工程热力学第7讲-第4章-1理想气体、蒸汽、湿空气的热力过程.ppt

工程热力学 第八讲 山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所,过程装备与控制工程专业,本讲内容,4-1 理想气体和实际气体过程分析 4.1 研究热力过程的目的和方法 4.2 理想气体的热力过程 4.3 水蒸气的热力过程 4.4 湿空气的热力过程 4.5 绝热节流及其应用,学习要求,熟练掌握理想气体的定容、定压、定温、绝热、多变过程中状态参数p、v、T、u、h、s的计算，过程量Q、W的计算，以及上述过程在p-v 、T-s图上的表示。 熟练利用h-s图和蒸气表计算水蒸气的热力过程。 能利用h-d 图进行湿空气的典型过程分析。 掌握绝热节流的特点。,熟练掌握书上p111公式汇总，会用热力学第一定律、理想气体状态方程和热量、功等参数的基本定义式。 基本过程的计算是工程热力学的基础，要非常清楚，非常熟悉。该类题拿来就应该会算。,4.1研究热力过程的目的和方法,研究目的： 研究外部条件对热能和机械能转换的影响，通过有利的外部条件，达到合理安排热力过程，提高热能和机械能转换效率的目的。 研究对象: (1) 确定工质的状态变化规律； (2) 确定过程中能量传递和转换的情况。 研究方法： 抽象简化 - 基本过程 -修正 研究热力学过程的关键：两点一线,常见简化关键词,刚性容器定容 散热良好等温 保温良好绝热 快速来不及散热绝热 缓慢准平衡过程 突然非准平衡过程 缓慢、无摩擦可逆过程,研究热力学过程的步骤,研究步骤： (1) 根据过程特点，列出过程方程式； (2) 建立基本状态参数间的关系式； (3) 在pv图、Ts图上绘出过程曲线； (4) 计算u，h，s； (5) 计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。,4.2 理想气体的热力过程,理想气体可逆过程计算公式： 可逆过程 第一定律 理想气体 其他基本计算公式：,理想气体定容过程,工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。 1.过程方程式： v = 定值 2.状态参数间的关系式： 3.容积功： 定容过程不做容积功 4.技术功： 5.热量:,理想气体定容过程,6.过程曲线： p-v 图 T-s图,理想气体定压过程,工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。 1.过程方程式： p = 定值 2.状态参数间的关系式： 3.容积功： 4.技术功： 定压过程不做技术功 5.热量:,理想气体定压过程,6.过程曲线： p-v 图 T-s图,理想气体定温过程,工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。 1.过程方程式： T = 定值 2.状态参数间的关系式： 3.容积功： 4.技术功： 容积功完全是技术功 5.热量:,理想气体定温过程,6.过程曲线： p-v 图 T-s图,理想气体定熵(绝热)过程,可逆绝热的热力过程。 1.过程方程式： q = 0 s = 定值 2.状态参数间的关系式： 3.容积功： 热量完全转化为容积功 4.技术功： 容积功完全是技术功 5.热量:,理想气体定熵(绝热)过程,理想气体,定熵过程,理想气体定熵过程方程推导,理想气体定熵(绝热)过程,定熵(绝热)过程说明： 不能说绝热过程就是定熵过程,必须是可逆绝热过程才是定熵过程。 变比热定熵过程：自学,可逆,绝热,理想气体定熵(绝热)过程,6.过程曲线： p-v 图 T-s图,理想气体的基本过程-初终态关系,定容 定压 定温 定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程-过程方程,定容 定压 定温 定熵(绝热),p,T,s,v,理想气体的基本过程-p-v,T-s图,理想气体的基本过程- u, h, s,定容 定压 定温 定熵(绝热),状态参数的变化与过程无关,理想气体的基本过程-u、h在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- w,定容 定压 定温 定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程- w在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- wt,定容 定压 定温 定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程- wt在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- q,定容 定压 定温 定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程- q在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- u,h,w,wt,q变化趋势小结,h0,u,h (T ) w (v ) wt (p ) q (s ),理想气体的多变过程,过程指数不变的热力过程。 1.过程方程式： n = 定值 2.状态参数间的关系式：,理想气体的多变过程,3.容积功： 4.技术功： 5.热量: 定比热： 6.多变过程比热：,理想气体的多变过程,7.多变过程指数的确定: 1)用过程线两端点 2)用实际过程lgp-lgv坐标图 3)用p-v图面积对比计算,基本过程是多变过程的特例,(1) 当 n = 0,(2) 当 n = 1,(3) 当 n = k,(4) 当 n = ,p,T,s,v,小结,过程计算方程： 初态状态方程 终态状态方程 过程方程 能量守恒方程 质量守恒方程 熵守恒方程,定义式： 容积功 技术功 焓 熵 比热 比热比,4.3 蒸气的热力过程,理想气体的热力过程分析方法： 公式计算法 蒸气的热力过程分析方法： 利用图表 (1).定性：p-v图 T-s图 p-T图 (2).定量：h-s图(热机) lgp-h图(制冷),研究蒸气热力过程的依据,1)第一定律 2)状态参数 查图、查表 3)过程参数（可逆过程）,研究蒸气热力过程的步骤,研究步骤： (1).利用图表，由已知的初态参数确定未知的初态参数； (2).利用图表，根据过程特点和已知的终态参数确定未知的终态参数； (3).由初态参数和代入有关公式计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。,蒸气的定容过程,工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。 1.过程方程式： v = 定值 2.容积功： 定容过程不做容积功 3.技术功： 4.热量: 5.内能：,蒸气的定压过程,工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。 1.过程方程式： p = 定值 2.容积功： 3.技术功： 定压过程不做技术功 4.热量: 5.内能：,蒸气的定温过程,工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。 1.过程方程式： T = 定值 2.容积功： 3.技术功： 定压过程不做技术功 4.热量: 5.内能：,蒸气的定熵（可逆绝热）过程,可逆绝热的热力过程。 1.过程方程式： s = 定值 2.容积功： 3.技术功： 定压过程不做技术功 4.热量: 5.内能：,蒸气的定熵（可逆绝热）过程,绝热指数的近似估算： 过 热 蒸 汽：k=1.30 干饱和蒸汽：k=1.135 湿饱和蒸汽：k=1.035+0.1x k不能用来计算蒸汽的状态参数,定熵（可逆绝热）过程绝热指数：,蒸气基本热力过程的应用,定压过程： 定压过程是蒸汽动力装置循环中实施得最普遍的过程，锅炉个换热器内的吸热过程、给水在回热加热器内的加热过程、凝汽器内的加热过程、放热过程等均可看成可逆定压过程。 绝热过程： 绝热过程也是蒸汽动力装置循环中实施得较普遍的过程，如水蒸气在汽轮机内的膨胀过程、水在水泵中的升压过程等都是绝热过程。,4.4 湿空气的热力过程,复习： 湿空气可以看作理想气体（干空气和水蒸气）的混合物。通常水蒸气的分压力只有2030mmHg。 露点温度是指湿空气中水蒸气的分压力所对应的饱和温度。露点温度对锅炉的设计和运行有重要的实际意义。 相对湿度是指湿空气中水蒸气的实际含量接近最大可能含量的程度。,复习：湿空气的焓湿图,不同的pb 不同的h-d图,=100%,td,tw,t,湿球温度tw=绝热饱和温度,热湿比：h-d图上为直线 经常作为过程斜率出现,湿空气的基本热力过程,单纯加热或冷却过程 特点：含湿量不变 冷却去湿过程 特点：凝析前含湿量不变，凝析后水蒸气饱和 增压冷凝过程 特点：比较压力是否饱和以确定凝析情况 绝热加湿过程 特点：绝热，近似定焓 加热加湿过程 特点：能量守恒，吸热等于焓增，过程需补充条件 绝热混合过程 特点：能量、质量守恒,单纯加热或冷却过程,特点：含湿量不变,=100%,冷却去湿过程,d,h,1,2,2,3,4,特点：凝析前含湿量不变， 凝析后水蒸气饱和,=100%,增压冷凝过程,压缩机 过程： 常态 加压 冷却降温 凝析 p1 ，t1 ，1 p2， t2 p2， t2 pst1= ps1 1 pst2= pst1p2/p1 ps2 pst2 ps2 ,绝热加湿过程,蒸发冷却过程,=100%,加热加湿过程,=100%,绝热混合过程-1,空调工程常用方法,绝热混合过程-2,d,h,1,2,h3,h2,3,h1,ma1,ma2,=100%,4.5 绝热节流,绝热节流：流体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及与外界进行热量交换的过程。 过程的基本特性等焓、压降 h1h2 推导： 根据 Q=0 + 第一定律,焦耳汤姆逊效应,时间：1852年 实验装置： 结论：节流前后，气流温度发生变化 原因：h = f ( p , T ) 分析： 理想气体：节流后，焓不变、温度不变、压力降低、比容增大，由于是不可逆绝热过程，节流后熵的值增大。 实际气体：节流前后焓不变，但温度有三种可能，即升高、不变或降低。,微分节流效应,绝热节流引起的温度变化，称绝热节流温度效应。 节流后温度升高，称为热效应； 节流后温度降低，称为冷效应； 节流前后温度不变，称为零效应， 所有理想气体都是零效应。 分析：,积分节流效应,微分节流效应和积分节流效应不尽相同,节流的实际应用,利用节流降低工质的压力-孔板差压计 利用节流测定蒸汽的流量-孔板流量计 利用节流代替膨胀机 利用节流调节汽轮机的功率,练习与讨论,例1：,同种气体，TA=TB=T0=288K， I.突然拔掉销钉，经很长时间，TA=TB=T0 活塞无摩擦，完全导热 II.拔掉销钉，活塞有摩擦，完全导热， 且经历准静态等温过程。 求： 1）活塞移动距离L 2）A气体对B气体传热QA A气体对B气体作功WA 3）气缸与外界换热QA+B 4） SA ,SB , SA+B,I. 活塞无摩擦，完全导热,解： 1）活塞移动距离 假设活塞上移后容积变化x A和B质量和温度不变 代入已知参数，得 终态时压力平衡 活塞上移距离,I. 活塞无摩擦，完全导热,2）A气体对B气体作功WA 突然，不是准静态， WA无法确定。 A气体对B气体传热QA 无法确定。 3）气缸与外界换热QA+B,I. 活塞无摩擦，完全导热,4） SA ,SB , SA+B 讨论： SA可求，而QA不可求。 S状态参数与过程无关。 不可逆过程熵增。,QA+B=0，SA +B 0,II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温,解： 1）活塞移动距离 假设活塞上移后容积变化x A和B质量和温度不变 代入已知参数，得 终态时压力平衡 活塞上移距离,I. II. 距离L相等,II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温,2）A气体对B气体作功WA 准静态， WA可以确定。 摩擦耗功计算：,II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温,A气体对B气体传热QA 3）气缸与外界换热QA+B,II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温,4） SA ,SB , SA+B 讨论： 并非巧合 SAB由摩擦不可逆引起,练习与讨论,例2：,小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱初为真空，由于小瓶漏气，某时刻，小瓶内温度为TA，箱内氦气温度为TB。氦气为理想气体，试分析TA，TA，TB的大小关系。 关键：选取适当系统。,例2解,分析： 1）取小瓶为系统。 绝热系统 理想气体,例2解,2）取保温箱为系统。,练习与讨论,例3：,刚性氧气瓶，V=0.04m3, p1=147.1bar , t1=t0=20， 迅速放气，求：放出的质量m。,关键：求T2 。,p2 ,V已知， 先求T2,m1,m2,m,例3解-方法一,解：取氧气瓶为开口系，开口系能量方程：,例3解-方法二,气瓶为刚性容器：,例3解-方法二,解：放气过程中，氧气瓶内为绝热过程：,练习与讨论,例4：,压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？,s,T,v,p,练习与讨论,例5：,膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？,s,T,v,p,练习与讨论,例6：,膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？,s,T,v,p,练习与讨论,例7：,已知空气的t1=20oC，1 =0.6，p1= 0.1MPa，将其加热至t2=50oC后送入干燥室，从干燥室排出时t3=30oC，求： 1）3 = ？ 2） d3 = ? 3) 从干燥室每吸收1kg水分所需空气量和加热量.,例7解,加热过程分析单纯加热,加热过