理想气体的热力过程及气体压缩市公开课一等奖省赛课获奖课件

第三章

理想气体热力过程及气体压缩10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第1页学习要求

掌握理想气体基本热力过程过程方程式和基本状态参数改变关系式，能正确计算理想气体基本热力过程热量和功量。

知道多变过程是热力过程从特殊到普通更普遍表示式，会利用多变过程规律进行过程分析、计算。

能将理想气体各种热力过程表示在p-v图和T-s图上。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第2页本章难点

1.理想气体各种热力过程初、终态基本状态参数间关系式以及过程中热力系与外界交换热量和功量计算式较多，怎样记忆和利用是一难点，应结合例题与习题加强练习。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第3页第一节理想气体热力过程

在热力设备中，热能与机械能间相互转换及工质状态参数改变规律都是经过热力过程来实现。研究分析热力过程目标和任务:揭示不一样热力过程中工质状态参数改变规律和能量在过程中相互转换数量关系。

研究分析热力过程方法:采取抽象、简化方法，将复杂不可逆过程简化为理想气体可逆过程来处理，然后，借助于一些经验系数进行修正。可逆定容、定压、定温、绝热过程等10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第4页

研究分析热力过程内容与步骤：

（1）依据过程特征和热力性质，建立过程方程式pf（v）。（2）依据过程方程式并结合理想气体状态方程式，确定不一样状态下基本状态参数p、v、T之间关系。（3）计算过程中热力系与外界之间热量和功量交换。（4）绘制过程曲线，即p-v图和T-s图，方便于用图示方法进行定性分析。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第5页一、基本热力过程

1.定容过程基本热力过程是指热力系保持某一状态参数（比体积v、压力p、温度T与熵s等）不变热力过程。——定量工质在状态改变中保持体积不变过程。

（1）过程方程式

v=定值

（2）初、终状态参数关系式

p、T成正比

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第6页体积改变功技术功热量定容过程（3）功量与热量计算

或cv取定值

适合用于任何工质

定容过程中加给工质热量全部转变为工质热力学能增加。

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第7页

（4）过程曲线

定容过程在p-v图上为一条垂直于v轴直线，在T-s图上是一条指数曲线。

定容过程1—2:定容加热升温1—2:定容放热降温热力系与外界交换热量

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第8页

2.定压过程——定量工质在状态改变中保持压力不变过程。

（1）过程方程式

p=定值

（2）初、终状态参数关系式

v、T成正比

（3）功量与热量计算

体积改变功技术功热量定压过程中工质所吸收热量等于工质焓增量

或适合用于任何过程

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第9页

（4）过程曲线

定压过程在p-v图上是一条水平线，在T-s图上也是一条指数曲线，但斜率小于定容过程曲线。定压过程1—2:定压吸热升温膨胀1—2:定压放热降温压缩10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第10页

3.定温过程——定量工质在状态改变中保持温度不变过程。

（1）过程方程式

T=定值

（2）初、终状态参数关系式

p、v成反比

（3）功量与热量计算

体积改变功pv=定值

pv=RgT

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第11页（4）过程曲线

定温过程定温过程在p-v图上为一条等轴双曲线，在T-s图上是一条平行于s轴直线。

技术功热量q、wt、w相等

qhwt,h=0

wtq

定温过程中工质所吸收(或放出)热量全部用于对外做膨胀功(或外界对其作压缩功)

1—2:定温吸热熵增膨胀1—2:定温放热熵减压缩10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第12页

4.绝热过程——定量工质在状态改变中与外界没有热量传递过程。（1）过程方程式

对于可逆绝热过程:

s=定值所以可逆绝热过程又称为定熵过程。=定值

等熵指数。对于理想气体，单原子气体1.66；双原子气体1.4；多原子气体1.33。

据热力学第一定律故10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第13页（2）初、终状态参数关系式依据

上式可变为绝热过程（3）功量与热量计算

热量q=0

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第14页绝热过程体积改变功适合用于任何工质可逆或不可逆绝热过程cV取定值绝热过程中工质所作膨胀功等于热力系热力学能降低；而外界对热力系作压缩功则全部转换成热力系热力学能增加。

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第15页绝热过程技术功qhwt=0

由cp取定值在绝热流动过程中，流开工质所做技术功全部来自其焓降。

=定值

适合用于任何工质可逆或不可逆绝热过程10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第16页

（4）过程曲线

定熵过程在p-v图上为一条高次双曲线,该曲线较定温曲线陡;在T-s图上是一条垂直于s轴直线。

定熵过程1—2:定熵膨胀降温降压1—2:定熵压缩升温升压

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第17页

例3-4如图3-6所表示，0.9kg空气从初态p10.2MPa，t1300℃定温膨胀到V21.8m3。随即将空气定压压缩，再在定容下加热，使它重新回到初始状态。试求每一过程中热力学能和焓改变量？定压过程所耗功？定容过程加热量？已知空气cp1.004kJ/（kg·K），cV0.717kJ/（kg·K），Rg287J/（kg·K）。

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第18页

解：由理想气体状态方程得

（m3）

因为V3=V1，T2=T1，

所以

（K）（1）定温过程1→2U0H010/10/理想气体的热力过程及气体压缩第19页

（2）定压过程2→3

（kJ）

（kJ）

（3）定容过程3→1W=MRg(T3T2)=0.9287(252.39573)=82.81103(J)=82.81（kJ）

U=mcV(T1T3)=0.90.717(573252.39)=206.89（kJ）H=mcp(T1T3)=0.91.004(573252.39)=289.7（kJ）QU206.89（kJ）

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第20页第二节多变过程

1.过程方程式及多变指数常数符合该式状态改变过程即为多变过程当n0时，p定值，为定压过程；当n1时，pv定值，为定温过程；当n时，=定值，为绝热过程；当n±∞时，v=定值，为定容过程

n称为多变指数,范围从-∞到+∞;在热力设备中只讨论n为正值情况。

多变过程过程方程式形式与绝热过程完全相同所以，四个基本热力过程能够看成是多变过程特例。

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第21页（2）初、终状态参数关系式及功量与热量计算

多变过程热量初、终状态参数关系式

体积改变功

技术功cn称为多变比热容。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第22页3.过程曲线及特征分析多变过程

介于定温和定熵过程之间(1＜n＜)多变过程是热机和制冷机中常碰到过程。

（1）过程曲线分布规律

n值按顺时针方向逐步增大n:-∞01+∞10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第23页多变过程（2）过程特征判定

基准线p-v图上区域T-s图上区域热力过程参数改变及能量转换定熵线定熵线右上区定熵线右侧区s＞0，q＞0定熵线左下区定熵线左侧区s＜0，q＜0定容线定容线右侧区定容线右下区v＞0，w＞0

定容线左侧区定容线左上区v＜0，w＜0

定压线定压线下侧区定压线右下区wt＞0

定压线上侧区定压线左上区wt＜0定温线定温线右上区定温线上侧区

T＞0，u＞0，h＞0

定温线左下区定温线下侧区T＜0，u＜0，h＜0

10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第24页用来压缩气体设备称为压气机。气体经压气机压缩后，压力升高，称为压缩气体。压气机被广泛地应用于动力、制冷和化工等工程中。惯用压气机按其结构及工作原理可分为：活塞式（往复式）、叶轮式（离心式、轴流式）及回转式压气机等。在活塞式压气机中，气体在气缸内由往复运动活塞来进行压缩，通惯用于压力高、用气量小场所。在叶轮式压气机中，气体压缩主要依靠离心力作用，通惯用于压力低、用气量大地方。第三节单级活塞式压气机基本原理10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第25页各种压气机结构尽管不一样，但从热力学观点来分析，压气机中气体状态改变规律都是一样，都是消耗机械功使气体得到压缩而提升其压力。下面以活塞式压气机为例介绍其工作原理。在理想条件下，其工作过程可分为三个阶段：(1)吸气过程当活塞自左端点向右移动时，进气阀A开启，排气阀B关闭，初状态为p1、T1气体被吸入气缸。活塞抵达右端点时进气阀关闭，吸气过程完成。气体自缸外被吸入缸内整个吸气过程中状态参数p1、T1没有改变，但质量不停增加。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第26页(2)压缩过程进、排气阀均关闭，活塞在外力推进下自右端点向左运动，缸内气体被压缩升压。在压缩过程中气体质量不变，压力及温度由p1、T1变为p2、T2。单级活塞式压气机

(a)工作原理图(b)p-V图10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第27页(3)排气过程活塞向左运行到某一位置时，气体压力升高到预定终态压力p2，排气阀B被顶开，活塞继续左行，直到左端点，排气完成。排气过程中气体热力状态p2、T2没有改变，活塞每往返一次，完成以上三个过程。为了便于研究，假定活塞运动到左端点时，活塞与气缸盖之间没有余隙存在，还假定压缩过程是可逆，在这些假定条件下压气机工作过程，称为理论压气过程。该过程可表示在p-V图上，如图b所表示。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第28页压气机工作条件不一样，其压缩过程也不相同，压缩过程性质与气体被冷却情况相关，压缩过程存在两种极限情况：一个是过程进行得非常快，由机械功转变热能来不及经过气缸传给外界，或传出热量极少，这种过程可视为绝热压缩过程；另一个是过程进行得非常慢，气缸冷却效果很好，由机械功转变热能及时从气缸传出，气体温度保持不变，属于等温压缩过程，过程特征指数n=1。在实际压缩过程中尽管都采取了一定冷却办法，有部分热量从气缸传出，但难以实现等温压缩，这么压缩过程介于等温与绝热压缩之间，属于多变压缩，过程特征指数为

1＜n＜k。压气机压缩过程分析10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第29页从前面关于热力过程学习中得出这么结论，从同一初态（p1、T1）出发，经三种不一样压缩过程，到达同一终态压力p2，所消耗功量是不一样。为了得到预期压力气体，所消耗功量自然是越小越好。另外，压缩终了气体温度也尽可能要低一些，因为过高气体温度对压气机缸体显然是不利。以下就结合p-V图和T-s图对绝热压缩、等温压缩以及多变压缩进行分析，看哪种压缩过程更省功，哪种压缩过程更有利于压气机安全运行。为便于分析，假定压缩过程是可逆，并假定活塞与气缸盖之间没有余隙存在。10/10/理想气体的热力过程及气体压缩第30页5.1.2.1压缩过程消耗轴功10/10/理想气体的热力过程及气体压缩