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1、第四章 理想气体的热力过程和气体压缩,第一节 分析热力过程的目的及一般方法 一、分析热力过程的目的和任务 1、 工程中实施热力过程主要目的 （1）完成一定的能量转换。 （2）使工质达到一定的热力状态。 2、研究热力过程的任务 揭示状态变化的规律与能量传递之间的关系，从而计算热力过程中工质状态参数的变化及传递的能量、热量和功量。,二、热力过程中工质参数变化值的计算 （一）初、终状态参数（p, T, v）的计算 1、理想气体状态方程,或,2、过程方程 过程方程描述过程中压力与比容的变化规律，即p=f(v)。初、终状态是过程的两个端点，服从过程方程的规律。,（二）过程中内能、焓和熵变化的计算 理想气

2、体内能和焓是温度的单值函数。,1、内能变化,2、焓变化,3、熵的变化,(1),利用热力学第一定律，,并利用理想气体状态方程,确定p与v的关系，以便计算,若cv为定值比热（否则不能提到积分符号外），则有,由上式可知对于理想气体熵并不只是温度的单值函数。,(2),对于cp为定值比热积分后，得,只要知道三个参数中任意两个以及气体比热就可求出工质的熵的变化，对于定温、定压和定容过程可简化计算。,(3),三、热力过程中传递能量的计算 在热力过程中传递能量的计算时，可以利用热力学第一定律 以及定义式,四、分析热力过程的一般步骤 1、依据热力过程的特性建立过程方程，p=f(v)； 2、确定初、终状态的基本状

3、态参数； 3、将过程线表示在p-v图及T-s图上，使过程直观，便于分析讨论。 4、计算过程中传递的热量和功量。,第二节 定容过程、定压过程、定温过程和定熵过程（四种基本热力过程）,一、定容过程 定容过程是热力系统在保持比容（比体积）不变的情况下进行的吸热或放热过程。 1、过程方程 过程方程p与v表示之间的关系。,2、p-v图与T-s图,（1）p-v图 一条垂直v坐标的直线。,（2）T-s图,熵方程,在T-s图中定容过程是怎样的？ 如何获得？,需知道定v条件下，T与s的关系。,定比热理想气体进行的定容过程在温熵图中是一条指数曲线，斜率随温度增加而增加。,如何判别p增加的方向？,3、功与热量的计算

4、(过程量),状态参数如何计算？,二、定压过程 定压过程是热力系统在保持压力不变的情况下进行的吸热或放热过程。 1、过程方程 2、p-v图与T-s图,（1）p-v图,(2) T-s图,定比热理想气体进行的定压过程在温熵图中也是一条指数曲线。,在T-s图中定容过程和定压过程有何区别？,与定容过程线一样为指数曲线。 定压过程线斜率小于定容过程线斜率。,3、功与热量的计算,三、定温过程 定温过程是热力系统在温度保持不变的情况下进行的膨胀（吸热）或压缩（放热）过程。,1、过程方程,2、p-v图与T-s图,(1) p-v图可由过程方程得到。,(2) T-s图定义得到,3、功与热量的计算,膨胀功等于技术功。

5、,四、绝热过程（定熵过程） 绝热过程其实是指无摩擦的绝热过程，即可逆绝热过程。也叫定熵过程。 （一）绝热过程的过程方程 热力学问题的证明和推导是一个难点。 思路：从基本的定义来分析，对于绝热过程为q=0，得出比容和压力的关系式（过程方程）。,称为比热比或绝热指数。 为定值时。,过程方程,（二）、过程初、终状态参数间的关系,pv=RT,（三）过程在p-v图及T-s图上表示 （1）T-s图,（2）p-v图,压容图中是一条高次双曲线（不对称）,（四）绝热过程中的能量转换,理想气体变比热 s 过程,第三节 多变过程的综合分析,一、多变过程方程 具有如下变化规律 的过程，称为多变过程。n为多变指数。,n

6、是常量，每一过程只有一 n 值,初、终态p、v、T之间关系,理想气体 n u, h, s的计算,内能变化,焓变化,熵变化,状态参数的变化与过程无关,二、多变过程的膨胀功、技术功 1、膨胀功 在没有摩擦的情况下，定熵过程的膨胀功、技术功和热量可分别计算如下：,利用 2、技术功 从热力学第一定律导出,因此， 即绝热过程的技术功等于膨胀功的n倍。 三、热量以及多变比热 热量,由多变过程比热定义 可以知道 问题|：（1）比热可以为负值吗？ （2）再什么条件下为负？ （3）会证明多变比热容吗？,理想气体 n w,wt ,q的计算,多变过程比热容,Cn可否为负？,(1) 当 n = 0,(2) 当 n =

7、 1,多变过程与基本过程的关系,(3) 当 n = k,(4) 当 n = ,基本过程是多变过程的特例,p,T,s,v,n,p,T,s,v,2、判断准则 （1）由于理想气体的内能只是温度的单值函数，判断内能变化可以定温线为基准，定温线上内能变化为零，温度升高，内能增加（Du0），温度降低，内能减少（Du0）。,（2）根据膨胀功定义式，判断功量变化可以定容线为基准，定容线上功量变化为零，比容增加作正功，比容减少作负功。,（3）根据技术功定义式，,判断技术功变化可以定压线为基准，定压线上轴功变化为零，压力增加，功量为负，压力减少，功量为正。,（4）根据热量定义式， 判断热量变化可以定熵线为基准，定

8、熵线上热量变化为零，熵增加吸热，热量为正，熵减少放热，热量为负。,理想气体基本过程的p-v,T-s图,s,T,v,p,p,p,s,v,v,T,T,s,s,理想气体基本过程的p-v,T-s图,s,T,v,p,p,p,v,v,T,T,s,s,u在p-v,T-s图上的变化趋势,s,T,v,p,u,T,=,u0,u0,w在p-v,T-s图上的变化趋势,s,T,v,p,u0,u0,h0,h0,w0,w0,q在p-v,T-s图上的变化趋势,s,T,v,p,u0,u0,h0,h0,w0,w0,wt0,wt0,q0,T,q0,u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势,s,T,v,p,u0,u0,h0

9、,h0,w0,w0,wt0,wt0,q0,u,h (T ) w (v ) wt (p ) q (s ),q0,例题 (1) 在p-v图上，画出T与s增大的方向；在T-s图上，画出p与v增大的方向。并说明理由。,例2、绝热指数 k=1.667的理想气体，从相同的初态1，先后经历n=0.8和n=1.4的多变过程1a及1b膨胀。试将这两个过程表示在p-v图和T-s图上，并确定它们的q, w及Du的正负号。,第四节 压气机的理论压缩轴功,对压气机进行热力分析的主要任务是计算气体自初态压缩到预定的终态时，压气机所耗的轴功，并探讨省功的途径。 一、压气机分类 1、按工作原理分为：活塞式（手打气气筒），叶轮

10、式（离心式等）以及引射式。 2、按产生压缩气体压力分为：通风机（350kPa）。,二、单级活塞压气机工作原理 活塞的左死点（行程终点）位置与汽缸头之间必须留有一定空隙，这一空隙称为余隙容积。 画构造图说明汽缸压气过程 单塞压气机工作可分为三个过程：吸气过程、压缩过程和排气过程。,三、单级活塞式压气机理论压气轴功的计算 条件： （1）活塞与气缸盖之间没有空隙， （2）压缩过程可逆, （3）气体流过进、排气阀时没有阻力损失。,画p-v图说明压气过程。 压气机所耗轴功 =压缩过程的压缩功 进气、排气所耗 流动功的代数和。,压缩过程： （1）过程极快，热量来不及传递，绝热过程，可视为定熵压缩。 （2）

11、过程极慢，汽缸冷却良好，温度基本保持不变，可视为定温过程。 （3）大多数过程处于两种极限过程之间为多变过程。,1、定温压缩轴功 =pv图上面积12T341 由稳定流动热力学第一定律关系式,上式说明，压气机耗功，一部分用于增加气体的焓，一部分转化为热量向外放出。对于理想气体，H1=H2，Wt,T=QT，表示消耗的轴功完全转化成为热能向外界释放。 2、定熵压缩轴功,由稳定流动热力学第一定律关系式 上式说明，压气机耗功，全部用于增加气体的焓，使气体温度升高。 由于上式从热力学第一定律直接导出，因此不仅适用于定熵，也适用于不可逆绝热过程。,3、多变压缩轴功 由稳定流动热力学第一定律关系式 压气机耗功，

12、一部分用于增加气体的焓，一部分转化为热量向外放出。,当初终态给定时由图可知 上式说明，定温压缩的压气机耗功最小，压缩终温也最低；绝热压缩的压气机耗功最大，压缩终温也最高。,第五节 活塞式压气机的余隙影响,余隙容积的相对大小用余隙百分比表示： 式中V3余隙容积（V1-V3）活塞排量。 一、余隙对排气量的影响,容积效率：有效吸气量（V1V4）除以活塞排量（V1V3）。 由于,则有 当余隙容积一定时，升压比增大，则有效吸气量减少。当升压比达到某一极限时，则新气完全不能进入气缸。因此当需要获得较高的压力时，必须采用多级压缩。,二、余隙对理论压气轴功的影响 由于p1=p2、p3=p4，所以,无论压气机有

13、无余隙，压缩单位质量气体所需理论功相同。然而，有余隙容积时，进气量减少，气缸容积不能充分利用，并且有害的余隙容积的影响随压力比的增加而增加。,第六节 多级压缩及中间冷却,多级压缩的必要性： （1）升压比约大，气体压缩终了温度越高，影响气缸润滑油的性能。一般空气压缩机的排气温度应小于160-180oC。 （2）升压比越高，容积效率越小。,一、多级活塞式压气机的工作过程 1、工作过程,2、p-v图与T-s图,省功,3、多级压缩中间冷却的优点： （1）降低了排气温度。 （2）节省了功的消耗。 （3）增加容积效率 二、级间压力的确定 原则：所需总轴功最小。,设T2=T1，则p1V1=p2V2，可得 p2为中间压力待定量。令,得 即 当两级得升压比相等时。两级压缩所需的总轴功为最小。,对于多级（z级）压气机，每级升压比b应为 根据p1、pz+1和级数z求出b后，即可确定各级间压力p2、p3.,推论 1、各级气缸的 排气温度相等。 以2级压缩为例。,又因为,故有,2、各级所消耗的轴功相等,第一级,第二级,又因为,所以两级压气机耗功相同。,故两级压缩所需功为,ws=2ws1,对于z级压缩所需功为ws=zws1,3、每级向外散出的热量相等。 4、分级压缩对