第四章理想氣體的熱力過程

第四章理想氣體的熱力過程第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

A.Itistodeterminethechangeinthepropertiesofworkingfluidduringaprocess;(在于確定在一個過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化量)

B.Itistodeterminetheamountofheat,

workinteractionbetweenthesystemanditssurroundingsduringaprocess.(確定在一個過程中系統(tǒng)與外界所交換的功量和熱量的多少)

2.本章研究的對象TheobjectofthischapterReversibleprocessesofIdealGasesinclosedsystems(閉口系統(tǒng)中理想氣體的可逆過程)1.本章的研究任務(wù)Thetaskofthischapter

第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五3.所采取的步驟TheproceduresadoptedPv=RT第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4.1BasicThermodynamicProcess

(4.1基本熱力過程)

等容過程Isochoric-----ConstantVolumeprocess

第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Foraconstantvolumeprocess,theadditionorremovalofheatwillleadtoachangeinthetemperatureandpressureofthegas,asshownonthetwographsabove.Substituteinto(1)過程方程(Processequation)第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五(2)內(nèi)能、焓及熵的變化量ThechangeinInternalEnergy,EnthalpyandEntropy

Theamountofheataddedtoaclosedsystemduringaconstantvolumeprocessequalstotheincreaseininternalenergy.

定容過程中加入閉口系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)的內(nèi)能的增加量第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五EntropyChange

TofindtheEntropychange,startwiththeexpressionderivedfromthefirstlaw,replacingdUusingthedefinitionofspecificheatatconstantvolumeandusingthedefinitionofentropy(3)WorkdoneandHeatTransferred(功量和熱量)Applyingthefirstlawofthermodynamicstotheprocess

ReplacingδWwiththereversibleworksincethevolumeisconstantdV=0

第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五usingthedefinitionofthespecificheatatconstantvolumetoreplacedUinthefirstlaw.Thetechnicalworkdone第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五2.等壓過程Isobaric-----ConstantPressure

第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五(1)過程方程ProcessequationForaconstantpressureprocess,theadditionorremovalofheatwillleadtoachangeinthetemperatureandvolumeofthegas,asshownonthetwographsabove.Substituteinto第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Theamountofheataddedtoaclosedsystemduringaconstantpressureprocessequalstotheincreaseinenthalpy.(2)內(nèi)能、焓及熵的變化量ThechangeinInternalEnergy,EnthalpyandEntropy第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Theamountofheataddedtoaclosedsystemduringaconstantpressureprocessequalstotheincreaseinenthalpy.（3）WorkdoneandHeatTransferred

第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Duringaconstantpressureprocess,heatisaddedorremovedandthetemperatureandvolumechanges.Thevolumeattheendoftheprocesscanbefoundusingtheidealgaslawandtheworkcalculatedfrom第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五3.等溫壓縮和膨脹

IsothermalCompressionandExpansion第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Foraconstanttemperatureprocess,theadditionorremovalofheatwillleadtoachangeinthevolumeandpressureofthegas,asshownonthetwographsabove.Substituteinto

(1)過程方程(Processequation)第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五(2)內(nèi)能、焓及熵的變化量

ThechangeinInternalEnergy,EnthalpyandEntropy

第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五(3)功量和熱量WorkDoneandHeatTransferred

Inanisothermalprocess,thetemperatureisconstant.Applyingthefirstlawofthermodynamicstothisclosedprocess

Foranidealgas,theinternalenergyisafunctionoftemperatureonly,andsincethetemperatureisconstant,thendUiszeroand第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

usingtheidealgaslawandintegratingbetweenthestartandendoftheprocess

Duringanisothermalprocess,theworkdonebythesystemisequaltotheheataddedtothesystem,andalltheworkistechnicallyusable.第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4.絕熱過程AdiabaticProcess第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五(1)

Processequation(過程方程)or

Quasi-static,adiabaticprocessforanidealgasδq=cvdT+pdvandδq=cpdT–vdpthencvdT=-pdvandcpdT=vdptherefore

thenfinally,wearriveattheveryusefulexpressionfromwhichitcanalsobeshownthator

第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Whenthetemperaturesatthestartandendoftheprocessareknown,thepressureiscalculatedfrom(2)ThechangeinInternalEnergy,EnthalpyandEntropy(內(nèi)能、焓及熵的變化量）EntropyChangeThereisnoheattransfertoorfromthegasandtheprocessisreversiblesothat第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Whenthetemperaturesatthestartandendoftheprocessareknown,theworkdoneiscalculatedfrom(3)WorkDoneandHeatTransferred(功量和熱量)

第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五5.多變過程

PolytropicProcessManyprocessescanbeapproximatedbythelaw:

where,

PPressure,

vVolume,

nanindexdependingontheprocesstype.

第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五n=0,resultsinP=constanti.e.isobaricprocess.n=infinity,resultsinv=constanti.e.isochoricprocess.n=1,resultsinPv=constant,whichisanisothermalprocessforaperfectgas.n=k,whichisareversibleadiabaticprocessforaperfectgas.

Polytropicprocessesareinternallyreversible.Someexamplesarevaporsandidealgasinmanynon-flowprocesses,suchas:第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Somepolytropicprocessesareshowninfigurebelow:

Theinitialstateofworkingfluidisshownbypoint0ontheP-Vdiagram.Thepolytropicstatechangesare:0to1=constantpressureheating,0to2=constantvolumeheating,0to3=reversibleadiabaticcompression,0to4=isothermalcompression,0to5=constantpressurecooling,0to6=constantvolumecooling,0to7=reversibleadiabaticexpansion,0to8=isothermalexpansion.第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Whenthetemperaturesatthestartandendoftheprocessareknown,thepressureiscalculatedfrom(2)內(nèi)能、焓及熵的變化量ThechangeinInternalEnergy,EnthalpyandEntropyEntropyChangeThereisnoheattransfertoorfromthegasandtheprocessisreversiblesothat第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Whenthetemperaturesatthestartandendoftheprocessareknown,theworkdoneiscalculatedfrom(3)WorkDoneandHeatTransferred(功量和熱量)

第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五29

第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4.3活塞式壓氣機的工作過程WorkingProcessofgaspistoncompressor第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Theoreticalprocessesofsingle-stagedpistoncompressor(理想單級活塞式壓氣機的工作原理)

第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

lettheinitialpressureofthegasis

(令氣體初態(tài)壓力為)

thefinalpressureis(終態(tài)壓力為)，

pressureratiois(升壓比)

（1）b-1:chargestroke(吸氣沖程)，吸氣量增大，吸入氣體的狀態(tài)（P,T)不變;(3)2-a:dischargeprocess(排氣過程),

氣缸內(nèi)的氣體減少，氣體狀態(tài)不變化

(2)1-2:compressionstroke(壓縮沖程)，

吸氣量不變，壓力升高.第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五2.Analysisontheoreticalworkconsumedbytheseprocesses(壓氣機的理論耗功量分析)

取活塞右行一次的吸氣量為控制質(zhì)量，并忽略動能差及位能差進行分析。

吸氣過程：氣體推動活塞移動，做推擠功；

壓縮過程：氣體向活塞做膨脹功

排氣過程：氣體向活塞做推擠功

第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五壓縮過程功:指1-2，閉口系的膨脹功，是可逆過程；壓氣機耗功：指a-1-2-b,全過程是開口系，包括流動功。氣體在全過程中所做的總功為：3.三種不同壓縮過程的比較(Comparisonofthreekindsofcompressionprocesses)

Adiabaticprocess(絕熱過程)：壓縮過程進行的很快，熱量來不及釋放；

Isothermalprocess(等溫過程)：壓縮過程中，理想的冷卻條件，壓縮產(chǎn)生的熱量可及時排出；

Polytropicprocess(多變過程)：采用了一定的冷卻措施，但壓縮期間,溫度仍繼續(xù)升高。

第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五(1)Workconsumption(耗功量）Ifitisisothermalcompression,then若壓縮過程為可逆定溫過程，則：Ifitisisentropiccompression,then若壓縮過程為可逆絕熱壓縮，則:第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Ifitispolytropiccompression,then

若壓縮過程為可逆多變過程，則:（2）DischargeTemperature(排氣溫度）第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4.余隙容積的影響Theinfluenceofresidualvolumeofinter-space.

（1）Theinfluenceondischargevolume(對排氣量的影響）ResidualVolume(余隙容積）：V3Wenotethatifthepressureratioistoohigh,thenitcannotworknormally.(壓縮壓力不能太高，壓力升高，效率下降，在極限情況下容積效率可達零）第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Thedischargevolumewilldecrease.(余隙存在將使排氣量減少）（2）Theinfluenceoncompressionwork（對耗功量的影響）Thereisnoinfluenceoncompressionwork.(對耗功量無影響)

LetthenVolumeefficiencyisdefinedas

第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Multistagecompressionwithintercoolerisespeciallyattractivewhenagasistobecompressedtoveryhighpressures.1.twostagecompression（兩級壓縮）intercooler4.4MultistageCompressionwithinter-cooling（多級壓縮、中間冷卻）第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五Assumedthatthecompressionprocess1-2and3-4arewiththesamepolytropicindexn(假設(shè)1-2和3-4的多變指數(shù)相等。)

Assumed(假設(shè))Tominimizethetotalcompressionwork,theoptimalpressureratiocanbedeterminedby

(為了使壓縮過程的耗功量最小,可以采用如下方法確定最佳中間壓力）Weobtain第四十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五

Thatis,tominimizethecompressionworkduringtwostagecompression,thepressureratioacrosseachstageofthecompressormustbethesame.

（各級壓縮比都相等時多級壓縮最省功。）

Whenthisconditionissatisfied,thecompressionworkateachstagebecomesidentical.

(當滿足上述條件時，每一級壓縮的耗功量都相等）第四十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五2.Z-StageCompression(n級壓縮）Optimalcompressionrati