第三章理想氣體的性質(zhì)與過程PPT課件

1、3-1 3-1 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程3-2 3-2 熱容熱容3-3 3-3 理想氣體的內(nèi)能、焓和比熱容理想氣體的內(nèi)能、焓和比熱容3-4 3-4 理想氣體的熵理想氣體的熵3-5 3-5 研究熱力過程的目的和方法研究熱力過程的目的和方法3-6 3-6 絕熱過程絕熱過程3-7 3-7 基本熱力過程的綜合分析基本熱力過程的綜合分析3-8 3-8 活塞式壓氣機(jī)的過程分析活塞式壓氣機(jī)的過程分析 1、理想氣體理想氣體 可可用用簡單簡單的式子描述的式子描述 如汽車發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)以空氣為如汽車發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)以空氣為主的主的燃?xì)馊細(xì)?、空調(diào)中的、空調(diào)中的濕空氣濕空氣等等2、實際氣體實際氣體 不不

2、能用能用簡單簡單的式子描述，真實工質(zhì)的式子描述，真實工質(zhì) 火力發(fā)電的火力發(fā)電的水水和和水蒸氣水蒸氣、制冷空調(diào)中、制冷空調(diào)中制冷工質(zhì)制冷工質(zhì)等等一、理想氣體一、理想氣體 1.1.氣體的分子是一些彈性的氣體的分子是一些彈性的, ,不占體積不占體積的質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn) 2.2.氣體分子之間氣體分子之間沒有相互作用力沒有相互作用力二、研究理想氣體的意義二、研究理想氣體的意義 1.1.理論上引入它可簡化分析，簡化計算理論上引入它可簡化分析，簡化計算 2.2.工程上工程上部分氣體部分氣體按理想氣體處理與實按理想氣體處理與實際出入不大際出入不大三、理想氣體狀態(tài)方程三、理想氣體狀態(tài)方程 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方

3、程: pv = RT -又稱又稱克拉貝龍克拉貝龍方程方程 其中：其中： p 為為絕對壓力絕對壓力 Pa v 為比容為比容 m3/kg T 為為開氏溫度開氏溫度 K R 為氣體常數(shù)為氣體常數(shù) J/kgk四種形式的四種形式的克拉貝龍克拉貝龍方程：方程：mm1 kmol: pVR Tm kmol : npVnR T1 kg : pvRTmRTpVm : kg 注意注意: : Rm 與與R 摩爾容積摩爾容積Vm狀狀態(tài)態(tài)方方程程統(tǒng)一單位統(tǒng)一單位阿伏伽德羅阿伏伽德羅假說假說: 相同相同 p 和和 T 下各理想氣體的下各理想氣體的摩爾容積摩爾容積Vm相同相同在標(biāo)準(zhǔn)狀況下在標(biāo)準(zhǔn)狀況下500(1.01325 1

4、0273.15)pPaTKkmolmVm30414.22Vm常用來表示數(shù)量常用來表示數(shù)量Rm通用通用氣體常數(shù)氣體常數(shù)mkJ8.314 kmol KR R氣體常數(shù)氣體常數(shù) mkJ/kg.KRRMM-摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量m8.3143kJ0.287kg K28.97RRM空氣空氣例如例如與氣體種類無關(guān)與氣體種類無關(guān)與氣體種類有關(guān)與氣體種類有關(guān) 1、絕對壓力絕對壓力2、溫度溫度單位單位 K3、統(tǒng)一單位（最好均用統(tǒng)一單位（最好均用國際單位國際單位） V=1m3的容器有的容器有N2，溫度為，溫度為20 ，壓力，壓力表讀數(shù)表讀數(shù)1000mmHg，pb=1atm，求，求N2質(zhì)量質(zhì)量。1000 1.0 28168

5、.48.3143 20mpVMmkgR T1）2）510001.013 101.0 287601531.58.3143 293.15mpVMmkgR T3）51000(1) 1.013 101.0 2876026588.3143 293.15mpVMmkgR T4）51000(1) 1.013 101.0 287602.6588.3143 1000 293.15mpVMmkgR T1. 分子之間沒有作用力分子之間沒有作用力 2. 分子本身不占容積分子本身不占容積 但是但是, 當(dāng)實際氣體當(dāng)實際氣體 p 很小很小, V 很大很大, T不太低時不太低時, 即處于即處于遠(yuǎn)離液態(tài)遠(yuǎn)離液態(tài)的的稀薄稀薄狀狀

6、態(tài)時態(tài)時, 可視為可視為理想氣體理想氣體。 現(xiàn)實中沒有理想氣體現(xiàn)實中沒有理想氣體 當(dāng)實際氣體當(dāng)實際氣體 p 很小很小, V 很大很大, T不不太低時太低時, 即處于即處于遠(yuǎn)離液態(tài)遠(yuǎn)離液態(tài)的的稀薄稀薄狀態(tài)狀態(tài)時時, 可視為可視為理想氣體理想氣體。 T常溫常溫，pppcTdsdT12lnTTcsp12lnvvcp5.功與熱功與熱 開口系開口系 dwt= vdp= 0 q=h-vdp=h=cpT閉口系閉口系)(1221vvppdvwTcdhpdvduqp4. u，h，s變化量變化量h= cpT u= cvTTqdsR(2) 不僅不僅 , s 處處相等處處相等 0s0ds絕熱絕熱可逆可逆0dss說明說

7、明: (1) 不能說不能說絕熱絕熱過程就是過程就是等熵等熵過程過程, 必須是必須是可逆絕熱可逆絕熱過程才是過程才是等熵等熵過程。過程。vp0dpdvdsccpvconstk constpvk三個條件三個條件: (1)理想氣體理想氣體 (2)可逆過程可逆過程 (3) k 為常數(shù)為常數(shù)pvckc0dpdvkpv當(dāng)當(dāng)lnlnpkvconst0ds理想氣體理想氣體3.曲線曲線顯然：顯然：kvvpp1212代入代入 pv=RT 得：得：kkppTT11212故在故在pv圖上定熵線較定溫線陡。圖上定熵線較定溫線陡。對于對于p-v圖因為圖因為 ds= 0 根據(jù)公式：根據(jù)公式：得：得：vpkdvdpspdpc

8、vdvcdsvp由于定溫時：由于定溫時：vpdvdpT4. u，h，s變化量變化量 u= cvT h= cpT S= 05.功與熱功與熱閉口系閉口系21pdvw21kkvdvpv因因 pvk 為常數(shù)，所以：為常數(shù)，所以：21kkvdvpvw21dvvpvkk2111kvpvkk211kpv211kRTw)(112TTkR12111TTkRT同時，因同時，因 pv=RT 由式由式211kpvw得：得：kkppkRT112111)(121TTkR因為因為 cv=R/(k-1)，所以，所以這個式子也可以變?yōu)檫@個式子也可以變?yōu)閣=cv(T1 -T2 )關(guān)于熱量關(guān)于熱量q 因為絕熱所以熱量為零因為絕熱所

9、以熱量為零開口系開口系21vdpwt2111)(kkkpdppv因因 pvk 為常數(shù)，為常數(shù)，所以：所以：2111kkpdpvpw2111dppvpkk21111kkpvpkkk211kkpv211kkRTwt)(112TTkkR12111TTkkRT同時，因同時，因 pv=RT 由式由式211kkpvwt得：得：kkppkkRT112111)(121TTkkR因為因為 cp=kR/(k-1)，所，所以這個式子也可以變以這個式子也可以變?yōu)闉?wt=cp(T1 -T2 )可見對于絕熱過程可見對于絕熱過程wt 是是 w 的的 k 倍倍 。關(guān)于熱量關(guān)于熱量q 因為絕熱所以熱量為零。因為絕熱所以熱量為

10、零。理想氣體的理想氣體的多變多變過程過程 過程方程過程方程constpvnn是常量，是常量，每一過程有一每一過程有一 n 值值nn = ksnvvpp)(211212112)(nvvTTnnppTT11212)(12()1RwpdvTTntwnwv2121()()1Rquwc TTTTn v21v21n21()()()()11Rn-kcTTc TTc TTnnnc多變過程比熱容多變過程比熱容constpvn(1) 當(dāng)當(dāng) n = 0 Cpconstpv0nvpckcc(2) 當(dāng)當(dāng) n = 1CTconstpv1nc (3) 當(dāng)當(dāng) n = k kpvconstsCn0c (4) 當(dāng)當(dāng) n = 1n

11、p vconstvCnvccnv1n-kccnpTsvnconstpvnpTsvpvRTnv111k-nccn基本過程是多變過程的特例基本過程是多變過程的特例 基本過程的計算是我們的基礎(chǔ)，基本過程的計算是我們的基礎(chǔ)，要非常清楚，非常熟悉。要非常清楚，非常熟悉?；疽螅夯疽螅耗脕砭蜁隳脕砭蜁銋⒁姇蠀⒁姇媳肀?4 公式匯總公式匯總0n p()?dTdsT斜率斜率上凸上凸?下凹？下凹？pTdsc dTvdpsTvpppTc0n pp0n v()?dTdsT斜率斜率上凸上凸?下凹？下凹？vTdsc dTpdvsTvppvTc0n pvpvccn n vvpp()dTTdsc0n T()?

12、dpdvp斜率斜率上凸上凸?下凹？下凹？pvCsTvpppv 0n pT0pdvvdpn n vv1n TT1n 0n sTvpp0n psn n vv1n TT1n nksnks ?sdpdvCpvkkpv0)(kpvd10kkkpvdvv dpT()dppdvv 0n sTvpp0n pn n vv1n TT1n nksnkskkppTT11212)(0n sTvp0n n n 1n 1n nknkuT= u0pvRT u0vuc dT 0n sTvp0n n n 1n 1n nknkhT= u0 u0phc dT h0 h00n sTvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0wp

13、dv h0 h0w012112)(kvvTTw00n sTvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0twvdp h0 h0w0w0wt0kkppTT11212)(wt00n sTvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0qTds h0 h0w0w0wt0wt0q0Tqwq00n sTvp0n n n 1n 1n nknk u0 u0 h0 h0w0w0wt0wt0q0u,h(T) w(v) wt(p) q(s)q00n sTvp0n n n 1n 1n nknk壓縮、升溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域？壓縮、升溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域？0n sTvp0n n n 1n 1n

14、 nknk膨脹、降溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域？膨脹、降溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域？0n sTvp0n n n 1n 1n nknk膨脹、升溫、吸熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域？膨脹、升溫、吸熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域？壓氣機(jī)壓氣機(jī)的作用的作用生活中：自行車打氣。生活中：自行車打氣。工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等型式型式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)活塞式活塞式(往復(fù)式往復(fù)式)離心式離心式 ，渦旋渦旋軸流式，螺桿軸流式，螺桿連續(xù)流動連續(xù)流動壓壓力力范范圍圍通風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)壓縮機(jī)0.01pMPa 0.010.3MPapMPa

15、 0.3pMPa 出口當(dāng)連續(xù)流動出口當(dāng)連續(xù)流動理論壓氣功理論壓氣功(可逆過程可逆過程)指什么功指什么功pv目的：目的：研究研究耗功耗功，越少越好越少越好技術(shù)功技術(shù)功wt12(1)、特別快，來不及換熱。特別快，來不及換熱。(2)、特別慢，熱全散走。特別慢，熱全散走。(3)、實際壓氣過程是實際壓氣過程是 kn 12p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2sTnnk1n 2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2tTtntswww2T2n2svvvTns0qqq12T2n2sTTTT2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps21tT12lnpwRTpn 12ntn111

16、()1npwRTnp12ts111 ()1kkkpwRTkp最小最小 重要啟示重要啟示儲氣罐冷卻水高壓缸低壓缸進(jìn)氣口123452p1p12pp有一個最佳增壓比有一個最佳增壓比pv 省功省功123454p1ppv 省功省功IIIt(n)t(n)www分級n-12n11n-14n331() 11()1npRTnpnpRTnpn-1n-124nn1122()() 1nppwRTnpp分級2p2412pppp123454p1ppv 省功省功n-1n-124nn1122()() 1nppwRTnpp分級欲求欲求w分級分級最小值，最小值，20wp分級412ppp 2p1424111pp ppppppp終初

17、可證明可證明若若m級級mpp終初最佳增壓比最佳增壓比123454p1ppvTs2p1p2p4p123456645TT 潤滑油要求潤滑油要求t160180,高壓壓氣機(jī)必須分級高壓壓氣機(jī)必須分級154p1ppv6省功省功分級分級降低出口溫降低出口溫多級壓縮達(dá)到多級壓縮達(dá)到無窮多級無窮多級(1)不可能實現(xiàn)不可能實現(xiàn)(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜(成本高成本高)一般采用一般采用 2 4 級壓縮級壓縮T需要壓氣機(jī)，想設(shè)計一臺需要壓氣機(jī)，想設(shè)計一臺已知已知 ：2111,( )pT p m Vpgg，要求：配馬達(dá)功率，要求：配馬達(dá)功率， 出口溫度出口溫度。？sn？根據(jù)經(jīng)驗，有無冷卻水套根據(jù)經(jīng)驗，有無冷卻水套假定假定

18、 ，理論功，理論功-121t11()1kkkpWmRTkp理論s實際過程有摩擦實際過程有摩擦12p12t()()WHm hhmc TT 理論gg-121t11()1kkkpWmRTkp理論g機(jī)械效率機(jī)械效率ttWW理論實際經(jīng)驗值經(jīng)驗值 70Ts1p2p12T2TtQHW p12()tWWmc TT理論t實際g已有壓氣機(jī)，實測已有壓氣機(jī)，實測1212,( )T Tpp m V,gg要求：壓氣機(jī)效率要求：壓氣機(jī)效率p12()Wmc TTt實際g-121t11()1kkkpWmRTkpg理論ttWW理論實際太低，則壓氣機(jī)報廢或修理太低，則壓氣機(jī)報廢或修理避免活塞與進(jìn)排氣避免活塞與進(jìn)排氣閥碰撞，留有閥

19、碰撞，留有空隙空隙pV1234CV余隙容積余隙容積12壓縮過程壓縮過程23排氣，狀態(tài)未變排氣，狀態(tài)未變34殘留氣體膨脹殘留氣體膨脹41進(jìn)新氣，狀態(tài)未變進(jìn)新氣，狀態(tài)未變活塞排量活塞排量pV1V3VCV1234V研究研究VC對對耗功耗功和和產(chǎn)產(chǎn)氣量氣量的影響的影響h13VVV14VVV新氣量新氣量產(chǎn)氣量產(chǎn)氣量11pVmRT有效吸氣容積有效吸氣容積pV1V3VCV1234V設(shè)設(shè)12和和43兩過程兩過程n相同相同12t1 11134441111nnnnnpWpVnppnp Vnp56功功面積面積12341面積面積12561面積面積4356423pp14pp2p1p1p1 111pVm RTpV1V3VCV1234V12t1141() 11nnnpWp VVnp11pVmRT121111nnnppVnp1t2t1111nnWnpwRTmnp余隙對單位產(chǎn)氣余隙對單位產(chǎn)氣量耗功不影響量耗功不影響pV1V3VCV1234V14Vh13VVVVVVChVcV定義定義容積效率容積效率433413133111VVVVVVVVV 33VV令令余隙比余隙比1132V411111nnppccpp 工程上一般工程上一般0.030.08pV1V3V1234V討論：討論：12Vh111nVpcVp 21pp（1） 一定，一定，c VChVcV（2） c 和和n一定，一定，21ppV極限極限V0CV已知：已知：33