第4章氣體的熱力過(guò)程

1第四章

氣體的熱力過(guò)程4.1理想氣體的基本熱力過(guò)程4.2理想氣體熱力過(guò)程的功及熱量4.3壓氣機(jī)的熱力過(guò)程4.4水蒸氣的等壓過(guò)程及絕熱過(guò)程4.5絕熱節(jié)流4.6氣體在噴管內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程24.1理想氣體的基本熱力過(guò)程?目的

以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，分析可逆的基本熱力過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換、傳遞關(guān)系，揭示過(guò)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。?方法和手段

求出過(guò)程方程及計(jì)算各過(guò)程初終態(tài)參數(shù)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律及氣體性質(zhì)計(jì)算過(guò)程中功和熱。畫出過(guò)程p-v及T-s圖，分析過(guò)程中參數(shù)及能量關(guān)系?？捎玫墓?。1.研究熱力過(guò)程的目的、方法4.1.1氣體基本熱力過(guò)程32.基本熱力過(guò)程在logp-logV圖上有l(wèi)ogp=-nlnV+c常數(shù)=常數(shù)多變過(guò)程定壓過(guò)程定溫過(guò)程定熵過(guò)程定容過(guò)程44.1.2理想氣體多變過(guò)程1.過(guò)程方程★定容過(guò)程（v=常數(shù)）★定壓過(guò)程（p=常數(shù)）5★定溫過(guò)程★定熵(可逆絕熱)過(guò)程取定比熱容，積分

三式適用于：

理想氣體、定比熱、可逆絕熱過(guò)程。62.理想氣體的多變過(guò)程的熱力學(xué)能差、焓差和熵差定比熱容73.多變指數(shù)4.在p-v圖及T-s圖上表示斜率8★定容過(guò)程：★定壓過(guò)程：★定溫過(guò)程：

★定比熵過(guò)程（可逆絕熱）pvo.n=0n=1n=κn=±∞Tso.n=0n=1n=κn=±∞9★多變過(guò)程★更多關(guān)于T-s圖及p-v圖①

在p-v圖上確定T增大及s增大方向在T-s圖上確定p增大及v增大方向n↑n↑10利用特殊過(guò)程的特性，如利用過(guò)程的能量關(guān)系，如0pvo.n=0n=1n=κn=±∞Δu>0Δh>0Δs>0q>0w>0Δu>0Δh>0Δs>0q>0Tso.n=0n=1n=κn=±∞w>011②

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(guò)程等壓

c依據(jù)：a.T-s圖上過(guò)程下面積表示qb.qp=Δh，qv=Δua124.2理想氣體熱力過(guò)程的功及熱量

4.2.1理想氣體基本過(guò)程的膨脹功和技術(shù)功1.多變過(guò)程的膨脹功和技術(shù)功132.可逆絕熱過(guò)程的膨脹功和技術(shù)功14同樣153.定容過(guò)程的膨脹功和技術(shù)功4.定壓過(guò)程的膨脹功和技術(shù)功5.定溫過(guò)程的膨脹功和技術(shù)功164.2.2氣體熱力過(guò)程的熱量及多變過(guò)程的比熱容q=2.比熱容1.熱量174.2.3多變過(guò)程的能量關(guān)系膨脹，吸熱，壓縮,放熱膨脹，放熱，壓縮,吸熱A510144A410266A40115518壓縮氣體可用于：動(dòng)力機(jī)、風(fēng)動(dòng)工具、制冷工程、化學(xué)工業(yè)、潛水作業(yè)、醫(yī)療、休閑等。4.3壓氣機(jī)的熱力過(guò)程壓氣機(jī)分類:★按壓頭高低

通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)4.3.1概述19★按工作原理活塞式—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)壓氣機(jī)不是動(dòng)力機(jī)，壓氣機(jī)中進(jìn)行的過(guò)程不是循環(huán)204.3.2單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作原理1.工作原理0-1：吸氣，傳輸推動(dòng)功p1v12-3：排氣，傳輸推動(dòng)功p2v2壓氣機(jī)耗功：注意：壓氣機(jī)生產(chǎn)量通常用單位時(shí)間里生產(chǎn)氣體的標(biāo)準(zhǔn)立方米表示，不同于進(jìn)氣或排氣狀態(tài)。1-2：壓縮，耗外功21o12s..2T2n2.

理論耗功wC取決于初、終態(tài)及過(guò)程特征(1)絕熱壓縮(2)等溫壓縮(3)多變壓縮22討論：(1)理想壓縮是等溫壓縮

(2)通常為多變壓縮,1<n<κ

思考

自行車輪胎壓力通常應(yīng)維持在0.25MPa左右，用手動(dòng)打氣筒向輪胎充氣時(shí)用濕毛巾包在打氣筒外壁，會(huì)有什么后果？234.3.3余隙容積的影響1.余隙容積產(chǎn)生原因布置進(jìn)、排氣結(jié)構(gòu)制造公差部件熱膨脹幾個(gè)名詞：氣缸工作容積(活塞排量)Vh(=V1–V3)余隙容積Vc（=V3）有效吸氣容積Vef（=V1–V4）余隙容積比=Vc/Vh24生產(chǎn)過(guò)程：

1-2質(zhì)量m1氣體壓縮：p1p22-3氣體排向儲(chǔ)氣罐3-4氣體膨脹p2

p14-1氣體吸入氣缸生產(chǎn)量(每周期)：252.余隙容積對(duì)生產(chǎn)量的影響容積效率討論：確定一定263.余隙容積對(duì)理論耗功的影響27即余隙對(duì)生產(chǎn)1kg氣體理論耗功無(wú)影響

（實(shí)際上還是使耗功增大）。歸納：

余隙存在使1）生產(chǎn)量下降

2）實(shí)際耗功增大有害容積284.3.4多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻1.多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻分級(jí)壓縮，級(jí)間冷卻工程上需要高壓氣體，但壓縮過(guò)程中隨p升高T升高；V

下降。為使29o12aT.a3..nn22.理論耗功分析1n低壓缸ap中冷器3n高壓缸2每生產(chǎn)1kg壓縮氣體：令30推廣：若m級(jí)，則討論：(1)按選擇各級(jí)中間壓力，優(yōu)點(diǎn)：

a.各級(jí)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(shí)

各缸終溫中最高者，有利于潤(rùn)滑油工作及使可靠性增加。

c.各級(jí)散熱相同各中冷器散熱相等）31(3)若分級(jí)m，則趨于定溫壓縮但體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性下降，一般2-4級(jí)。(4)定溫效率(5)真空泵的實(shí)質(zhì)也是壓氣機(jī)，是出口壓力為恒值——環(huán)境壓力，進(jìn)氣壓力不斷降低的壓氣機(jī)。A455155o12aT.a3..nn2.....(2)分級(jí)增多，如4級(jí).2b324.3.5葉輪式壓氣機(jī)工作原理葉輪式壓氣機(jī)

轉(zhuǎn)速高；連續(xù)吸，排氣，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；排氣量大沒(méi)有余隙影響；但每級(jí)壓比不高。葉輪式壓氣機(jī)熱力學(xué)分析由于排量大，運(yùn)轉(zhuǎn)快，難冷卻，可作絕熱壓縮考慮。離心式壓氣機(jī)軸流式壓氣機(jī)33理論耗功實(shí)際耗功實(shí)際多耗功絕熱內(nèi)效率理想氣體A451177A453257344.4水蒸氣的等壓過(guò)程及絕熱過(guò)程4.4.1概述過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)確定——圖表或?qū)Ｓ贸绦蛴?jì)算。功、熱量的計(jì)算式：4.4.2定壓過(guò)程的熱量354.4.3定熵過(guò)程的功注意：水蒸氣絕熱過(guò)程可有其中為經(jīng)驗(yàn)數(shù)字過(guò)熱蒸汽飽和蒸汽濕蒸汽水蒸氣?A423155A423277364.5絕熱節(jié)流4.5.1絕熱節(jié)流定義：由于局部阻力，使流體壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：

1)p2<p1；

2)強(qiáng)烈不可逆，s2>s1,I=T0sg3)h1=h2，但并非等焓過(guò)程；

4)T2可能大于等于或小于T1

理想氣體T2=T1。374.5.2節(jié)流后的溫度變化

★

焦耳--湯姆遜系數(shù)（也稱節(jié)流微分效應(yīng)）取決于降溫升溫不變38★理想氣體節(jié)流過(guò)程★水蒸氣節(jié)流過(guò)程1）節(jié)流后溫度稍有下降2）但少作功作功能力損失？394.5.3節(jié)流現(xiàn)象的工程應(yīng)用氣體液化發(fā)動(dòng)機(jī)功率調(diào)節(jié)孔板流量計(jì)，干度計(jì)···

···利用μJ，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)際氣體微分方程熱網(wǎng)中蒸汽降壓A4501551A452155240

工程中有許多流動(dòng)問(wèn)題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，特別是噴管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換。4.6氣體在噴管內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程4.6.1簡(jiǎn)化穩(wěn)定、一維、可逆、絕熱參數(shù)取平均值411.連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）p1T1qm1cf1p2T2qm2cf24.6.2穩(wěn)定流動(dòng)基本方程2.過(guò)程方程注意，若水蒸氣，則423.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程忽略絕熱滯止理想氣體：定比熱容注意：高速飛行體需注意滯止后果，如飛機(jī)在–20℃的高空以

Ma=2飛行，其t0=182.6℃。43水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)4.聲速方程？注意：（1）聲速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

如空氣，（2）水蒸氣當(dāng)?shù)芈曀伲?）

馬赫數(shù)亞聲速聲速超聲速444.6.3噴管內(nèi)流速變化的條件

1.力學(xué)條件

氣體在噴管內(nèi)流速增加，是壓力差作用的結(jié)果，在流動(dòng)可逆絕熱條件下，導(dǎo)得力學(xué)條件討論：噴管（2）是壓降，是技術(shù)功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。的能量來(lái)源（1）異號(hào)452.幾何條件將過(guò)程方程代入力學(xué)條件，結(jié)合連續(xù)性方程可導(dǎo)得幾何條件討論：（1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對(duì)于噴管漸縮噴管漸擴(kuò)噴管漸縮漸擴(kuò)噴管46

截面上Ma=1、cf=c，稱臨界截面

[也稱喉部截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲俜Q臨界壓力、臨界溫度及臨界比體積。（2）

當(dāng)促使流速改變的壓力條件得到滿足的前提下：a.收縮噴管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）；

b.以低于當(dāng)?shù)匾羲倭魅霛u擴(kuò)噴管不可能使氣流可逆加速。

c.使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮漸擴(kuò)噴管

——拉伐爾噴管。47(3)背壓pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境的壓力。正確設(shè)計(jì)的噴管其出口截面上壓力p2等于壓pb，但非設(shè)計(jì)工況下p2未必等于

pb。歸納：

1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使流動(dòng)可逆必不可少的條件；5）p2未必等于背壓pb。2）氣流的焓差（即技術(shù)功）為氣流加速提供能量；3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?）拉伐爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?84.6.4噴管內(nèi)氣流流速及流量計(jì)算1.流速計(jì)算及分析

計(jì)算式注意：

(1)公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)；

(2)式中h，J/kg；cf，m/s，一般資料提供h，kJ/kg。2.流速分析p2/p0=1，cf2=0，p2/p0下降，cf2增大，到p2/p0=νcr，截面上cf=c，該截面稱臨界截面。此截面上壓力pcr與p0之比稱為臨界壓力比49討論：

（1）隨工質(zhì)而變理想氣體定比熱雙原子過(guò)熱水蒸氣濕蒸汽（3）幾何條件約束，臨界截面只可能發(fā)生在dA=0處，考慮到工程實(shí)際收縮噴管—出口截面縮放噴管—喉部截面（2）503.背壓pb對(duì)流速的影響

（1）收縮噴管

（2）縮放噴管不屬本課程范圍514.流量計(jì)算及分析

（1）計(jì)算式（2）流量分析

1)p2/p0=1，qm=0