工程熱力學(xué)第四章理想氣體熱力過程

第四章理想氣體的熱力過程及氣體壓縮

1分析熱力過程的目的及一般方法

3多變過程的綜合分析

2理想氣體基本熱力過程4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響6多級(jí)壓縮及中間冷卻

本章基本知識(shí)點(diǎn)

熟練掌握定容、定壓、定溫、絕熱、多變過程中狀態(tài)參數(shù)p、v、T、u、h、s的計(jì)算，過程量Q、W的計(jì)算，以及上述過程p-v

、T-s圖上的表示。

分析對(duì)象:

閉口系統(tǒng)

過程性質(zhì):可逆過程過程特點(diǎn):

定容過程、定壓過程、定溫過程、絕熱(多變)過程§4-１分析熱力過程的目的及一般方法

一、研究熱力學(xué)過程的目的與方法內(nèi)容：以第一定律為基礎(chǔ)，理想氣體為工質(zhì)，分析可逆的基本熱力過程中能量轉(zhuǎn)換、傳遞關(guān)系，揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及熱量和功量的計(jì)算。目的：主要研究外部條件對(duì)熱功轉(zhuǎn)換的影響，提高熱力學(xué)過程的熱功轉(zhuǎn)換效率。利用外部條件,合理安排過程，形成最佳循環(huán)。對(duì)已確定的過程，進(jìn)行熱力計(jì)算。方法：1.求出過程方程。2.計(jì)算各過程初終態(tài)參數(shù)。3.畫出過程的p-v圖及T-s圖，直觀分析過程中參數(shù)間關(guān)系及能量關(guān)系。4.計(jì)算初終態(tài)參數(shù)下比熱力學(xué)能、比焓、比熵的變化量。5.根據(jù)第一定律及理想氣體性質(zhì)計(jì)算過程中功和熱。研究熱力學(xué)過程的依據(jù)：2．理想氣體3．可逆過程

1．第一定律穩(wěn)流二、熱力學(xué)過程中工質(zhì)參數(shù)變化值的計(jì)算適用條件：理想氣體、可逆過程

a.理想氣體內(nèi)能變化量

b.理想氣體焓的變化量

任何過程中都有下列計(jì)算式成立c.理想氣體熵的變化量強(qiáng)調(diào)!三、分析熱力學(xué)過程的步驟1．確定過程方程------該過程中參數(shù)變化關(guān)系5．計(jì)算w

,

wt,

q4．求3．用T-s

與p-v

圖表示2．根據(jù)以知參數(shù)及過程方程求未知參數(shù)

§4-2理想氣體基本熱力過程理想氣體的多變過程(Polytropicprocess)過程方程：n是常量，每一過程只有一n值=常數(shù)

多變過程(polytropicprocess)(isobaricprocess;constantpressureprocess)(isometricprocess;constantvolumeprocess)(isentropicprocess;reversibleadiabaticprocess)(isothermalprocess;constanttemperatureprocess)一、基本熱力過程(1)

當(dāng)n=0

(2)

當(dāng)n=1多變過程與基本過程的關(guān)系(3)

當(dāng)n=k

(4)

當(dāng)n=

基本過程是多變過程的特例pTsvnpTsv二、定壓、定容和定溫過程１、過程方程定容過程（v=常數(shù)）定壓過程（p=常數(shù)）定溫過程２、在p-v圖及T-s圖上表示定容過程：定壓過程：定溫過程：３、比熱容定容過程

定壓過程

定溫過程４、Δu、

Δh和Δs定容過程定壓過程定溫過程５、w、wt和q定容過程定壓過程定溫過程三、等比熵（可逆絕熱）過程１、過程方程取定比熱容，積分由推導(dǎo)過程，上述三式適用于：

理想氣體，定比熱，可逆絕熱過程。２、在p-v圖及T-s圖上表示nn３、比熱容４、Δu、Δh和Δs５、w，wt和q或00６、變比熱絕熱過程功的計(jì)算（1）、查表（2）、用代替理想氣體基本過程的

u,h,

s

內(nèi)能變化焓變化熵變化

狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關(guān)pTsv理想氣體基本過程的wpTsv理想氣體基本過程的wtpTsv理想氣體基本過程的qpTsvcp

的定義cv

的定義例4-1:質(zhì)量為4kg的空氣由初狀態(tài)p1＝0.4MPa、溫度t1=25℃，經(jīng)過下列不同過程膨脹到同一終態(tài)壓力p2=0.1Mpa：（1）定溫過程；（2）定熵過程。試計(jì)算這兩個(gè)過程中空氣對(duì)外作的膨脹功，所進(jìn)行的熱量交換、終態(tài)參數(shù)和空氣熵的變化。設(shè)空氣的比熱容為定值，且。解:終態(tài)溫度T2=T1=25+273=298K

膨脹功

熱量

熵變化（1）定溫過程（2）定熵過程

膨脹功熱量

熵變化終態(tài)溫度或§4-3多變過程的綜合分析

一、過程方程n是常量，每一過程有一n值二、初終態(tài)關(guān)系n(1)

當(dāng)n=0

(2)

當(dāng)n=1多變過程與基本過程的關(guān)系(3)

當(dāng)n=k

(4)

當(dāng)n=

基本過程是多變過程的特例pTsvnpTsv三、多變過程的p-v圖和T-s圖pvTsn=0n=±∞n=±∞n=0n=0n=0n=n=n=kn=n=1n=1n=1n=11<n<1<n<1<n<1<n<n=＋∞n=—∞n=—∞n=＋∞n<0n<0n<0n<0四、功量和熱量內(nèi)能變化量

焓的變化量體積功多變過程中技術(shù)功的計(jì)算容積功技術(shù)功熱量稱cn為多變過程的比熱容(n1)。即五、多變過程中熱量的計(jì)算斜率理想氣體基本過程的p-v,T-s圖上凸?下凹？sTvpppp斜率理想氣體基本過程的p-v,T-s圖上凸?下凹？sTvpppvvv斜率理想氣體基本過程的p-v,T-s圖上凸?下凹？sTvpppTvvTT理想氣體基本過程的p-v,T-s圖sTvpppsvvTTss理想氣體基本過程的p-v,T-s圖sTvpppvvTTssu在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpuT=u>0u>0w在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>0u,h,w,wt,q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u↑,h↑(T↑)

w↑(v↑)

wt↑(p↓)

q↑(s↑)q>0§4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功

壓氣機(jī)的作用生活中：自行車打氣。工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等壓力范圍通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)消耗外功使氣體壓縮升壓的設(shè)備統(tǒng)稱為壓氣機(jī)。壓氣機(jī)的定義(1）壓氣機(jī)按其產(chǎn)生壓縮氣體的壓力范圍,習(xí)慣上常分為：①通風(fēng)機(jī)（<0.01MPa）;②鼓風(fēng)機(jī)（0.01MPa<<0.3MPa）;③壓縮機(jī)（

>0.3MPa）。(2）按壓縮原理和結(jié)構(gòu)將壓氣機(jī)分為:

活塞式、葉輪式（離心式和軸流式）及引射式。壓氣機(jī)的分類離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖擴(kuò)壓管進(jìn)氣室進(jìn)氣口葉輪蝸殼出氣口出口擴(kuò)壓器主軸出口擴(kuò)壓器軸流式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖收縮器

靜葉片動(dòng)葉片擴(kuò)壓器機(jī)殼轉(zhuǎn)子止推軸承支撐軸承聯(lián)軸器軸端密封進(jìn)口導(dǎo)向葉片葉輪式壓氣機(jī)的壓氣過程1、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖空氣濾清器進(jìn)氣閥氣缸活塞散熱片排氣閥一、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作原理理論壓氣功(可逆過程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式壓氣機(jī)的壓氣過程技術(shù)功wtpva2、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬pvapva2、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬pvapva12、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬同14pva12、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬pva122、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬pva122、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬V１12abpVV2p202、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過程模擬V１12abpVV2p20二、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的理論耗功Wc

的計(jì)算進(jìn)氣氣體向活塞作功壓縮活塞向氣體作功排氣活塞向氣體作功(1)、特別快，來不及換熱。(2)、特別慢，熱全散走。(3)、實(shí)際壓氣過程是

可能的壓氣過程sTn三、定溫、定熵、多變壓縮消耗功基本能量方程各過程中壓氣機(jī)耗功都應(yīng)滿足基本能量方程可逆定溫壓縮定熵壓縮多變壓縮若工質(zhì)為理想氣體四、定溫、定熵、多變壓縮消耗理論功的比較pvTs12S2T12np2p12S2T2nabp2p1jmn結(jié)論：

三種壓氣過程的參數(shù)關(guān)系

三種壓氣過程功的計(jì)算最小重要啟示§4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響避免活塞與進(jìn)排氣閥碰撞，留有空隙余隙容積壓縮過程排氣，狀態(tài)未變殘留氣體膨脹進(jìn)新氣，狀態(tài)未變活塞式壓氣機(jī)的余隙影響活塞排量研究VC對(duì)耗功和產(chǎn)氣量的影響新氣量產(chǎn)氣量有效吸氣容積V=V１－V４V

h=V１－V3V4–V3V

c12nn4350pV

hV

一、有余隙的活塞式壓氣機(jī)的工作過程§4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響V=V１－V４V

h=V１－V3V4–V3V

e12nn4350pV實(shí)際進(jìn)入氣缸的氣體所占的體積余隙容積為活塞排量有余隙時(shí)的理論壓氣功為假定1—2及3—4兩過程的n相同，則二、余隙容積對(duì)理論壓氣功的影響

表明，不論有無余隙，壓縮單位質(zhì)量氣體所消耗的理論壓氣功相同。因?yàn)?對(duì)于1kg氣體

所以三、余隙對(duì)排氣量的影響

顯然，有效的吸氣容積小于活塞排量，降低了活塞排量的利用率。它用兩者的比值容積效率ηv()表示。是余隙與活塞排量的比值，稱為余隙比，所以上式可寫成由于式中，通常為0.03～0.08。四、增壓比對(duì)容積效率的影響在相同的余隙比時(shí)，提高增壓比，將減小容積效率，因此當(dāng)需要獲得較高壓力時(shí)，必須采用多級(jí)壓縮，而當(dāng)增壓比一定時(shí)，余隙比加大，也將使容積效率降低總之有余隙容積時(shí)雖然理論壓氣功不變，但進(jìn)氣量減少，氣缸容積不能充分利用，當(dāng)壓縮同量氣體p2p1V1340VVcVh時(shí)，必須采用氣缸較大的機(jī)器，而且這一有害的余隙影響還隨增壓比的增大而增加。所以應(yīng)該盡量減小余隙容積。

三種壓氣過程功的計(jì)算最小重要啟示低壓缸中間冷卻器高壓缸冷卻水§4-6多級(jí)壓縮及中間冷卻

多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻壓氣機(jī)裝置系統(tǒng)圖分級(jí)壓縮中間冷卻分級(jí)壓縮的級(jí)數(shù)省功分級(jí)降低出口溫度多級(jí)壓縮達(dá)到無窮多級(jí)(1)不可能實(shí)現(xiàn)(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜(成本高)所以，一般采用2~4

級(jí)壓縮T分級(jí)壓縮的其它好處

潤滑油要求t<160~180℃,