第四章-氣體和蒸汽的基本熱力過程課件

第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程4-1理想氣體的可逆多變過程4-2定容過程4-3定壓過程4-4定溫過程4-5絕熱過程4-6理想氣體熱力過程綜合分析4-7水蒸汽的基本過程1第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程14-1理想氣體的可逆多變過程1、氣體的基本熱力過程(thermodynamicprocess)定容過程定壓過程定溫過程

絕熱過程☆注意：（1）假設(shè)上述過程都是可逆過程。（2）適用于理想氣體、閉口系統(tǒng)和穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)（即定質(zhì)量系統(tǒng)）。

24-1理想氣體的可逆多變過程定容過程☆注意：（1）假設(shè)上述2、多變過程的過程方程式(polytropicprocess)■初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系即多變過程在圖上為直線，斜率為。32、多變過程的過程方程式(polytropicproces3、多變指數(shù)(polytropicindex)（定容過程）●實際過程中，值是變化的，可用平均值代替；或者把實際過程分作幾段，每一段取定值。（定壓過程）（定溫過程）（絕熱過程）特例43、多變指數(shù)(polytropicindex)（定容過4、多變過程的p-v圖和T-s圖（p-v圖的斜率）（T-s圖的斜率）54、多變過程的p-v圖和T-s圖（p-v圖的斜率）（T-s圖5、多變過程的過程功、技術(shù)功及熱量■過程功■技術(shù)功65、多變過程的過程功、技術(shù)功及熱量■技術(shù)功6■熱量■多變過程的比熱容7■熱量■多變過程的比熱容74-2定容過程■過程方程式典型過程：汽油機氣缸內(nèi)的燃燒過程?！龀?、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系84-2定容過程典型過程：汽油機氣缸內(nèi)的燃燒過程。8■在p-v圖和T-s圖上的表示定容線在p-v圖上是垂直線，在T-s圖上是對數(shù)曲線。9■在p-v圖和T-s圖上的表示定容線在p-v圖上是垂122′1-2：吸熱升溫增壓12′21-2′：放熱降溫減壓10122′1-2：吸熱升溫增壓12′21-2′：放熱降溫減壓1■過程功■技術(shù)功■熱量即定容過程吸收的熱量全部用于增加熱力學(xué)能。11■過程功■技術(shù)功■熱量即定容過程吸收的熱量全部用于增4-3定壓過程■過程方程式典型過程：換熱器和鍋爐內(nèi)的過程、燃氣輪機燃燒室內(nèi)的燃燒過程?！龀?、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系124-3定壓過程12■在p-v圖和T-s圖上的表示定壓線在p-v圖上是水平線，在T-s圖上是對數(shù)曲線。13■在p-v圖和T-s圖上的表示定壓線在p-v圖上是水1-2：吸熱升溫膨脹122′12′21-2′：放熱降溫壓縮即在T-s圖上，定容線比定壓線要陡一些。1定容線定壓線141-2：吸熱升溫膨脹122′12′21-2′：放熱降溫壓縮即定壓過程吸收的熱量全部用于增加焓值?！鲞^程功■技術(shù)功■熱量15即定壓過程吸收的熱量全部用于增加焓值?！鲞^程功■技術(shù)例4-1：1kg空氣初始狀態(tài)為、。分別按定容過程和定壓過程加熱到同樣的溫度。求兩個過程的終態(tài)壓力、比體積、、、、、和。比熱容按定值計算，，。16例4-1：1kg空氣初始狀態(tài)為、解：初態(tài)：定容過程的終態(tài)：定壓過程的終態(tài)：兩個過程的初溫和終溫相同，所以熱力學(xué)能和焓的變化量相同，17解：初態(tài)：定容過程的終態(tài)：定壓過程的終態(tài)：兩個過定容過程：定壓過程：18定容過程：定壓過程：184-4定溫過程■過程方程式

■初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系■在p-v圖和T-s圖上的表示定溫線在p-v圖上是雙曲線，在T-s圖上是水平線。194-4定溫過程■在p-v圖和T-s圖上的表示定溫線在p-v1-2：吸熱減壓膨脹12′2122′1-2′：放熱增壓壓縮■熱量、過程功、技術(shù)功即定溫過程吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功。201-2：吸熱減壓膨脹12′2122′1-2′：放熱增壓壓縮■解：（1）定溫壓縮例4-2：空氣以的流量穩(wěn)定流過壓縮機，入口參數(shù)、，出口壓力。求1kg空氣的焓變、熵變、壓縮機的技術(shù)功率和每小時的散熱量。（1）空氣按定溫壓縮；（2）空氣按

的多變過程壓縮。比熱容取定值。21解：（1）定溫壓縮例4-2：空氣以（2）多變壓縮22（2）多變壓縮224-5絕熱過程■過程方程式典型過程：內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的膨脹和壓縮過程、葉輪式壓氣機內(nèi)的壓縮過程、汽輪機和燃氣輪機的膨脹過程。●可逆絕熱過程（定熵過程）234-5絕熱過程典型過程：內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的膨脹和壓縮過若比熱容取定值，對上式進行積分：比熱容比常用定熵指數(shù)（絕熱指數(shù)，adiabaticexponential）來表示，24若比熱容取定值，對上式進行積分：比熱容比常用定熵指■定熵指數(shù)溫度越高，值越小?！癖葻崛萑《ㄖ祮卧託怏w：雙原子氣體：多原子氣體：25■定熵指數(shù)溫度越高，值越小?！癖葻崛萑《ㄖ怠癖葻崛萑∑骄担?）先確定平均比熱容，（2）先確定各溫度下的比熱容，說明：當終溫未知時，先假定終溫，再反復(fù)試算，結(jié)果為近似值。26●比熱容取平均值（2）先確定各溫度下的比熱容，說明：當終溫未●變比熱容時終溫的確定（氣體熱力性質(zhì)表）已知：初態(tài)（、）（或（、）），終態(tài)（或），求終溫。（1），根據(jù)查表得到，根據(jù)上式計算得到,再查表得到。

27●變比熱容時終溫的確定（氣體熱力性質(zhì)表）已知：初態(tài)（（2）引入相對壓力根據(jù)查附表7得到，根據(jù)上式計算得到,再查表得到。定義：28（2）引入相對壓力根據(jù)查附表7得到，根據(jù)上（3）引入相對比體積定義：29（3）引入相對比體積定義：29根據(jù)查附表7得到，根據(jù)上式計算得到,再查表得到。30根據(jù)查附表7得到，根據(jù)上式計算得到30■初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系■在p-v圖和T-s圖上的表示定熵線在p-v圖上是雙曲線，在T-s圖上是垂直線。31■初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系■在p-v圖和T-s圖上的表示1-2：降溫減壓膨脹12′2122′1-2′：升溫增壓壓縮321-2：降溫減壓膨脹12′2122′1-2′：升溫增壓壓縮3即在p-v圖上定熵線比定溫線要陡一些。1定溫線定熵線33即在p-v圖上定熵線比定溫線要陡一些。1定溫線定熵線■過程功■技術(shù)功■熱量34■過程功■技術(shù)功■熱量34解：（1）定值比熱容例4-3：例4-2中，若空氣在壓縮機中進行的是可逆絕熱壓縮，試分別按定值比熱容和變比熱容計算要求的各項。35解：（1）定值比熱容例4-3：例4-2中，若空氣在壓縮機中進（2）變比熱容查附表7，時，，查附表7，，36（2）變比熱容查附表7，時，4-6理想氣體熱力過程綜合分析

1、過程線的分布規(guī)律和過程特性■過程線的分布規(guī)律過程定容過程定壓過程垂直線定熵過程水平線雙曲線雙曲線定溫過程對數(shù)曲線垂直線水平線對數(shù)曲線p-v圖T-s圖374-6理想氣體熱力過程綜合分析■過程線的分布規(guī)律n值按順時針方向逐漸增大。38n值按順時針方向逐漸增大。38■過程特性的判定●過程功過程功的正負根據(jù)定容線來判定。在定容線右側(cè)或右下側(cè)，比體積增大，；反之，比體積減小，?！窦夹g(shù)功技術(shù)功的正負根據(jù)定壓線來判定。在定壓線上側(cè)或左上側(cè)，壓力增大，；反之，壓力減小，。39■過程特性的判定在定容線右側(cè)或右下側(cè)，比體積●熱力學(xué)能和焓熱力學(xué)能和焓的增減根據(jù)定溫線來判定。在定溫線右上側(cè)或上側(cè)，溫度升高，，；反之，溫度降低，，?！駸崃繜崃康恼摳鶕?jù)定熵線來判定。在定熵線右上側(cè)或右側(cè)，熵增大，；反之，熵減小，。40●熱力學(xué)能和焓在定溫線右上側(cè)或上側(cè)，溫度升高，2、理想氣體可逆過程的計算公式列表詳見表4-1（P121）。412、理想氣體可逆過程的計算公式列表41解：(1）對于空氣，例4-5：試確定下列多變過程的多變指數(shù)n，將過程繪于p-v圖和T-s圖上，并判定過程特性：吸熱還是放熱？輸出功還是耗功？熱力學(xué)能增大還是減?。吭O(shè)工質(zhì)為空氣，。（1）在圖上為直線，兩個狀態(tài)為、和、；（2）多變過程，吸熱量為650kJ/kg，溫差為150K。

42解：(1）對于空氣，例4-5：試確定下列多變過程的多變指數(shù)n，所以過程線位于定溫線與定熵線之間。又有壓力增大、體積減小，因此在p-v圖上，終態(tài)在初態(tài)的左上側(cè)；在T-s圖上，終態(tài)在初態(tài)的左上側(cè)。定溫線定熵線12定溫線定熵線12

放熱升溫增壓壓縮（耗功）過程，熱力學(xué)能增大。43，所以過程線位于定溫線與定熵線之間。（2）定溫線定壓線12定溫線定壓線12，所以過程線位于定壓線與定溫線之間。又有溫度升高，因此在T-s圖上，終態(tài)在初態(tài)的上側(cè)；在p-v圖上，終態(tài)在初態(tài)的右側(cè)。吸熱升溫減壓膨脹（作功）過程，熱力學(xué)能增大。44（2）定溫線定壓線12定溫線定壓線12例4-6：在T-s圖上用圖形面積表示理想氣體可逆過程a-b的焓差和技術(shù)功。

解：過a點作定壓線，過b點作定溫線，兩線交于c點。a-b過程：c-a過程（定壓）：b-c過程（定溫）：定壓線定溫線45例4-6：在T-s圖上用圖形面積表示理想氣體可逆過程a-b的例4-7：有一氣缸和活塞組成的系統(tǒng)，氣缸壁和活塞均由絕熱材料制成，活塞可在氣缸中無摩擦地自由移動。初始時活塞位于氣缸中央，A、B兩側(cè)各有1kg的空氣，壓力均為0.45MPa，溫度同為900K?，F(xiàn)對A側(cè)冷卻水管中通水冷卻，A側(cè)壓力逐漸降低。求壓力降低到0.3MPa時兩側(cè)的體積和，以及冷卻水從系統(tǒng)帶走的熱量Q，并在p-v圖及T-s圖上大致表示兩側(cè)氣體進行的過程。按定值比熱容計算，且，。46例4-7：有一氣缸和活塞組成的系統(tǒng)，氣缸壁和活塞均由46解：初態(tài)時，，，。取B中氣體為熱力系統(tǒng)，屬于閉口系統(tǒng)，進行的是可逆絕熱過程?；钊梢宰杂梢苿?，A、B兩側(cè)的壓力隨時相等：?？傮w積不變：47解：初態(tài)時，，取A、B中所有氣體為熱力系統(tǒng)，屬于閉口系統(tǒng)。48取A、B中所有氣體為熱力系統(tǒng)，屬于閉口系統(tǒng)。48

B中進行的是定熵過程，且體積增大、溫度降低，過程線如圖所示。A中壓力降低、體積減小、溫度降低、放熱，且終壓與B相同，過程線如圖所示。49B中進行的是定熵過程，且體積增大、溫度降低，過494-7水蒸汽的基本過程■定容過程■定壓過程如在鍋爐和換熱器中進行的過程?！龆剡^程☆注意：此時，。504-7水蒸汽的基本過程☆注意：此時，■絕熱過程如在汽輪機中的膨脹過程、在水泵中的加壓過程。此時，不是比熱容比，而是經(jīng)驗數(shù)（誤差較大）?！钭⒁猓核羝臒崃^程只能用熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)的公式。51■絕熱過程此時，不是比熱容比，而是經(jīng)驗數(shù)（誤差☆例4-8：水蒸汽從、可逆絕熱膨脹到0.1MPa，求1kg水蒸汽所作的膨脹功和技術(shù)功。過1點作定熵線（垂直線），與的定壓線的交點就是終態(tài)2，為濕蒸汽。解：（1）用h-s圖計算根據(jù)和確定初態(tài)1，為過熱蒸汽。查得：52例4-8：水蒸汽從、可查得：（2）用水蒸汽表計算查飽和水和干飽和蒸汽表，當時，，，所以初態(tài)為過熱蒸汽。53查得：（2）用水蒸汽表計算查飽和水和干飽和蒸汽表，當查未飽和水和過熱蒸汽表，得到：可逆絕熱過程，，所以終態(tài)為濕蒸汽。查飽和水和干飽和蒸汽表，當

時，54查未飽和水和過熱蒸汽表，得到：可逆絕熱過程，5555解：（1）取水為系統(tǒng)，為閉口系統(tǒng)。例4-9：一封閉絕熱的氣缸活塞裝置內(nèi)有1kg壓力為0.2MPa的飽和水，氣缸內(nèi)維持壓力恒定不變。（1）若裝設(shè)一葉輪攪拌器，攪動水，直至氣缸內(nèi)80%的水蒸發(fā)為止，求帶動此攪拌器需消耗多少功？（2）若除去絕熱層，用450K的恒溫?zé)嵩磥砑訜釟飧變?nèi)的水，使80%的水蒸發(fā)，這時熱源的加熱量是多少？56解：（1）取水為系統(tǒng)，為閉口系統(tǒng)。例4-9：一封閉絕熱的氣缸查飽和水和干飽和蒸汽表，當時，攪拌器耗功：（2）取水為系統(tǒng)，為閉口系統(tǒng)。說明：使水蒸發(fā)所需的功和熱量在數(shù)量上相等。所需的熱量：57查飽和水和干飽和蒸汽表，當時，＊4-8非穩(wěn)態(tài)流動過程■不可逆過程

自由膨脹、攪拌、絕熱節(jié)流、絕熱混合等?！龇欠€(wěn)態(tài)過程充氣、放氣、泄漏過程，啟動、關(guān)機、變負荷運行等?！钭⒁猓荷鲜鲞^程只能用熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)的公式，不能用定質(zhì)量系統(tǒng)的公式。58＊4-8非穩(wěn)態(tài)流動過程58解：（1）取容器內(nèi)的空間為控制體積，屬于開口系統(tǒng)。例4-10：體積為V的剛性絕熱容器內(nèi)裝有高壓氣體。初態(tài)時氣體參數(shù)為、，打開閥門向外界低壓空間放氣，當容器內(nèi)氣體壓力降為時關(guān)閉閥門。（1）試分析放氣過程中容器內(nèi)氣體的過程特性；（2）若為理想氣體，求終溫。（絕熱放氣）忽略動能差和位能差，開口系統(tǒng)的能量方程式：過程絕熱，。只有放氣，。放氣量等于質(zhì)量減少量，。不對外作功，熱力學(xué)能增加量：59解：（1）取容器內(nèi)的空間為控制體積，屬于開口系統(tǒng)。例4-10剛性容器，即絕熱放氣過程為定熵過程。（2）60剛性容器，即絕熱放氣過程為定熵積分得：可見，剛性絕熱容器理想氣體的放氣過程，溫度變化規(guī)律與定質(zhì)量系統(tǒng)的定熵過程相同。61積分得：可見，剛性絕熱容器理想氣體的放氣過程，溫度變解：查未飽和水和過熱蒸汽表，當、時，,。例4-11：一個良好隔熱的容器，其容積為3，內(nèi)裝有200℃、0.5MPa的過熱蒸汽，打開閥門讓蒸汽流出，直至容器內(nèi)壓力降到0.1MPa。若過程進行得足夠快，以致容器壁與蒸汽之間換熱可忽略不計，試計算容器內(nèi)蒸汽的終