《工程熱力學》課件-12 理想氣體的基本熱力過程

理想氣體的基本熱力過程理想氣體的熱力學能、焓和熵的變化量1理想氣體的熱力學能、焓由于理想氣體的熱力學能是溫度的單值函數(shù)，故不管經(jīng)歷什么熱力過程，只要是從t1變化至t2時，上兩式均成立。也就是說理想氣體的熱力學能變化量與經(jīng)歷的過程沒有關(guān)系，僅僅只與熱力過程的初溫與終溫有關(guān)，在數(shù)值上等于初溫與終溫相同的定體積過程中的熱量。理想氣體的熱力學能、焓和熵的變化量2理想氣體熵的變化量根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式和及其邁耶公式，分別代入以上兩式，變化積分后可得(取比熱容為定值比熱容)只需知道初、終狀態(tài)，可由以上三式任選其中一式計算理想氣體的熵變化量。

010203掌握理想氣體的四個基本熱力過程的特點掌握熱力過程在參數(shù)坐標圖的表示及特點理解理想氣體混合物的意義課程要求理想氣體的熱力過程我們的分析是以熱力學第一定律為基礎，理想氣體為工質(zhì)，可逆過程為前提的。主要依據(jù)包括：02

熱力學能、焓計算式01理想氣體狀態(tài)方程這個主要分析過程參數(shù)變化特點的；這個主要是在熱力學第一定律中需要分析熱力學能和焓的變化量的確定；理想氣體的比熱容03熱力學第一定律、利用比熱容求熱量03可逆體積功可逆技術(shù)功比熱容求熱量熱力學第一定律

這幾個主要是分析能量轉(zhuǎn)換的依據(jù)公式，要探討熱力過程中可逆體積功，可逆技術(shù)功，熱量。理想氣體的四個基本熱力過程理想氣體的定體積過程概念:定容過程是工質(zhì)在變化過程中容積保持不變的熱力過程。(如內(nèi)燃機中的燃燒過程)

1.過程方程式：

2.基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系式：

理想氣體的定體積過程3.功量與熱量的分析計算：

定容過程中加給工質(zhì)的熱量等于工質(zhì)熱力學能的增加定容過程實質(zhì)上是閉口系中熱變功的準備過程1)定容過程不作膨脹功，即3)利用比熱容計算熱量定容吸熱溫度T上升壓力p增大定容放熱溫度T下降壓力p減小2)定容過程做技術(shù)功，即

理想氣體的定體積過程4.過程曲線pvTs1212p-v圖上定容線為一條垂直于v坐標軸的直線;T-s圖上定容線為一條斜率為正的指數(shù)曲線。1-2為定容加熱過程，氣體升溫升壓;1-2'為定容放熱過程，氣體降溫降壓。理想氣體的定壓過程概念:壓力保持不變時工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化所經(jīng)歷的過程。(如電廠中各種換熱器中的加熱或冷卻過程）

1.過程方程式：

2.基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系式：

理想氣體的定壓過程3.功量與熱量的分析計算：1)定壓過程所做膨脹功2)定壓過程不做技術(shù)功，即定壓吸熱溫度T上升v增大（膨脹）定壓放熱溫度T下降v減?。▔嚎s）

定壓過程中加給工質(zhì)的熱量等于工質(zhì)焓的增加

3)定壓過程吸熱量理想氣體的定壓過程4.過程曲線p-v圖上定壓線為一條平行于v坐標軸的直線;T-s圖上定壓線為一條斜率為正的指數(shù)曲線。(注意:在T-s圖中，通過同一狀態(tài)點的定容線較定壓線陡峭!)1-2為定壓加熱過程，氣體升溫膨脹;1-2'為定壓放熱過程，氣體降溫壓縮。pvTs1212v3-3定壓過程動畫理想氣體的定溫過程概念:工質(zhì)在變化過程中溫度保持不變的熱力過程。(如活塞式壓氣機中冷卻條件較好的壓縮過程)

1.過程方程式：

2.基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系式：

3.功量與熱量的分析計算：

定溫過程中工質(zhì)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)換為功

理想氣體的定溫過程4.過程曲線p-v圖上定溫線為一條等邊雙曲線;T-s圖上定溫線為一條平行于s坐標軸的直線。1-2為定溫加熱過程，氣體吸熱膨脹;1-2'為定溫放熱過程，氣體放熱壓縮。pvTs1212課堂練習【判斷題】理想氣體的定溫過程也即是定熱力學能和定焓的過程。正確理想氣體的絕熱過程概念:可逆的絕熱過程稱為定熵過程。(如電廠汽輪機中蒸汽的膨脹過程可近似看作絕熱過程若忽略摩擦等不可逆因素，即為可逆絕熱過程。)1.過程方程式：(k——絕熱指數(shù)或比熱比，k=cp/cv)2.基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系式：可見，工質(zhì)絕熱膨脹時，比體積增大，壓力降低，溫度降低

或或

理想氣體的絕熱過程3.功量與熱量的分析計算：上述各式表明，在絕熱膨脹過程中，工質(zhì)對外做的膨脹功等于工質(zhì)熱力學能的減少，對外做的技術(shù)功等于工質(zhì)焓的減少。（熱能→機械能)

理想氣體的絕熱過程4.過程曲線絕熱過程在T-s圖中為一條垂直于s軸的直線在p-v圖中為一條高次雙曲線(k>1）比通過同一狀態(tài)點的定溫過程線陡峭!1-2為絕熱膨脹過程，氣體降溫降壓;1-2’為絕熱壓縮過程，氣體升溫升壓。pvTs1212T課堂練習絕熱過程定溫過程定壓過程定容過程吸熱升溫升壓吸熱升溫膨脹吸熱膨脹降壓膨脹降溫降壓理想氣體的多變過程概念:滿足以下過程方程式的熱力過程。式中，n稱為多變指數(shù)，范圍從-∞到+

∞;在熱力設備中只討論n為正值的情況。前述的四種典型過程均為多變過程的特例:理想氣體的四個基本熱力過程4.過程曲線pvTsn=0n=0n=0n=0n=

n=

n=kn=

n=1n=1n=1n=1n=±∞n=±∞n=±∞n=±∞課堂練習【判斷題】在p-v圖上，通過同一狀態(tài)點的絕熱過程線的斜率比定溫過程線的斜率大。正確例題分析【例3-6】某200MW機組鍋爐的空氣預熱器，將壓力為0.12MPa，溫度為27℃的2000kg空氣在定壓下加熱到227℃。試求初、終狀態(tài)的容積、熱力學能的變化量及過程中所加入的熱量。設比熱容為定值。解:空氣的初態(tài)容積為空氣經(jīng)歷定壓過程后，終態(tài)容積為熱力學能的變化量為空氣的吸熱量為

理想氣體的四個基本熱力過程4.過程曲線的定性分析定容過程pvTs1212

以定容線為界，向右比體積增加，向左比體積減??；同時可以判斷體積功的方向（正負），向右對外作功（正），向左外界對系統(tǒng)作功（負）a理想氣體的四個基本熱力過程4.過程曲線的定性分析

以定壓線為界，向上壓力增加，向下壓力減??；同時可以判斷技術(shù)功的方向（正負），向上對外界對系統(tǒng)作技術(shù)功（負），向下對外作技術(shù)功（正）bpvTs1212v定壓過程理想氣體的四個基本熱力過程4.過程曲線的定性分析

以定溫線為界，向上溫度增加，向下溫度減??；同時可以判斷熱力學能、焓的變化，向上熱力學能、焓增加，向下熱力學能、焓減小cpvTs1212定溫過程理想氣體的四個基本熱力過程4.過程曲線的定性分析

以定熵線為界，向右熵增加，向左熵減??；同時可以判斷熱量的方向（正負），向右吸熱（正），向左放熱（負）dpvTs1212T定熵（絕熱）過程理想氣體混合物

工程中常用的理想氣體的工質(zhì)大多是幾種不同種類氣體的混合物。例如，鍋爐中燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣，作為燃氣輪機和內(nèi)燃機工質(zhì)的燃氣，都是由不同氣體組成的混合氣體。空氣調(diào)節(jié)設備中的空氣調(diào)節(jié)過程，冷卻水塔中的水冷卻過程，都與空氣和水蒸氣的混合特性密切相關(guān)。由兩種或兩種以上理想氣體組成的混合氣體，叫做“理想氣體混合物”。理想氣體混合物由兩種或兩種以上理想氣體組成的混合氣體，叫做“理想氣體混合物”。01混合氣體內(nèi)部無化學反應，成分不變02各組成氣體都有理想氣體的性質(zhì)03混合后仍具有理想氣體的性質(zhì)04各組成氣體彼此獨立，互不影響理想混合氣體具有以下性質(zhì)理想氣體混合物由兩種或兩種以上理想氣體組成的混合氣體，叫做“理想氣體混合物”。因此在這種混合氣體中，各組成氣體之間不發(fā)生化學反應，它們各自互不影響地充滿整個容器，理想氣體混合物的性質(zhì)實際上就是各組成氣體性質(zhì)的組合，理想混合氣體的p、T、v之間的關(guān)系仍然符合理想氣體狀態(tài)方程式。理想氣體混合物表示理想氣體混合物中的組成氣體的數(shù)量，通常有兩種方法，一是絕對成分，就是混合氣體中實際氣體的數(shù)量，由成分表可以看出。通常用三種數(shù)量，分別用:質(zhì)量（包括混合氣體的總質(zhì)量m和組成氣體質(zhì)量mi）體積（包括混合氣體的總體積V和組成氣體的體積Vi）摩爾數(shù)（包括混合氣體的總摩爾數(shù)n和組成氣體的摩爾數(shù)ni），理想氣體混合物式中mi、ni、Vi分別代表混合氣體中第i種組成氣體的質(zhì)量、摩爾數(shù)和體積。表示理想氣體混合物中各組成氣體的含量。成分是指各組成氣體的含量占總量的百分數(shù),依照計量單位的不同有三種表示方法01質(zhì)量分數(shù)02摩爾分數(shù)03體積分數(shù)理想氣體混合物理想氣體混合物我們常說的空氣是有78%的氮氣和21%的氧氣組成的，這個成分就是體積成分。根據(jù)各成分定義，顯然有對于混合氣體來說，摩爾分數(shù)在數(shù)值上等于體積分數(shù)理想氣體混合物

利用理想氣體狀態(tài)方程時，我們還需要確定理想氣體的平均氣體常數(shù)。根據(jù)質(zhì)量守恒，若Mi為第i種組成氣體的千摩爾質(zhì)量，則理想氣體混合物的平均摩爾質(zhì)量為

相應的平均氣體常數(shù)由下式確定理想氣體混合物例如，空氣是有78%的氮氣、21%的氧氣和1%的其他氣體組成的，我們確定空氣的千摩爾質(zhì)量和氣體常數(shù)。

混合氣體基本定律先看分壓力的概念，如左圖所示設有溫度為T、壓力為p以及物質(zhì)的量為n的理想氣體混合物，占有的體積為V。如果我們把組成氣體進行分離，那么若組成氣體分離開來后，第I種組成氣體在與混合氣體溫度相同的情況下，單獨占據(jù)整個容器體積V時，所具有的壓力叫做“分壓力”，用pi表示。如右圖所示，分壓力是組成氣體在混合氣體中產(chǎn)生的實際壓力。氣體1氣體2氣體1p010010p1分壓力分壓定律與分容積定律混合氣體基本定律上式表明混合氣體的總壓力p等于各組成氣體分壓力之和。根據(jù)物質(zhì)平衡，混合氣體的物質(zhì)的量等于各組成氣體物質(zhì)的量之和，即道爾頓分壓力定律2對混合氣體和每種組成氣體都可以寫出狀態(tài)方程為混合氣體基本定律道爾頓分壓力定律21801年，道爾頓（Dalton）用實驗證實了該結(jié)論，故稱為道爾頓分壓定律。有道爾頓分壓定律可知若混合氣體的總壓不變，其中一種組分分壓力增大，則其他組分分壓力會減小；若混合氣體的總壓減小，則其組成氣體分壓力會減小，道爾頓分壓定律在生活和工程上都要一定的應用?；旌蠚怏w基本定律道爾頓分壓力定律2

生活實例

氣體在水中溶解量與水面上此氣體的分壓力成正比；打開瓶蓋，則表面上總壓減小，故CO2分壓力減小，溶解度會減小而析出。夏天喝汽水時，打開瓶蓋，汽水中有大量氣泡出現(xiàn)？混合氣體基本定律道爾頓分壓力定律2

工程實例

氣體在水中溶解量與水面上此氣體的分壓力成正比。在除氧器內(nèi)加熱水，使部分水汽化，增加水蒸汽分壓力。總壓一定條件下，氧氣分壓力會因水蒸氣分壓力的增加而減小，分壓力