進氣壓力不斷降低的

壓氣機

壓氣機若已實現(xiàn)等溫壓縮，是否還有必要進行分級壓縮，中間冷卻，為什么？答：需要，雖然實現(xiàn)等溫壓縮后耗功最小，但若壓比過大，

V仍很小，分級后有助于提高

V，如圖。若以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa

=0.04計算單級壓縮二級壓縮例題：活塞式壓氣機把0.1MPa，298k的空氣加壓到2.5MP。試分別按單級壓縮和二級壓縮，中間冷卻，計算壓氣機容積效率及各缸終溫。已知解：單級壓縮二級壓縮，中間冷卻

例題：葉輪式壓縮機，氮氣進口參數(shù)p1=0.0972MPa，

t1=20℃，

出口壓力p2=311.11kPa，進口處氮氣流量

壓氣機絕熱效率

c,s=0.80，略去進出口動能差和位能差，求：1）壓氣機定熵壓縮的耗功量;2）實際耗功量;3）由于不可逆而多耗功

wt;4）若t0=20℃，求作功能力損失I。已知氮氣：解：1）2)3)4)例題：某大學實驗室需4.9MPa壓縮空氣源，據(jù)市場調(diào)查，目前市售活塞式壓氣機余容比葉輪式壓氣機絕熱效率

cs=0.85，試提出初步方案及必要的分析計算（已知T0=290K，p0=0.1MPa）。解：中間壓力及壓力比容積效率因為兩級壓氣機σ相同，n相同，所以

vL=

vH=0.861若一級壓縮，則若葉輪式壓氣機可以實施如此大之壓比，則所以，從以上數(shù)據(jù)（及另外儲氣筒容積）等分析，采用活塞式壓縮機兩級壓縮中間冷卻設計方案較合適。例題：0.5kmol某種單原子理想氣體，由25℃，2m3可逆絕熱膨脹到1atm，然后在此狀態(tài)的溫度下定溫可逆壓縮回到2m3。1）畫出各過程的p-v圖及T-s圖；2）計算整個過程的Q，W，ΔU，ΔH及ΔS。2）先求各狀態(tài)參數(shù)解：1）等溫過程：熱量=膨脹功=技術功放熱例題：封閉氣缸中氣體初態(tài)p1=8MPa，t1=1300℃，經(jīng)過可逆多變膨脹過程變化到終態(tài)p2=0.4MPa，t2=400℃。已知該氣體的氣體常數(shù)Rg=0.287kJ/(kg·K)，試判斷氣體在該過程中各是放熱還是吸熱的？[比熱容為常數(shù)，cV=0.716kJ/(kg·K)]解：1到2是可逆多變過程，對初，終態(tài)用理想氣體狀態(tài)方程式有所以多變指數(shù)多變過程膨脹功和熱量故是吸熱過程例題：一容積為0.15m3的儲氣罐內(nèi)有氧氣，初態(tài)溫度t1=38℃，壓力p1=0.55MPa，罐上裝有壓力控制閥，壓力超過0.7MPa時，閥門打開維持罐內(nèi)壓力為0.7MPa，對罐內(nèi)氧氣加熱，問：當罐中氧氣溫度為285℃時，對罐內(nèi)共加入多少熱量？[Rg=260J/(kg·K)；cV=657J/(kg·K)；cp=917J/(kg·K)]解：氧氣QV：因1到2為定體積過程，過程中m不變，所以Qp：2到3過程中氣體壓力不變，但質(zhì)量改變注意：本題也可以從基本能量方程著手，對2到3過程考慮流入-流出=內(nèi)增據(jù)質(zhì)量守恒且據(jù)平衡態(tài)he=h，則例題：試證明剛性絕熱容器的放氣過程中容器內(nèi)理想氣體的狀態(tài)參數(shù)服從：證