熱力學(xué)第4章氣體熱力過程

1第四章

氣體的熱力過程4.1理想氣體的基本熱力過程4.2理想氣體熱力過程的功及熱量4.3壓氣機(jī)的熱力過程4.4水蒸氣的等壓過程及絕熱過程4.5絕熱節(jié)流4.6氣體在噴管內(nèi)的流動(dòng)過程24.1理想氣體的基本熱力過程?目的

以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，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(jì)算。?方法和手段

求出過程方程及計(jì)算各過程初終態(tài)參數(shù)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律及氣體性質(zhì)計(jì)算過程中功和熱。畫出過程p-v及T-s圖，分析過程中參數(shù)及能量關(guān)系?？捎玫墓?。1.研究熱力過程的目的、方法4.1.1氣體基本熱力過程32.基本熱力過程常數(shù)多變過程定壓過程定溫過程定熵過程定容過程44.1.2理想氣體多變過程1.過程方程定容過程定壓過程將帶入上式v=常數(shù)p=常數(shù)定溫過程5定熵(可逆絕熱)過程取定比熱容，積分

三式適用于：

理想氣體、定比熱、可逆絕熱過程。62.理想氣體的多變過程的熱力學(xué)能差、焓差和熵差定比熱容73.多變指數(shù)4.在p-v圖及T-s圖上表示斜率8★定容過程：★定壓過程：★定溫過程：

★定比熵過程：（可逆絕熱）pvo.n=0n=1n=κn=±∞Tso.n=0n=1n=κn=±∞9★多變過程★更多關(guān)于T-s圖及p-v圖①

在p-v圖上確定T增大及s增大方向在T-s圖上確定p增大及v增大方向n↑n↑向等溫線右上方進(jìn)行的過程是T↑△u↑△h↑向等熵線右上方進(jìn)行的過程是s↑q↑在p-v圖上向等容先右方進(jìn)行的過程是v↑w↑向等壓線下方進(jìn)行的過程是p↓wt↑在T-s圖上向等溫線上方進(jìn)行的過程是T↑△u↑△h↑向等熵線上方進(jìn)行的過程是s↑q↑向等容先右下方進(jìn)行的過程是v↑w↑向等壓線右下方進(jìn)行的過程是p↓wt↑p-v,T-s圖練習(xí)（1）sTvp壓縮、升溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？p-v,T-s圖練習(xí)（2）sTvp膨脹、降溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？p-v,T-s圖練習(xí)（3）sTvp膨脹、升溫、吸熱的過程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？有某一理想氣體循環(huán)由以下幾個(gè)可逆過程構(gòu)成：①絕熱壓縮；②等容吸熱；③等壓吸熱；④絕熱膨脹；⑤定容降壓，在p-v圖及T-s圖上畫出該循環(huán)過程。154.2理想氣體熱力過程的功及熱量

4.2.1理想氣體基本過程的膨脹功和技術(shù)功1.多變過程的膨脹功和技術(shù)功162.可逆絕熱過程的膨脹功和技術(shù)功17同樣183.定容過程的膨脹功和技術(shù)功4.定壓過程的膨脹功和技術(shù)功5.定溫過程的膨脹功和技術(shù)功194.2.2氣體熱力過程的熱量及多變過程的比熱容q=2.比熱容1.熱量204.2.3多變過程的能量關(guān)系膨脹，吸熱，壓縮,放熱膨脹，放熱，壓縮,吸熱A4011554.3壓氣機(jī)的熱力過程壓氣機(jī)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(jī)、制冷空調(diào)等等型式結(jié)構(gòu)活塞式(往復(fù)式)離心式，渦旋軸流式，螺桿連續(xù)流動(dòng)壓力范圍通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)出口當(dāng)連續(xù)流動(dòng)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(jī)的壓氣過程技術(shù)功wt(1)、特別快，來不及換熱。(2)、特別慢，熱全散走。(3)、實(shí)際壓氣過程是

可能的壓氣過程sTn

三種壓氣過程的參數(shù)關(guān)系

三種壓氣過程功的計(jì)算最小重要啟示兩級(jí)壓縮中間冷卻分析有一個(gè)最佳增壓比

省功最佳增壓比的推導(dǎo)

省功最佳增壓比的推導(dǎo)

省功欲求w分級(jí)最小值，可證明若m級(jí)最佳增壓比分級(jí)壓縮的其它好處潤滑油要求t<160~180℃,高壓壓氣機(jī)必須分級(jí)分級(jí)壓縮的級(jí)數(shù)省功分級(jí)降低出口溫多級(jí)壓縮達(dá)到無窮多級(jí)(1)不可能實(shí)現(xiàn)(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜(成本高)一般采用2~4

級(jí)壓縮T31壓縮氣體可用于：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。4.3壓氣機(jī)的熱力過程壓氣機(jī)分類:★按壓頭高低

通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓氣機(jī)4.3.1概述32★按工作原理活塞式—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)壓氣機(jī)不是動(dòng)力機(jī)，壓氣機(jī)中進(jìn)行的過程不是循環(huán)334.3.2單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作原理1.工作原理0-1：吸氣，傳輸推動(dòng)功p1v12-3：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)。1-2：壓縮，耗外功34o12s..2T2n2.

理論耗功wC取決于初、終態(tài)及過程特征(1)絕熱壓縮(2)等溫壓縮(3)多變壓縮35討論：(1)理想壓縮是等溫壓縮

(2)通常為多變壓縮,1<n<κ

思考

自行車輪胎壓力通常應(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？364.3.3余隙容積的影響1.余隙容積產(chǎn)生原因布置進(jìn)、排氣結(jié)構(gòu)制造公差部件熱膨脹幾個(gè)名詞：氣缸工作容積(活塞排量)Vh(=V1–V3)余隙容積Vc（=V3）有效吸氣容積Vef（=V1–V4）余隙容積比

=Vc/Vh37生產(chǎn)過程：

1-2質(zhì)量m1氣體壓縮：p1

p22-3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)：382.余隙容積對(duì)生產(chǎn)量的影響容積效率討論：確定一定393.余隙容積對(duì)理論耗功的影響40即余隙對(duì)生產(chǎn)1kg氣體理論耗功無影響

（實(shí)際上還是使耗功增大）。歸納：

余隙存在使1）生產(chǎn)量下降

2）實(shí)際耗功增大有害容積414.3.4多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻1.多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻分級(jí)壓縮，級(jí)間冷卻工程上需要高壓氣體，但壓縮過程中隨p升高T升高；

V

下降。為使42o12aT.a3..nn22.理論耗功分析1n低壓缸ap中冷器3n高壓缸2每生產(chǎn)1kg壓縮氣體：令43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）44(3)若分級(jí)m

，則趨于定溫壓縮但體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性下降，一般2-4級(jí)。(4)定溫效率(5)真空泵的實(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)。A455155o12aT.a3..nn2.....(2)分級(jí)增多，如4級(jí).2b454.3.5葉輪式壓氣機(jī)工作原理葉輪式壓氣機(jī)

轉(zhuǎn)速高；連續(xù)吸，排氣，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；排氣量大沒有余隙影響；但每級(jí)壓比不高。葉輪式壓氣機(jī)熱力學(xué)分析由于排量大，運(yùn)轉(zhuǎn)快，難冷卻，可作絕熱壓縮考慮。離心式壓氣機(jī)軸流式壓氣機(jī)46理論耗功實(shí)際耗功實(shí)際多耗功絕熱內(nèi)效率理想氣體A451177A453257474.4水蒸氣的等壓過程及絕熱過程4.4.1概述過程中狀態(tài)參數(shù)確定——圖表或?qū)Ｓ贸绦蛴?jì)算。功、熱量的計(jì)算式：4.4.2定壓過程的熱量484.4.3定熵過程的功注意：水蒸氣絕熱過程可有其中為經(jīng)驗(yàn)數(shù)字過熱蒸汽飽和蒸汽濕蒸汽水蒸氣?A423155A423277494.5絕熱節(jié)流4.5.1絕熱節(jié)流定義：由于局部阻力，使流體壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：

1)p2<p1；

2)強(qiáng)烈不可逆，s2>s1,I=T0sg3)h1=h2，但并非等焓過程；

4)T2可能大于等于或小于T1

理想氣體T2=T1。504.5.2節(jié)流后的溫度變化

★

焦耳--湯姆遜系數(shù)（也稱節(jié)流微分效應(yīng)）取決于降溫升溫不變51★理想氣體節(jié)流過程★水蒸氣節(jié)流過程1）節(jié)流后溫度稍有下降2）但少作功作功能力損失？524.5.3節(jié)流現(xiàn)象的工程應(yīng)用氣體液化發(fā)動(dòng)機(jī)功率調(diào)節(jié)孔板流量計(jì)，干度計(jì)···

···利用μJ，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)際氣體微分方程熱網(wǎng)中蒸汽降壓A4501551A452155253

工程中有許多流動(dòng)問題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，特別是噴管內(nèi)流動(dòng)過程的能量轉(zhuǎn)換。4.6氣體在噴管內(nèi)的流動(dòng)過程4.6.1簡化穩(wěn)定、一維、可逆、絕熱參數(shù)取平均值541.連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）p1T1qm1cf1p2T2qm2cf24.6.2穩(wěn)定流動(dòng)基本方程2.過程方程注意，若水蒸氣，則553.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程忽略絕熱滯止理想氣體：定比熱容注意：高速飛行體需注意滯止后果，如飛機(jī)在–20℃的高空以

Ma=2飛行，其t0=182.6℃。56水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)4.聲速方程？注意：（1）聲速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

如空氣，（2）水蒸氣當(dāng)?shù)芈曀伲?）

馬赫數(shù)亞聲速聲速超聲速574.6.3噴管內(nèi)流速變化的條件

1.力學(xué)條件

氣體在噴管內(nèi)流速增加，是壓力差作用的結(jié)果，在流動(dòng)可逆絕熱條件下，導(dǎo)得力學(xué)條件討論：噴管（2）是壓降，是技術(shù)功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。的能量來源（1）異號(hào)582.幾何條件將過程方程代入力學(xué)條件，結(jié)合連續(xù)性方程可導(dǎo)得幾何條件討論：（1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對(duì)于噴管漸縮噴管漸擴(kuò)噴管漸縮漸擴(kuò)噴管59

截面上Ma=1、cf=c，稱臨界截面

[也稱喉部截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲俜Q臨界壓力、臨界溫度及臨界比體積。（2）

當(dāng)促使流速改變的壓力條件得到滿足的前提下：a.收縮噴管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）；

b.以低于當(dāng)?shù)匾羲倭魅霛u擴(kuò)噴管不可能使氣流可逆加速。

c.使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮漸擴(kuò)噴管

——拉伐爾噴管。60(3)背壓pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境的壓力。正確設(shè)計(jì)的噴管其出口截面上壓力p2等于壓pb，但非設(shè)計(jì)工況下p2未必等于

pb。歸納：

1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使流動(dòng)可逆必不可少的條件；5）p2未必等于背壓pb。2）氣流的焓差（即技術(shù)功）為氣流加速提供能量；3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?）拉伐爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?14.6.4噴管內(nèi)氣流流速及流量計(jì)算1.流速計(jì)算及分析

計(jì)算式注意：

(1)公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)；

(2)式中h，J/kg；cf，m/s，一般資料提供h，kJ/kg。2.流速分析p2/p0=1，cf2