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第四章

理想氣體的熱力過(guò)程

Ideal

gas

thermodynamic

process一、研究熱力過(guò)程的目的1、實(shí)現(xiàn)預(yù)期的能量轉(zhuǎn)化，合理安排熱力過(guò)程，從而提高動(dòng)力裝置的熱經(jīng)濟(jì)性。2、對(duì)確定的過(guò)程，也可預(yù)計(jì)熱、功多少§4–1

研究熱力過(guò)程的目的及一般方法3

2）解決的問(wèn)題求出過(guò)程方程及計(jì)算各過(guò)程初終態(tài)參數(shù)。確定過(guò)程中功和熱轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系。畫(huà)出過(guò)程的p-v圖及T-s圖，幫助直觀分析過(guò)程中

參數(shù)間關(guān)系及能量關(guān)系。計(jì)算過(guò)程中的內(nèi)能、焓、熵的變化3）方法和依據(jù)熱一律解析式，可逆過(guò)程理想氣體性質(zhì)4

二、

定壓、定容和定溫過(guò)程1、定容過(guò)程（v=常數(shù)）1）狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系2）熱力過(guò)程在坐標(biāo)圖上表示5

3）Δu、

Δh和Δs定容過(guò)程4）求過(guò)程中的功量和熱量定容過(guò)程7

2、定壓過(guò)程（p=常數(shù)）1）狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系2）熱力過(guò)程在坐標(biāo)圖上表示3）求Δu、

Δh和Δs4）求過(guò)程中的熱量和功量10

3、定溫過(guò)程1）狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系2）熱力過(guò)程在坐標(biāo)圖上表示11

3）求Δu、

Δh和Δs12

4）求過(guò)程中的熱量和功量13

三、

等比熵（可逆絕熱）過(guò)程1、過(guò)程方程2、熱力過(guò)程在坐標(biāo)圖上表示14

3、求Δu、

Δh和Δs15

4、w，wt和q或016

0六、變比熱絕熱過(guò)程功的計(jì)算1、查表2、用代替17

3、定義

比較（A）與（B）令18

四、

多變過(guò)程一、過(guò)程方程二、在p-v圖及T-s圖上表示n

n

19

三、Δu、Δh和Δs

20

四、w，wt和q21

q=五、比熱容22

六、多變指數(shù)23

七、多變過(guò)程的能量關(guān)系w/q：膨脹，吸熱，壓縮,放熱膨脹，放熱，壓縮,吸熱24

25

2、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思考：若實(shí)際氣體，如何？依據(jù)：

a）T-s圖上過(guò)程下面積表示q

b）qp=Δh，qv=Δu

a

如圖，某種理想氣體有兩任意過(guò)程a-b和a-c，已知b，c在同一可逆絕熱線上，試問(wèn)：Δuab和Δuac哪個(gè)大？解：（方法一）過(guò)b、c分別作等溫線（方法二）考慮過(guò)程b

c

某理想氣體經(jīng)歷4個(gè)過(guò)程，如T-s圖1）將各過(guò)程畫(huà)在p-v圖上；2）指出過(guò)程加熱或放熱，膨脹或壓縮。解：1-31-21-41-528

第四節(jié)

壓氣機(jī)的熱力過(guò)程29

壓縮氣體的用途：

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。概述30

壓氣機(jī)分類：

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)

壓頭高低

通風(fēng)機(jī)—表壓0.01MPa以下鼓風(fēng)機(jī)—表壓0.1~0.3MPa壓氣機(jī)—表壓0.3MPa以上31

一、

單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作原理和理論耗功量一.工作原理f-1：吸氣，傳輸推動(dòng)功p1v1

1-2：壓縮，耗外功2-g：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)。32

二.理論耗功所以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33

討論：a）理想壓縮是

等溫壓縮

b）通常為多變壓縮,

1<n<k

思考題：

自行車(chē)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？

34

第五節(jié)

余隙容積的影響一.余隙容積—clearance

volume

原因：防止排氣時(shí)，活塞比與氣缸壁碰撞，引起事故。壓氣機(jī)余隙容積的存在，則余隙容積殘留氣體在工作中產(chǎn)生氣墊作用，增強(qiáng)壓氣機(jī)在運(yùn)行中的平穩(wěn)性。必然存在：水蒸氣凝結(jié)，工質(zhì)溫度的不同余隙容積：空氣壓縮機(jī)在排氣時(shí)，活塞位于上死點(diǎn)位置，它和氣缸壁保留一部分空間，這些空間叫作余隙容積35

1-2質(zhì)量m1氣體壓縮：p1

p2

2-3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)：二.工作過(guò)程36

活塞排量Vh=V1–V3

余隙容積Vc=V3有效吸氣容積Ves=V1–V4

余隙容積比C=Vc/Vh三.余隙容積對(duì)生產(chǎn)量的影響1、幾個(gè)概念37

三.余隙容積對(duì)生產(chǎn)量的影響2、容積效率—volumetric

efficiency討論：38

四.余隙容積對(duì)理論耗功的影響39

第六節(jié)多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻

—multistage

compression

and

intervening

cooling

一.多級(jí)壓縮和中間冷卻降低排氣溫度，

節(jié)省功耗。增大容積效率是指氣體依次在幾個(gè)氣缸中連續(xù)壓縮，同時(shí)為了避免過(guò)高的溫度和減少氣體的比容以降低下一級(jí)所消耗的功，在前一級(jí)壓縮后，將氣體引入中間冷卻器進(jìn)行定壓冷卻至初始溫度，然后進(jìn)行下一級(jí)繼續(xù)壓縮，直到所需要的壓力為止。40

二.級(jí)間壓力確定1n低壓缸ap中冷器3n高壓缸2每生產(chǎn)1kg壓縮氣體：令時(shí)41

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）42

d）各缸按比例縮小

e）對(duì)提高整機(jī)容積效率

v有利2）若分級(jí)m

，則趨于定溫壓縮

但由于體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，

可靠性下降一般2-4級(jí)

3）定溫效率—isothermal

efficiency4）真空泵(vacuum

pump)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)

壓氣機(jī)若已實(shí)現(xiàn)等溫壓縮，是否還有必要進(jìn)行分級(jí)壓縮，中間冷卻，為什么？答：需要，雖然實(shí)現(xiàn)等溫壓縮后耗功最小，但若壓比過(guò)大，

V仍很小，分級(jí)后有助于提高

V，如圖。若以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa

=0.04計(jì)算單級(jí)壓縮二級(jí)壓縮例題：活塞式壓氣機(jī)把0.1MPa，298k的空氣加壓到2.5MP。試分別按單級(jí)壓縮和二級(jí)壓縮，中間冷卻，計(jì)算壓氣機(jī)容積效率及各缸終溫。已知解：?jiǎn)渭?jí)壓縮二級(jí)壓縮，中間冷卻

例題：葉輪式壓縮機(jī)，氮?dú)膺M(jìn)口參數(shù)p1=0.0972MPa，

t1=20℃，

出口壓力p2=311.11kPa，進(jìn)口處氮?dú)饬髁?/p>

壓氣機(jī)絕熱效率

c,s=0.80，略去進(jìn)出口動(dòng)能差和位能差，求：1）壓氣機(jī)定熵壓縮的耗功量;2）實(shí)際耗功量;3）由于不可逆而多耗功

wt;4）若t0=20℃，求作功能力損失I。已知氮?dú)猓航猓?）2)3)4)例題：某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室需4.9MPa壓縮空氣源，據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前市售活塞式壓氣機(jī)余容比葉輪式壓氣機(jī)絕熱效率

cs=0.85，試提出初步方案及必要的分析計(jì)算（已知T0=290K，p0=0.1MPa）。解：中間壓力及壓力比容積效率因?yàn)閮杉?jí)壓氣機(jī)σ相同，n相同，所以

vL=

vH=0.861若一級(jí)壓縮，則若葉輪式壓氣機(jī)可以實(shí)施如此大之壓比，則所以，從以上數(shù)據(jù)（及另外儲(chǔ)氣筒容積）等分析，采用活塞式壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮中間冷卻設(shè)計(jì)方案較合適。例題：0.5kmol某種單原子理想氣體，由25℃，2m3可逆絕熱膨脹到1atm，然后在此狀態(tài)的溫度下定溫可逆壓縮回到2m3。1）畫(huà)出各過(guò)程的p-v圖及T-s圖；2）計(jì)算整個(gè)過(guò)程的Q，W，ΔU，ΔH及ΔS。2）先求各狀態(tài)參數(shù)解：1）等溫過(guò)程：熱量=膨脹功=技術(shù)功放熱例題：封閉氣缸中氣體初態(tài)p1=8MPa，t1=1300℃，經(jīng)過(guò)可逆多變膨脹過(guò)程變化到終態(tài)p2=0.4MPa，t2=400℃。已知該氣體的氣體常數(shù)Rg=0.287kJ/(kg·K)，試判斷氣體在該過(guò)程中各是放熱還是吸熱的？[比熱容為常數(shù)，cV=0.716kJ/(kg·K)]解：1到2是可逆多變過(guò)程，對(duì)初，終態(tài)用理想氣體狀態(tài)方程式有所以多變指數(shù)多變過(guò)程膨脹功和熱量故是吸熱過(guò)程例題：一容積為0.15m3的儲(chǔ)氣罐內(nèi)有氧氣，初態(tài)溫度t1=38℃，壓力p1=0.55MPa，罐上裝有壓力控制閥，壓力超過(guò)0.7MPa時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)維持罐內(nèi)壓力為0.7MPa，對(duì)罐內(nèi)氧氣加熱，問(wèn)：當(dāng)罐中氧氣溫度為285℃時(shí)，對(duì)罐內(nèi)共加入多少熱量？[Rg=260J/(kg·K)；cV=657J/(kg·K)；cp=917J/(kg·K)]解：氧氣QV：因1到2為定體積過(guò)程，過(guò)程中m不變，所以Qp：2到3過(guò)程中氣體壓力不變，但質(zhì)量改變注意：本題也可以從基本能量方程著手，對(duì)2到3過(guò)程考慮流入-流出=內(nèi)增據(jù)質(zhì)量守恒且據(jù)平衡態(tài)he=h，則例題：試證明剛性絕熱容器的放氣過(guò)程中容器內(nèi)理想氣體的狀態(tài)參數(shù)服從：證