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壓氣機的理論壓縮軸功5活塞式壓氣機的余隙影響6多級壓縮及中間冷卻

本章基本知識點

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的計算，過程量Q、W的計算，以及上述過程p-v

、T-s圖上的表示。

分析對象:

閉口系統(tǒng)

過程性質(zhì):可逆過程過程特點:

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算。目的：主要研究外部條件對熱功轉(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)。對已確定的過程，進行熱力計算。方法：1.求出過程方程。2.計算各過程初終態(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算式成立c.理想氣體熵的變化量強調(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。試計算這兩個過程中空氣對外作的膨脹功，所進行的熱量交換、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sTvpuT=u>0u>0w在p-v,T-s圖上的變化趨勢sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0q在p-v,T-s圖上的變化趨勢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壓氣機的理論壓縮軸功

壓氣機的作用生活中：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、制冷空調(diào)等等壓力范圍通風(fēng)機鼓風(fēng)機壓縮機消耗外功使氣體壓縮升壓的設(shè)備統(tǒng)稱為壓氣機。壓氣機的定義(1）壓氣機按其產(chǎn)生壓縮氣體的壓力范圍,習(xí)慣上常分為：①通風(fēng)機（<0.01MPa）;②鼓風(fēng)機（0.01MPa<<0.3MPa）;③壓縮機（

>0.3MPa）。(2）按壓縮原理和結(jié)構(gòu)將壓氣機分為:

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

靜葉片動葉片擴壓器機殼轉(zhuǎn)子止推軸承支撐軸承聯(lián)軸器軸端密封進口導(dǎo)向葉片葉輪式壓氣機的壓氣過程1、單級活塞式壓氣機結(jié)構(gòu)示意圖空氣濾清器進氣閥氣缸活塞散熱片排氣閥一、單級活塞式壓氣機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的壓氣過程技術(shù)功wtpva2、單級活塞式壓氣機工作過程模擬pvapva2、單級活塞式壓氣機工作過程模擬pvapva12、單級活塞式壓氣機工作過程模擬同14pva12、單級活塞式壓氣機工作過程模擬pva122、單級活塞式壓氣機工作過程模擬pva122、單級活塞式壓氣機工作過程模擬V１12abpVV2p202、單級活塞式壓氣機工作過程模擬V１12abpVV2p20二、單級活塞式壓氣機的理論耗功Wc

的計算進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算最小重要啟示§4-5活塞式壓氣機的余隙影響避免活塞與進排氣閥碰撞，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新氣，狀態(tài)未變活塞式壓氣機的余隙影響活塞排量研究VC對耗功和產(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的工作過程§4-5活塞式壓氣機的余隙影響V=V１－V４V

h=V１－V3V4–V3V

e12nn4350pV實際進入氣缸的氣體所占的體積余隙容積為活塞排量有余隙時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。因為,對于1kg氣體

所以三、余隙對排氣量的影響

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、增壓比對容積效率的影響在相同的余隙比時，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，必須采用多級壓縮，而當(dāng)增壓比一定時，余隙比加大，也將使容積效率降低總之有余隙容積時雖然理論壓氣功不變，但進氣量減少，氣缸容積不能充分利用，當(dāng)壓縮同量氣體p2p1V1340VVcVh時，必須采用氣缸較大的機器，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多級壓縮及中間冷卻

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

級壓縮T分級壓縮的其它好處

潤滑油要求t<160~180℃,