第四章 氣體的熱力過(guò)程.ppt

1、理想氣體的熱力過(guò)程及氣體的壓縮,第四章,系統(tǒng)與外界進(jìn)行能量傳遞，必須要通過(guò)工質(zhì)的熱力過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有熱力過(guò)程就不能進(jìn)行能量交換。,1）完成能量交換,2）使氣體達(dá)到一定的狀態(tài),一、研究熱力過(guò)程的目的,工程上實(shí)施熱力過(guò)程有兩個(gè)目的,第一節(jié) 四個(gè)典型的熱力過(guò)程,二、研究熱力過(guò)程所需的基本知識(shí),1.熱力學(xué)第一定律（能量方程）,2.理想氣體狀態(tài)方程,3.熱量q、內(nèi)能du 、 焓dh、膨脹功w、技術(shù)功wt、熵 ds的計(jì)算公式,q、u、h、w、wt的計(jì)算都已學(xué)過(guò)，唯獨(dú)熵沒(méi)有學(xué)過(guò)，下面介紹用基本狀態(tài)參數(shù)求熵變化的計(jì)算公式,三、用p,v,t求s的公式導(dǎo)出,可逆時(shí)能量方程為,得,由,得,所以,（1）,由PV=RT

2、得,代人（1）得,由PV=RT得,代人（1）得,（3）,（2）,1）理想氣體，定值比熱 2）可逆與不可逆（盡管過(guò)程中用到可逆的條件，但因焓是狀態(tài)參數(shù)）,適用條件：,結(jié)論,四、分析熱力過(guò)程應(yīng)掌握的內(nèi)容,1.熱力過(guò)程的特點(diǎn),2.過(guò)程方程（即初始狀態(tài)參數(shù)遵守的方程）,3.過(guò)程中系統(tǒng)與外界交換能量的計(jì)算,4.熱力過(guò)程在P-v圖，T-S圖上的表達(dá),特點(diǎn)v=const或v1=v2,能量分析,五.四種典型熱力過(guò)程分析（定容，定壓，定溫，等熵）,1.定容過(guò)程,過(guò)程方程,（定容過(guò)程系統(tǒng)的吸熱量用于提高其內(nèi)能）,在p-v圖上很直觀,在圖上的表示,為在T-S圖上分析，將,故定容過(guò)程在T-S圖上應(yīng)如下圖所示,2.定壓

3、過(guò)程,能量交換,特點(diǎn),過(guò)程方程,（定壓過(guò)程系統(tǒng)的吸熱量用于提高其焓）,在圖上的表達(dá),在P-V圖上表達(dá)直觀,在T-S圖上要分析曲線的特征,分析判斷,例1 在T-S圖上等P線與等V線有何區(qū)別,等壓過(guò)程斜率,等容過(guò)程斜率,因?yàn)?所以,因此，在T-S圖上，等容線比等壓線陡,掌握判斷過(guò)程，記住結(jié)論,例2 在T-S圖上判斷兩條等壓線壓力值的大小,分析：在T-S圖上任給兩等壓線p1、p2，作等溫線1-2。對(duì)于1-2過(guò)程有：,例3 在T-S圖上判斷兩條等容線比容值的大小,掌握判斷過(guò)程，記住結(jié)論,分析：在T-S圖上任給兩等容線v1、v2，作等溫線1-2。對(duì)于1-2過(guò)程有：,3.定溫過(guò)程,特點(diǎn)T=C或,過(guò)程方程,

4、能量變化,表達(dá),在P-V圖上pv=c,即等軸雙曲線,s,T,p,v,在T-S圖上更加直觀,注：可利用狀態(tài)方程判斷等值線的大小,在P-v圖上，曲線的斜率為：,4.等熵過(guò)程,由能量方程,知等熵時(shí),即,又,首先應(yīng)導(dǎo)出等熵過(guò)程方程,即,特點(diǎn),過(guò)程方程,分析過(guò)程,由上式及狀態(tài)方程可得到以下方程,能量方程,由技術(shù)功的定義式積分可得,可見(jiàn), p-v,T-S圖上表示,在p-v圖上，為分析曲線的形狀，首先分析曲線的斜率,T-S圖上 很直觀，,可見(jiàn)：等熵過(guò)程的斜率為等溫過(guò)程的K倍，顯然等熵過(guò)程線比等溫線更陡，如圖,而等溫過(guò)程的斜率為,作業(yè)思考題中4-2，4-3 證明在等S過(guò)程中有,四個(gè)典型過(guò)程只是實(shí)際過(guò)程的一些理

5、想模型，而實(shí)際熱力過(guò)程可用最一般的過(guò)程方程即多變過(guò)程來(lái)表示，即,一、多變過(guò)程與四個(gè)典型過(guò)程的關(guān)系,n=0,n=1,定溫過(guò)程,n=k,等熵過(guò)程,n-多變指數(shù),等容過(guò)程,定壓過(guò)程,p = c,n=,第二節(jié) 多變過(guò)程,變形,即,時(shí),因?yàn)?所以,二、多變過(guò)程指數(shù)n的確定（即平均多變指數(shù)n的確定）,由,因此，只要測(cè)出某過(guò)程前后的p,v。即可求得多變過(guò)程的平均多變指數(shù)。,如將過(guò)程取得足夠短，平均n就很接近實(shí)際值,三、多變比熱cn與定容比熱cv的關(guān)系,四、多變過(guò)程在p-v、T-s圖上的表達(dá)及能量分析,1.任給一熱力過(guò)程時(shí)如何分析過(guò)程中能量的變化？,分析此問(wèn)題，必須具備以下知識(shí)：,四個(gè)典型熱力過(guò)程在P-V、T

6、-S圖上的位置、方向。,四個(gè)典型熱力過(guò)程在P-V、T-S圖上等值線的變化趨勢(shì)。,各種量的計(jì)算公式。,本部分應(yīng)掌握的內(nèi)容：,3.給定任一多變過(guò)程時(shí)，能量的增減情況。,4.根據(jù)要求在P-V、T-S圖上繪出熱力過(guò)程及熱力循環(huán)。,1.四個(gè)典型熱力過(guò)程在P-V、T-S圖上的位置、方向。,2.四個(gè)典型熱力過(guò)程在P-V、T-S圖上等值線的變化趨勢(shì)。,五、多變過(guò)程傳遞的能量,練習(xí)題,二、某熱力循環(huán)依次經(jīng)歷以下五個(gè)熱力過(guò)程完成循環(huán)。1）定容吸熱；定壓吸熱；定溫放熱；定熵膨脹；定溫吸熱。將此熱力循環(huán)繪制在示熱圖示功圖上。,三、某熱力循環(huán)依次經(jīng)歷以下五個(gè)熱力過(guò)程完成循環(huán)。1）定熵壓縮；定容吸熱；定壓吸熱；定熵膨脹；

7、定容放熱。將此熱力循環(huán)繪制在示熱圖示功圖上。,一、將滿足下列要求的多變過(guò)程表示在繪制在示功圖上。 1）工質(zhì)生壓、升溫、放熱； 2）工質(zhì)膨脹、降溫、放熱； 3）n=1.6的膨脹過(guò)程，并判斷熱量、膨脹功、以及內(nèi)能的正負(fù)。 4） n=1.3的壓縮過(guò)程，并判斷熱量、膨脹功、以及內(nèi)能的正負(fù)。,作業(yè)：思考題4-5，4-3 習(xí)題 4-1，4-2，4-8,第三節(jié) 壓氣機(jī)的理論壓縮功軸,一壓縮空氣的作用及壓氣機(jī)的原理,制冷工程,分類,活塞式壓比高，流量小,葉輪式 軸流式壓比小，流量大,回轉(zhuǎn)式,作用：,氣動(dòng)機(jī)械的動(dòng)力,1.單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的理論壓縮過(guò)程,1-2壓縮過(guò)程,2-3排氣過(guò)程,4-1吸氣過(guò)程,2.幾個(gè)概念

8、,理論壓縮過(guò)程（理論循環(huán)） 在無(wú)余隙，壓縮過(guò)程可逆的情況下，壓氣過(guò)程稱理論壓氣過(guò)程,壓縮比,二理論壓縮軸功wc,1.定義：在理論壓氣循環(huán)中，將1kg氣體自p1壓縮到p2，并維持流動(dòng)所消耗的軸功。,可見(jiàn)， wc為正時(shí)表示消耗外界的功，顯然:WC=-Wt,如果壓氣機(jī)的流量為m，則壓縮過(guò)程理論上要輸入的功率為,2.理論壓縮軸功的分類,1) 等溫壓縮軸功wc.T,物理模型: 汽缸冷卻效果很好，壓縮過(guò)程的熱量全部由冷卻水帶走,2)等熵壓縮軸功wc.s,3)多變壓縮軸功wc.n,（分兩種情況1k無(wú)水套）,各種壓縮軸功見(jiàn)下圖,n1.4,n1.4,從圖上可以看出,三、活塞壓氣機(jī)的余隙對(duì)性能的影響,引言 理論壓

9、縮過(guò)程中，活塞與汽缸左止點(diǎn)不存在間隙，而在實(shí)際的壓氣機(jī)中，為避免活塞與汽缸蓋的碰撞，活塞端面與汽缸蓋之間必須留有一定的間隙，這便形成余隙容積，而這個(gè)余隙的大小通常用余隙百分比c表示，如圖,四個(gè)術(shù)語(yǔ)：,余隙容積,活塞排量,余隙百分比,有效吸氣量,1.余隙對(duì)排氣量的影響,由于存在余隙，因此當(dāng)活塞左行至左止點(diǎn)時(shí)，就不能將氣體完全排除，因此當(dāng)活塞右行之初就不能將新氣吸入，而只有當(dāng)行至缸內(nèi)壓力等于或低于進(jìn)氣壓力時(shí)才能吸入氣體。這樣一次吸氣能吸入的氣體量就是V1-V4，而非V1-V3。將兩者的比值稱為容積效率v,V1-V4-有效吸氣量,V1-V3-活塞排量,v -容積效率,由v的定義式知,顯然,由于,所以

10、,當(dāng)v=0時(shí)，表明壓氣機(jī)不能吸入氣體,此時(shí)稱謂極限壓比,假如： 、 。,令,得,即當(dāng)壓機(jī),時(shí)，就不能吸入氣體,這一極限壓比的過(guò)渡情況，也可用P-V圖來(lái)說(shuō)明,從圖上看，隨著壓比的增大,將減小,當(dāng)終壓升至p時(shí)，2與3重合，1與4重合。此時(shí)，V1-V4=0。即v=0。表明此時(shí)已不能吸入新氣,3.余隙對(duì)理論壓縮軸功的影響,在如圖所示的循環(huán)中 假如1-2與3-4有相同的多變指數(shù)n,則1-2過(guò)程耗功為,3-4過(guò)程回收的功為（或4-3過(guò)程消耗的功）,循環(huán)一周凈耗功為,為吸入的氣體的容積,故,則壓送1kg氣體時(shí)的耗功為,表明：余隙存在不影響單位壓縮軸功，但影響流量。,四、多級(jí)壓縮與中間冷卻,從P-V圖上看，欲

11、將氣體從p1壓至p3 。如采用一級(jí)壓縮，排氣狀態(tài)點(diǎn)為3。如兩級(jí)壓縮，即先升至2狀態(tài)，之后進(jìn)行定壓冷卻至2 （即與進(jìn)口同溫），之后再壓至3，同樣可得到p3。但有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：,1.引言,缺點(diǎn)，設(shè)備造價(jià)高,級(jí)間壓比的確定原則：在總升壓一定的條件下，如用多級(jí)壓縮，各級(jí)之間的壓力取多大才能使整機(jī)的耗功最小。,降低排氣溫度（ 3變?yōu)?3），可使?jié)櫥３至己脿顟B(tài)。,減少耗功（耗功耗功減少量可用面積2 3 3 2表示）。,顯然，級(jí)越多，耗功越少，但設(shè)備造價(jià)越高。通常為二到三級(jí)，高壓壓氣機(jī)可至四至六級(jí)。級(jí)間壓比810,2.級(jí)間壓力的確定,參照上圖，如采用兩級(jí)壓縮，則總壓縮軸功為,由于 p2=p2 , T1=T

12、2,上式變?yōu)?為求wcn的最小值，應(yīng)滿足,由此得,上式為兩級(jí)壓縮時(shí)，確定中間壓力的方程。,對(duì)于多級(jí)壓縮，將上式改寫為：,表明兩級(jí)壓比相等。,即,并且有,用類比的方法， 對(duì)于n級(jí)壓縮有,3.按壓比確定級(jí)間壓力帶來(lái)的優(yōu)勢(shì),各級(jí)所消耗的功相等,在進(jìn)口溫度相等時(shí)，各級(jí)出口溫度相等,各級(jí)向外散熱就相等,4.兩種效率,作業(yè) 4-10、4-13、4-16，4-18,等溫效率（帶冷套）,絕熱效率（不帶冷套）,例1 已知：P1=0.1MPa, P2=12.5MPa, n=1.25,t1=20。求生產(chǎn)1kg壓縮空氣所需的軸功及排氣溫度。,解1.確定級(jí)數(shù),如果用兩級(jí)，則,不行,采用三級(jí)，則,可以,2.此時(shí)終溫,3.

13、消耗功,4. 如采用單級(jí)壓縮,1）終溫,2）耗功,3）多耗功,可見(jiàn)，采用三級(jí)壓縮可以減少30%的功,證明1：壓縮過(guò)程1-2消耗的功可以用12345圍成的面積表示。,證明2：壓縮過(guò)程1-3消耗的功可以用1345圍成的面積表示。,練習(xí)題,總結(jié),一、四個(gè)典型熱力過(guò)程在p-v圖t-s圖上的位置，及等值線增大或減少的方向,三、焓變的計(jì)算公式的推導(dǎo)及使用條件，判斷等值線的增減方式。,的推導(dǎo),二、四個(gè)典型過(guò)程的方程，,五、活塞壓氣機(jī)的原理，及理論壓縮軸功的計(jì)算,四、多變過(guò)程與典型過(guò)程的關(guān)系，多變過(guò)程的繪制，多變比熱的定義,1.降低排氣溫度,七、多級(jí)壓縮中間冷卻,4.按中間壓比方式確定壓比帶來(lái)的方便,3.中間

14、壓比的確定方式,n=1 n=k及在P-V,T-S圖上的表示 1k,余隙，容積效率，活塞排量的概念,六、幾種壓縮軸功對(duì)應(yīng)的物理模型,2.減少單位功耗,例1 有一密閉剛性容器用隔板將其分為A、B兩部分，均充有空氣，已知VA=2.5m3，pA=0.686Mpa，tA=80；VB=1m3，pB=0.98Mpa，tB=30；現(xiàn)抽去隔板使兩部分混合。若混合過(guò)程中容器向外散熱41.9kJ。設(shè)此比熱容為定制比熱，求混合后空氣的溫度和壓力。,解,例2：一活塞汽缸裝置，中間有一個(gè)完全透熱的剛性隔板將其分為A、B兩腔，隔板靜止不動(dòng)，汽缸壁和兩端的活塞都是絕熱的。A腔中有1kg初溫為25、初壓為0.1MPa的空氣,B腔中有2kg初溫為25、初壓為0.2MPa的空氣?，F(xiàn)緩慢壓縮B腔的空氣，使A腔的空氣向大氣作等壓膨脹，試求