第4章 氣體和蒸汽的基本熱力過程2016

第四章

氣體和蒸汽的基本熱力過程理想氣體的基本熱力過程

工質的膨脹能力是熱能轉變?yōu)闄C械能的最根本條件

允許工質膨脹的外界條件同樣非常重要

不同的過程表征著不同的外界條件分析1.熱力過程的研究目的：了解外部條件對熱能和機械能轉變的影響，以便通過有利的外部條件，合理地安排工質的熱力過程，達到提高熱能和機械能轉換效率的目的。熱力過程的研究目的和方法2.基本任務

（1）確定過程中工質狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律；（2）分析過程中的能量轉換關系。3.理論依據(jù)；（1）熱力學第一定律表達式；（2）理想氣體狀態(tài)方程式；（3）可逆過程的特征方程式。4.簡化處理方法：（1）假設過程為可逆過程；（2）將實際過程近似為有簡單規(guī)律的典型過程：

定容過程（constantvolumeprocess）

定壓過程（constantpressureprocess）

定溫過程（isothermalprocess）

可逆絕熱過程（reversibleadiabaticprocess）

5.研究內容：（1）根據(jù)過程特點，確定過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律——過程方程式；（2）確定狀態(tài)參數(shù)間的關系；（3）確定熱力學能的變化u，焓的變化h

；（4）將過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律表示在

p-vdiagram，T-sdiagram；（5）確定對外所作功量：膨脹功w，技術功wt

；（6）確定過程中的熱量q。

4-1可逆定容過程（1）過程方程式（2）初，終態(tài)參數(shù)間的關系（3）熱力學能，焓，熵的變化（4）p-v圖，T-s圖表示p-v圖：一條垂直于v軸的直線T-s圖：一條指數(shù)函數(shù)曲線p2’210vvT2’210s.v（5）功量的計算

膨脹功

技術功（6）熱量的計算定容過程中，吸收的熱量全部用于增加工質的熱力學能，因此溫度升高。定容過程中，工質的溫度和壓力升高后，做功能力得到提高，是熱變功的準備過程。4-2可逆定壓過程（1）過程方程式（2）初，終態(tài)參數(shù)間的關系（3）熱力學能，焓，熵的變化（4）p-v圖，T-s圖表示p2’10v2vpT2’210s.pvp-v圖：一條平行于v軸的直線T-s圖：一條指數(shù)函數(shù)曲線v對比（5）功量的計算

膨脹功

技術功（6）熱量的計算定壓過程中，氣體吸收的熱量等于其焓的增加，而熱能轉化的機械能全部用來維持工質流動。（1）過程方程式（2）初，終態(tài)參數(shù)間的關系（3）熱力學能，焓，熵的變化

4-3可逆定溫過程（4）p-v圖，T-s圖表示.p2’210vTT2’210sTp-v圖：一條等邊雙曲線T-s圖：一條平行于s軸的水平線（5）功量的計算

膨脹功

技術功

膨脹功和技術功的關系（6）熱量的計算思考對定溫過程，可否應用計算熱量。理想氣體定溫膨脹時，加入的熱量全部用于對外作功；反之，定溫壓縮時，外界所消耗的功量，全部轉變?yōu)闊?，并對外放出。T2’210sT?s（1）過程方程式推導

可逆絕熱過程理想氣體熵的微分式因此假設γ=常數(shù)

絕熱指數(shù)k

不考慮k隨溫度變化

k=1.67（單），k=1.40（雙）,k=1.29（多）clnln0=+=+vpvdvpdpgg

4-4可逆絕熱過程（2）初，終態(tài)參數(shù)間的關系（3）熱力學能，焓，熵的變化（4）p-v圖，T-s圖表示.p2’210vTsT2’210sTsp-v圖：一條高次雙曲線T-s圖：一條垂直于s軸的垂直線T對比（5）熱量的計算（6）功量的計算

膨脹功推導任何工質，任何絕熱過程理想氣體cv=常數(shù)的任何絕熱過程理想氣體的可逆絕熱過程

技術功推導任何工質，任何絕熱過程理想氣體cp=常數(shù)的任何可逆過程理想氣體的可逆絕熱過程

膨脹功和技術功的關系

絕熱過程中的技術功是膨脹功的k倍。

絕熱過程中，氣體與外界無熱量交換，過程功來自于工質本身的能量交換。（1）多變過程的定義及過程方程式

多變指數(shù)n是實數(shù)，理論上界于-∞～+∞之間，相應的過程為無窮多。不同的多變過程，n值不同四個基本過程是多變過程的特例

4-5可逆多變過程

多變指數(shù)n的計算對任意多變過程,根據(jù)過程方程式:積分上式:即:已知兩狀態(tài)點的(p1,v1),(p2,v2)

即可解n值。（2）多變過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律（3）熱力學能，焓，熵的變化（4）p-v圖，T-s圖表示

p-v圖

多變過程的斜率

四個基本熱力過程的斜率.p2’210vTsvp繪制空氣n=1.6的膨脹過程，判斷q,w,Δu的正負.p0v-∞n=kn=1n=0+∞n=1.6n=1.6膨脹過程確定n值確定過程的特點

多變過程線的分布規(guī)律從定容線出發(fā)：n值由-∞～0～1～k～+∞，按順時針方向增大T-s圖

多變過程的斜率多變比熱cn：

四個基本熱力過程的斜率繪制空氣n=1.6的膨脹過程，判斷q,w,Δu的正負T20s.pv2’1TsT20s.2’1n=kn=1n=0-∞+∞n=1.6n=1.6膨脹過程

多變過程線的分布規(guī)律從定容線出發(fā)：n值由-∞～0～1～k～+∞，按順時針方向增大從定熵線出發(fā)：cn值由0～cv～cp～∞，按順時針方向遞增（5）多變過程的功量

膨脹功

技術功（6）多變過程的熱量定溫過程時其它過程（7）坐標圖上多變過程特性的判定T20s.pv2’1Ts.p2’210vTsvp過程功的正負以定容線為界過程熱量的正負以定熵線為界理想氣體熱力學能，焓的增減以定溫線為界技術功的正負以定壓線為界將滿足下列要求的理想氣體多變過程表示在p-v圖和T-s圖上。（1）工質又升壓，又升溫，又放熱的過程。（2）工質又膨脹，又降溫，又放熱的過程。2.試分析多變指數(shù)在1<n<k范圍內的膨脹過程特點。思考題若上例改為n=1.1的多變過程，則各項結果又如何？思考題有一汽缸和活塞組成的系統(tǒng)，汽缸壁和活塞均由絕熱材料制成，活塞可在汽缸中無摩擦地自由移動。初始時活塞位于汽缸中間，A，B兩側各有1kg空氣,壓力均為0.45

MPa，溫度同為900K。現(xiàn)對A側冷卻水管通水冷卻，A側壓力逐漸降低。求：（1）壓力降低到0.3

MPa時，A，B兩側的體積是多少？（2）冷卻水從系統(tǒng)帶走的熱量是多少？（3）在p-v

圖、T-s

圖上大致表示兩側氣體進行的過程。按定值比熱容計算，且k=1.4,

cv=

0.717

kJ/(kg·K)

。例題12kg空氣分別經(jīng)過定溫膨脹和絕熱膨脹的可逆過程，從初態(tài)壓力為p1=9.807bar，t1=300oC膨脹到終態(tài)容積為初態(tài)容積的5倍。試計算不同過程中空氣的終態(tài)參數(shù)，對外界所作的功和交換的熱量，過程中熱力學能，焓和熵的變化量。設空氣的cp=1.004kJ/(kg.K)，R=0.287kJ/(kg.K)，K=1.4。例題2在T-s圖上用圖形面積表示某理想氣體可逆過程a→b的焓差ha-hb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qb）qp=Δh，qv=Δua例題34-6水蒸氣的基本熱力過程

水蒸氣的基本熱力過程：定容，定壓，定溫和絕熱過程。求解任務：（1）確定初，終態(tài)的參數(shù)；（2）確定過程中的熱量和功量。求解方法：查表，圖，根據(jù)專用方程用計算機計算求解步驟（1）根據(jù)初態(tài)的兩個參數(shù)，通常(p,t)/(p,x)/(t,x)，從表或圖中查出其它初態(tài)參數(shù)；（2）根據(jù)過程特征及一個終態(tài)參數(shù)確定終態(tài)，再從表或圖中查得其它終態(tài)參數(shù)；（3）根據(jù)初，終態(tài)參數(shù)計算q,u,h,w,wt

。求