理想氣體基本熱力過程

1、理想氣體的基本熱力過程熱力設(shè)備中，熱能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，通常是通過氣態(tài)工質(zhì)的吸熱、膨脹、放熱、壓縮等熱力過程來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的熱力過程都很復(fù)雜，而且?guī)缀醵际欠瞧胶狻⒎强赡娴倪^程。但若仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，某些常見過程非常近似一些簡單的可逆過程。常見的主要有四種簡單可逆過程-基本熱力過程，指系統(tǒng)某一狀態(tài)參數(shù)保持不變的可逆過程。包括定容過程、定壓過程、定溫過程和絕熱過程。我們以1kg理想氣體的閉口系統(tǒng)為例來分析這幾種基本熱力過程，分析方法包括5點(diǎn)：（1）依據(jù)過程特點(diǎn)建立過程方程式；（2）由過程方程和理想氣體狀態(tài)方程確定初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，即P1、v1、T1和P2、v2、T2之間的關(guān)系；（3）

2、繪制過程曲線；我們主要繪制兩種坐標(biāo)圖P-v圖和T-s圖，因?yàn)镻-v圖上可以表示過程中做功量的多少，而T-s圖上可以表示過程中吸收或放出熱量的多少；（4）分析計(jì)算u，h，s；（5）分析計(jì)算過程的熱量q和功w。一、定容過程定容過程即工質(zhì)的容積在整個(gè)過程中維持不變，dv=0，通常是一定量的氣體在剛性容器中進(jìn)行定容加熱或定容放熱。（1）依據(jù)過程特點(diǎn)建立過程方程式定容過程的特點(diǎn)是體積保持不變，所以建立過程方程式：v=常數(shù)；或dv=0或v1=v2（2）由過程方程和理想氣體狀態(tài)方程確定初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系過程方程式：v1=v2理想氣體狀態(tài)方程：由以上兩個(gè)方程可以得到初末基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系：即定

3、容過程中工質(zhì)的壓力與溫度成正比。（3）繪制過程曲線；定容過程有兩種情況：定容加熱和定容放熱。（4）分析計(jì)算u，h，s；或（5）分析計(jì)算過程的熱量q和功w。容積變化功：根據(jù)q=u+w可得：總結(jié)：定容過程中系統(tǒng)與外界無容積變化功，加給工質(zhì)的熱量全部用于增加工質(zhì)的熱力學(xué)能，而沒有熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。二、定壓過程定壓過程即工質(zhì)的壓力在整個(gè)過程中維持不變，dP=0，工程上使用的加熱器、冷卻器、燃燒器、鍋爐等設(shè)備都是在接近定壓的情況下工作的。（1）依據(jù)過程特點(diǎn)建立過程方程式定壓過程的特點(diǎn)是壓力保持不變，所以建立過程方程式：P=常數(shù)；或dP=0或P1=P2（2）由過程方程和理想氣體狀態(tài)方程確定初、終態(tài)基本狀

4、態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系過程方程式：P1=P2理想氣體狀態(tài)方程：由以上兩個(gè)方程可以得到初末基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系：即定壓過程中工質(zhì)的比容與溫度成正比。（3）繪制過程曲線；定壓過程有兩種情況：定壓加熱和定壓放熱。T-s圖上曲線是對數(shù)曲線，從上圖可知，定容過程與定壓過程在T-s圖上都是對數(shù)曲線，但定壓線的斜率小，更為平坦。（4）分析計(jì)算u，h，s；或（5）分析計(jì)算過程的熱量q和功w。容積變化功：根據(jù)q=u+w可得：總結(jié)：工質(zhì)在定壓過程中吸入的熱量等于焓的增加量，放出的熱量等于焓的降低量。三、定溫過程定溫過程即工質(zhì)的溫度在整個(gè)過程中維持不變，dT=0。（1）依據(jù)過程特點(diǎn)建立過程方程式定溫過程的特點(diǎn)是溫度保持

5、不變，所以建立過程方程式：T=常數(shù)；或dT=0或T1=T2（2）由過程方程和理想氣體狀態(tài)方程確定初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系過程方程式：T1=T2理想氣體狀態(tài)方程：由以上兩個(gè)方程可以得到初末基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系：即定溫過程中工質(zhì)的壓力與比容成反比。（3）繪制過程曲線；定容過程有兩種情況：定容加熱和定容放熱。（4）分析計(jì)算u，h，s；或（5）分析計(jì)算過程的熱量q和功w。容積變化功：根據(jù)q=u+w可得：總結(jié)：定溫過程中內(nèi)能變化為零，吸熱量全部用于對外做膨脹功。四、絕熱過程絕熱過程是指與外界無熱量交換的過程，即或q=0；（1）依據(jù)過程特點(diǎn)建立過程方程式或q=0另外根據(jù)得到：ds=0即可逆的絕熱過

6、程是熵不變的過程，定熵過程?，F(xiàn)實(shí)中嚴(yán)格的絕熱過程是不存在的，但當(dāng)過程進(jìn)行的無限快時(shí)，工質(zhì)與外界來不及換熱，這種過程可近似認(rèn)為是絕熱的。絕熱過程的過程方程式有另外一種表達(dá)方式：其中，是比熱容比，又叫絕熱指數(shù)，當(dāng)比熱取定值比熱時(shí)，k是與狀態(tài)無關(guān)的常數(shù)。（2）由過程方程和理想氣體狀態(tài)方程確定初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系過程方程式：理想氣體狀態(tài)方程：由以上兩個(gè)方程可以得到初末基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系：（3）繪制過程曲線；定容過程有兩種情況：定容加熱和定容放熱。（4）分析計(jì)算u，h，s；（5）分析計(jì)算過程的熱量q和功w。絕熱過程q=0；根據(jù)q=u+w得：w=-u=絕熱（定熵）過程是內(nèi)能與膨脹功之間的轉(zhuǎn)換

7、。多變過程前面我們討論的幾種基本熱力過程，定容、定壓、定溫和絕熱，都會(huì)有一個(gè)參數(shù)保持不變，要么是體積，要么是壓力、溫度或熵。但在實(shí)際熱機(jī)中，有些過程，工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)都會(huì)有顯著的變化，即PVT沒有一個(gè)是恒定不變的，而且工質(zhì)與外界之間的換熱量也不可以忽略不計(jì)，即s也是變化的非絕熱過程。這時(shí)，我們就不能將實(shí)際過程簡化為上述幾種基本熱力過程。但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)過程的P-v關(guān)系曲線往往比較接近指數(shù)方程式，即熱力學(xué)中個(gè)，熱力過程符合該式的變化過程稱做多變過程。其中，n為多變指數(shù)，取值在（-，）之間。n為定值。實(shí)際的熱力過程往往非常復(fù)雜，主要有兩種情況：（1）整個(gè)過程并不完全符合，但整個(gè)過程中n值變化不大

8、，比如：前半段過程符合，中間段過程符合，后半段過程符合，那么我們可以用一個(gè)不變的n的平均值來代替實(shí)際中變化的n。（2）n的變化較大時(shí)，則將熱力過程分成幾段，每一段作為一個(gè)n不變的簡單的多變過程。我們對于多變過程的分析，同樣有前面的5項(xiàng)內(nèi)容。（1）依據(jù)過程特點(diǎn)建立過程方程式多變過程的過程方程式為：這個(gè)方程式比較具有普遍性，將n取不同的值，它可以代表前面我們講的四種基本熱力過程中的任意一種。定壓過程：n=0定容過程：n=±定溫過程：n=1絕熱過程：n=k（2）由過程方程和理想氣體狀態(tài)方程確定初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系過程方程式：理想氣體狀態(tài)方程：由以上兩個(gè)方程可以得到初末基本狀態(tài)參數(shù)

9、之間的關(guān)系：（3）繪制過程曲線；在P-v圖和T-s圖上，可逆的多變過程是一條任意的雙曲線，過程線的相對位置取決于n的值，我們先把前面講的四種基本熱力過程的過程曲線畫在圖上，然后再找n值不同時(shí)的曲線。P-v圖和T-s圖上都以定容線為分界線，多變指數(shù)n按順時(shí)針方向遞增。在熱機(jī)和制冷、熱泵循環(huán)中，最常遇到的過程是介于1<n<k之間，即大多數(shù)的實(shí)際熱力過程介于定溫和絕熱過程之間。（4）分析計(jì)算u，h，s；或或（5）分析計(jì)算過程的熱量q和功w。其中稱為多變比熱根據(jù)根據(jù)q=u+w得：w=q-u= 過程曲線比較重要的一個(gè)作用是判斷過程中u、w、q的正負(fù)。1、判斷u的正負(fù)以定溫線為界，在T-s圖上，任何同一起點(diǎn)的多變過程，若變化曲線位于定溫線上方，則u為正，若變化過程曲線位于定溫線下方，則u為負(fù)。在P-v圖上，任何同一起點(diǎn)的多變過程，若變化曲線位于定溫線右上方，則u為正，若變化曲線位于定溫線左下方，則u為負(fù)。2、判斷w的正負(fù)以定容線為界，在T-s圖上，任何同一起點(diǎn)的多變過程，若變化曲線位于定容線右下方，則w為正，若變化過程曲線位于定容線左上方，則w為負(fù)。在P-v圖上，任何同一起點(diǎn)的多變過程，若變化曲線位于定容線右方