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1、气体的热力过程本讲稿第一页，共七十四页 系统与外界进行能量传递，必须要通过工质的热力过程来实现，系统与外界进行能量传递，必须要通过工质的热力过程来实现，没有热力过程就不能进行能量交换。没有热力过程就不能进行能量交换。1）完成能量交换）完成能量交换2）使气体达到一定的状态）使气体达到一定的状态一、研究热力过程的目的一、研究热力过程的目的工程上实施热力过程有两个目的工程上实施热力过程有两个目的第一节第一节四个典型的热力过程四个典型的热力过程本讲稿第二页，共七十四页二、研究热力过程所需的基本知识二、研究热力过程所需的基本知识1.热力学第一定律（能量方程）热力学第一定律（能量方程）2.理想气体状态方程

2、理想气体状态方程3.热量热量q、内能内能du、焓焓dh、膨胀功膨胀功w、技术功、技术功wt、熵、熵ds的计的计算公式算公式 q、u、h、w、wt的计算都已学过，唯独熵没有学过，下面的计算都已学过，唯独熵没有学过，下面介绍用基本状态参数求熵变化的计算公式介绍用基本状态参数求熵变化的计算公式本讲稿第三页，共七十四页三、用三、用p,v,tp,v,t求求ss的公式导出的公式导出可逆时能量方程为可逆时能量方程为得得由由得得所以所以（1 1）本讲稿第四页，共七十四页由由PV=RT得得代人代人（1 1）得得由由PV=RT得得代人代人（1 1）得得（3 3）（2 2）本讲稿第五页，共七十四页1）理想气体，定值

3、比热理想气体，定值比热2）可逆与不可逆（）可逆与不可逆（尽管过程中用到可逆的条件，尽管过程中用到可逆的条件，但因焓是状态参数但因焓是状态参数）适用条件：适用条件：结论结论本讲稿第六页，共七十四页四、分析热力过程应掌握的内容四、分析热力过程应掌握的内容1.热力过程的特点热力过程的特点2.过程方程（即初始状态参数遵守的方程）过程方程（即初始状态参数遵守的方程）3.过程中系统与外界交换能量的计算过程中系统与外界交换能量的计算4.热力过程在热力过程在P-v图，图，T-S图上的表达图上的表达本讲稿第七页，共七十四页特点特点v=const或或v1=v2能量分析能量分析五五.四种典型热力过程分析（定容，定压

4、，定温，等熵）四种典型热力过程分析（定容，定压，定温，等熵）1.定容过程定容过程过程方程过程方程（定容过程系统的吸热量用于提高其内能）（定容过程系统的吸热量用于提高其内能）本讲稿第八页，共七十四页在在p-v图上很直观图上很直观在图上的表示在图上的表示本讲稿第九页，共七十四页为在为在T-S图上分析，将图上分析，将故定容过程在故定容过程在T-S图上应如下图所示图上应如下图所示本讲稿第十页，共七十四页本讲稿第十一页，共七十四页2.定压过程定压过程能量交换能量交换特点特点过程方程过程方程（定压过程系统的吸热量用于提高其焓）（定压过程系统的吸热量用于提高其焓）本讲稿第十二页，共七十四页在图上的表达在图上

5、的表达1 12 22 2p pv v在在P-V图上表达直观图上表达直观本讲稿第十三页，共七十四页在在T-S图上要分析曲线的特征图上要分析曲线的特征s s1 12 2T T2 2定容过程定压过程本讲稿第十四页，共七十四页分析判断分析判断例例1在在T-S图上等图上等P线与等线与等V线有何区别线有何区别等压过程斜率等压过程斜率等容过程斜率等容过程斜率因为因为所以所以因此，在因此，在T-S图上，等容线比等压线陡图上，等容线比等压线陡本讲稿第十五页，共七十四页掌握判断过程，记住结论掌握判断过程，记住结论例例2在在T-S图上判断两条等压线压力值的大小图上判断两条等压线压力值的大小Tsp2p112s2s1分

6、析：在分析：在T-S图上任给两等压线图上任给两等压线p1、p2，作等温线，作等温线1-2。对于。对于1-2过程有：过程有：本讲稿第十六页，共七十四页例例3在在T-S图上判断两条等容线比容值的大小图上判断两条等容线比容值的大小Tsv2v112s2s1掌握判断过程，记住结论掌握判断过程，记住结论分析：在分析：在T-S图上任给两等容线图上任给两等容线v1、v2，作等温线，作等温线1-2。对于。对于1-2过程有：过程有：本讲稿第十七页，共七十四页3.定温过程定温过程特点特点T=C或或过程方程过程方程本讲稿第十八页，共七十四页能量变化能量变化本讲稿第十九页，共七十四页表达表达在在P-V图上图上pv=c,

7、即即等轴双曲线等轴双曲线s sT Tp pv v在在T-S图上更加直观图上更加直观注：可利用状态方程注：可利用状态方程判断等值线的大小判断等值线的大小在在P-v图上，曲线的斜图上，曲线的斜率为：率为：本讲稿第二十页，共七十四页4.等熵过程等熵过程由能量方程由能量方程知等熵时知等熵时即即又又首先应导出等熵过程方程首先应导出等熵过程方程本讲稿第二十一页，共七十四页即即本讲稿第二十二页，共七十四页特点特点过程方程过程方程分析过程分析过程由上式及状态方程可得到以下方程由上式及状态方程可得到以下方程本讲稿第二十三页，共七十四页能量方程能量方程本讲稿第二十四页，共七十四页由技术功的定义式积分可得由技术功的

8、定义式积分可得可见可见本讲稿第二十五页，共七十四页p-v,T-S图上表示图上表示在在p-v图上，为分析曲线的形状，首先分析曲线的斜率图上，为分析曲线的形状，首先分析曲线的斜率T-S图上图上很直观，很直观，本讲稿第二十六页，共七十四页可见：可见：等熵过程的斜率为等温过程的等熵过程的斜率为等温过程的K倍，显倍，显然等熵过程线比等温线更陡，然等熵过程线比等温线更陡，如图如图而等温过程的斜率为而等温过程的斜率为Ts本讲稿第二十七页，共七十四页作业作业思考题中思考题中4-2，4-3证明证明在等在等S过程中有过程中有本讲稿第二十八页，共七十四页四个典型过程只是实际过程的一些理想模型，四个典型过程只是实际过

9、程的一些理想模型，而实际热力过程可用最一般的过程方程即多变过程来表而实际热力过程可用最一般的过程方程即多变过程来表示，即示，即一、多变过程与四个典型过程的关系一、多变过程与四个典型过程的关系n=0n=1定温过程定温过程n=k等熵过程等熵过程n-多变指数多变指数等容过程等容过程定压过程定压过程p p=c cn=第二节第二节多变过程多变过程本讲稿第二十九页，共七十四页变形变形即即时时因为因为所以所以本讲稿第三十页，共七十四页二、多变过程指数二、多变过程指数n的确定的确定（即平均多变指数（即平均多变指数n的确定）的确定）由由因此，只要测出某过程前后的因此，只要测出某过程前后的p,v。即可求得多变过程

10、。即可求得多变过程的平均多变指数。的平均多变指数。如将过程取得足够短，平均如将过程取得足够短，平均n就很接近实际值就很接近实际值本讲稿第三十一页，共七十四页三、多变比热三、多变比热cn与定容比热与定容比热cv的关系的关系本讲稿第三十二页，共七十四页四、多变过程在四、多变过程在p-v、T-s图上的表达及能量分析图上的表达及能量分析1.任给一热力过程时如何分析过程中能量的变化？任给一热力过程时如何分析过程中能量的变化？分析此问题，必须具备以下知识：分析此问题，必须具备以下知识：四个典型热力过程在四个典型热力过程在P-V、T-S图上的位置、方向。图上的位置、方向。四个典型热力过程在四个典型热力过程在

11、P-V、T-S图上等值线的变化趋势。图上等值线的变化趋势。各种量的计算公式。各种量的计算公式。本讲稿第三十三页，共七十四页本讲稿第三十四页，共七十四页本部分应掌握的内容：本部分应掌握的内容：3.给定任一多变过程时，能量的增减情况。给定任一多变过程时，能量的增减情况。4.根据要求在根据要求在P-V、T-S图上绘出热力过程及热力循环。图上绘出热力过程及热力循环。1.四个典型热力过程在四个典型热力过程在P-V、T-S图上的位置、方向。图上的位置、方向。2.四个典型热力过程在四个典型热力过程在P-V、T-S图上等值线的变化趋势。图上等值线的变化趋势。本讲稿第三十五页，共七十四页五、多变过程传递的能量五

12、、多变过程传递的能量本讲稿第三十六页，共七十四页练习题练习题二、某热力循环依次经历以下五个热力过程完成循环。二、某热力循环依次经历以下五个热力过程完成循环。1）定容吸热；定压）定容吸热；定压吸热；定温放热；定熵膨胀；定温吸热。将此热力循环绘制在示热图示功吸热；定温放热；定熵膨胀；定温吸热。将此热力循环绘制在示热图示功图上。图上。三、某热力循环依次经历以下五个热力过程完成循环。三、某热力循环依次经历以下五个热力过程完成循环。1）定熵压缩；定容吸热；）定熵压缩；定容吸热；定压吸热；定熵膨胀；定容放热。将此热力循环绘制在示热图示功图上。定压吸热；定熵膨胀；定容放热。将此热力循环绘制在示热图示功图上。

13、一、将满足下列要求的多变过程表示在绘制在示功图上。一、将满足下列要求的多变过程表示在绘制在示功图上。1）工质生压、升温、放热；）工质生压、升温、放热；2）工质膨胀、降温、放热；）工质膨胀、降温、放热；3）n=1.6的膨胀过程，并判断热量、膨胀功、以及内能的正负。的膨胀过程，并判断热量、膨胀功、以及内能的正负。4）n=1.3的压缩过程，并判断热量、膨胀功、以及内能的正负。的压缩过程，并判断热量、膨胀功、以及内能的正负。本讲稿第三十七页，共七十四页作业作业：思考题：思考题4-5，4-3习题习题4-1，4-2，4-8本讲稿第三十八页，共七十四页第三节第三节压气机的理论压缩功轴压气机的理论压缩功轴一压

14、缩空气的作用及压气机的原理一压缩空气的作用及压气机的原理制冷工程制冷工程分类分类活塞式活塞式压比高，流量小压比高，流量小叶轮式叶轮式轴流式轴流式压比小，流量大压比小，流量大回转式回转式作用：作用：气动机械的动力气动机械的动力本讲稿第三十九页，共七十四页1.单级活塞式压气机的理论压缩过程单级活塞式压气机的理论压缩过程1-2压缩过程压缩过程2-3排气过程排气过程4-1吸气过程吸气过程p12p2p134V理论压缩过程理论压缩过程本讲稿第四十页，共七十四页2.几个概念几个概念理论压缩过程理论压缩过程（理论循环）（理论循环）在无余隙，压缩过程可逆的情况下，压气过程称理在无余隙，压缩过程可逆的情况下，压气

15、过程称理论压气过程论压气过程压缩比压缩比二理论压缩轴功二理论压缩轴功wc1.定义：定义：在理论压气循环中，将在理论压气循环中，将1kg气体自气体自p1压缩到压缩到p2，并维持流动所消耗的轴功。，并维持流动所消耗的轴功。可见，可见，wc为正时表示消耗外界的功，显然为正时表示消耗外界的功，显然:WC=-Wt本讲稿第四十一页，共七十四页如果压气机的流量为如果压气机的流量为m，则压缩过程理论上要输入的功率，则压缩过程理论上要输入的功率为为2.理论压缩轴功的分类理论压缩轴功的分类1)等温压缩轴功等温压缩轴功wc.T物理模型物理模型:汽缸冷却效果很好，压缩过程的热量全部汽缸冷却效果很好，压缩过程的热量全部

16、由冷却水带走由冷却水带走本讲稿第四十二页，共七十四页2)等熵压缩轴功等熵压缩轴功wc.s3)多变压缩轴功多变压缩轴功wc.n（分两种情况（分两种情况1nk无水套）无水套）本讲稿第四十三页，共七十四页各种压缩轴功见下图各种压缩轴功见下图n1.4p22T2n12s2n2p1pv2T2n12sp2p1sT2n2从图上可以看出从图上可以看出本讲稿第四十四页，共七十四页三、活塞压气机的余隙对性能的影响三、活塞压气机的余隙对性能的影响引言引言理论压缩过程中，活塞与汽缸左止点不存在间隙，而在实际的压气理论压缩过程中，活塞与汽缸左止点不存在间隙，而在实际的压气机中，为避免活塞与汽缸盖的碰撞，活塞端面与汽缸盖之

17、间必须留有机中，为避免活塞与汽缸盖的碰撞，活塞端面与汽缸盖之间必须留有一定的间隙，这便形成余隙容积，而这个余隙的大小通常用余隙百分一定的间隙，这便形成余隙容积，而这个余隙的大小通常用余隙百分比比c表示，如图表示，如图四个术语：四个术语：本讲稿第四十五页，共七十四页余隙容积余隙容积活塞排量活塞排量余隙百分比余隙百分比有效吸气量有效吸气量本讲稿第四十六页，共七十四页1.余隙对排气量的影响余隙对排气量的影响由于存在余隙，因此当活塞左行至左止点时，就不能将气由于存在余隙，因此当活塞左行至左止点时，就不能将气体完全排除，因此当活塞右行之初就不能将新气吸入，而只有体完全排除，因此当活塞右行之初就不能将新气

18、吸入，而只有当行至缸内压力等于或低于进气压力时才能吸入气体。这样一当行至缸内压力等于或低于进气压力时才能吸入气体。这样一次吸气能吸入的气体量就是次吸气能吸入的气体量就是V1-V4，而非，而非V1-V3。将两者的比。将两者的比值称为容积效率值称为容积效率vV1-V4-有效吸气量有效吸气量V1-V3-活塞排量活塞排量v-容积效率容积效率本讲稿第四十七页，共七十四页由由v的定义式知的定义式知显然显然由于由于所以所以本讲稿第四十八页，共七十四页当当v v=0=0时，时，表明压气机不能吸入气体表明压气机不能吸入气体,此时此时称谓称谓极限压比极限压比假如：假如：、。令令得得即当压机即当压机时，就不能吸入气

19、体时，就不能吸入气体本讲稿第四十九页，共七十四页这一极限压比的过渡情况，也可用这一极限压比的过渡情况，也可用P-VP-V图来说明图来说明从图上看，随着压比的增大从图上看，随着压比的增大将减小将减小当终压升至当终压升至p时，时，2与与3重重合，合，1与与4重合。此时，重合。此时，V1-V4=0。即。即v=0。表明此表明此时已不能吸入新气时已不能吸入新气本讲稿第五十页，共七十四页3.余隙对理论压缩轴功的影响余隙对理论压缩轴功的影响在如图所示的循环中在如图所示的循环中假如假如1-21-2与与3-43-4有相同的有相同的多变指数多变指数n n则则1-2过程耗功为过程耗功为3-43-4过程回收的功为（或

20、过程回收的功为（或4-34-3过程消耗的功）过程消耗的功）本讲稿第五十一页，共七十四页循环一周净耗功为循环一周净耗功为为吸入的气体的容积为吸入的气体的容积故故本讲稿第五十二页，共七十四页则压送则压送1kg气体时的耗功为气体时的耗功为表明：表明：余隙存在不影响单位压缩轴功，但影响流量。余隙存在不影响单位压缩轴功，但影响流量。本讲稿第五十三页，共七十四页四、多级压缩与中间冷却四、多级压缩与中间冷却从从P-VP-V图上看，欲将气体从图上看，欲将气体从p p1 1压至压至p p3 3 。如采用一级压缩，排气如采用一级压缩，排气状态点为状态点为3 3。如两级压缩，即先升至如两级压缩，即先升至2状态，之后

21、进行定压状态，之后进行定压冷却至冷却至2（即与进口同温），之后再压至（即与进口同温），之后再压至3，同样可得到，同样可得到p p3 3。但有但有两个显著优点：两个显著优点：1.1.引言引言本讲稿第五十四页，共七十四页缺点，缺点，设备造价高设备造价高级间压比的确定原则：在总升压一定的条件下，如用多级压缩，级间压比的确定原则：在总升压一定的条件下，如用多级压缩，各级之间的压力取多大才能使整机的耗功最小。各级之间的压力取多大才能使整机的耗功最小。降低排气温度降低排气温度（3变为变为3），可使润滑保持良好状态。），可使润滑保持良好状态。减少耗功减少耗功（耗功耗功减少量可用面积（耗功耗功减少量可用面积2

22、332表示）。表示）。显然，级越多，耗功越少，但设备造价越高。通常为二到三显然，级越多，耗功越少，但设备造价越高。通常为二到三级，高压压气机可至四至六级。级间压比级，高压压气机可至四至六级。级间压比8102.级间压力的确定级间压力的确定本讲稿第五十五页，共七十四页参照上图，如采用两级压缩，参照上图，如采用两级压缩，则总压缩轴功为则总压缩轴功为由于由于 p p2 2=p=p2 2 ,T,T1 1=T=T2 2本讲稿第五十六页，共七十四页上式变为上式变为为求为求w wcncn的最小值，应满足的最小值，应满足由此得由此得上式为两级压缩时，确定中间压力的方程。上式为两级压缩时，确定中间压力的方程。对于

23、多级压缩，将上式改写为：对于多级压缩，将上式改写为：表明两级压比相等。表明两级压比相等。本讲稿第五十七页，共七十四页即即并且有并且有用类比的方法，用类比的方法，对于对于n n级压缩有级压缩有本讲稿第五十八页，共七十四页3.3.按压比确定级间压力带来的优势按压比确定级间压力带来的优势各级所消耗的功相等各级所消耗的功相等在进口温度相等时，各级出口温度相等在进口温度相等时，各级出口温度相等本讲稿第五十九页，共七十四页各级向外散热就相等各级向外散热就相等4.4.两种效率两种效率作业作业 4-104-10、4-134-13、4-164-16，4-184-18等温效率（等温效率（带冷套带冷套）绝热效率（不

24、带冷套绝热效率（不带冷套）本讲稿第六十页，共七十四页例例1 1 已知：已知：P P1 1=0.1MPa,P=0.1MPa,P2 2=12.5MPa,n=1.25,t=12.5MPa,n=1.25,t1 1=20=20。求生产求生产1kg1kg压缩空气所需的轴功及排气温度。压缩空气所需的轴功及排气温度。解解1.1.确定级数确定级数如果用两级，则如果用两级，则不行不行采用三级，则采用三级，则可以可以2.2.此时终温此时终温3 3.消耗功消耗功本讲稿第六十一页，共七十四页4.4.如采用单级压缩如采用单级压缩1 1）终温）终温2 2）耗功）耗功3 3）多耗功）多耗功可见，采用三级压缩可以减少可见，采用

25、三级压缩可以减少30%30%的功的功本讲稿第六十二页，共七十四页TSP2P112543证明证明1：压缩过程：压缩过程1-2消耗消耗的功可以用的功可以用12345围成的面围成的面积表示。积表示。TSP2P112354证明证明2：压缩过程：压缩过程1-3消耗的功消耗的功可以用可以用1345围成的面积表示。围成的面积表示。练习题练习题本讲稿第六十三页，共七十四页总结总结一、四个典型热力过程在一、四个典型热力过程在p-vp-v图图t-st-s图上的位置，及等值线图上的位置，及等值线增大或减少的方向增大或减少的方向三、焓变的计算公式的推导及使用条件，判断等值线的增三、焓变的计算公式的推导及使用条件，判断

26、等值线的增减方式。减方式。的推导的推导二、四个典型过程的方程，二、四个典型过程的方程，五、活塞压气机的原理，及理论压缩轴功的计算五、活塞压气机的原理，及理论压缩轴功的计算四、多变过程与典型过程的关系，多变过程的绘制，多变四、多变过程与典型过程的关系，多变过程的绘制，多变比热的定义比热的定义本讲稿第六十四页，共七十四页1.1.降低排气温度降低排气温度七、多级压缩中间冷却七、多级压缩中间冷却4.按中间压比方式确定压比带来的方便按中间压比方式确定压比带来的方便3.中间压比的确定方式中间压比的确定方式n=1n=1n=kn=k及在及在P-V,T-SP-V,T-S图上的表示图上的表示1nk1nknk余隙，

27、容积效率，活塞排量的概念余隙，容积效率，活塞排量的概念六、几种压缩轴功对应的物理模型六、几种压缩轴功对应的物理模型2.2.减少单位功耗减少单位功耗本讲稿第六十五页，共七十四页例例1有一密闭刚性容器用隔板将其分为有一密闭刚性容器用隔板将其分为A、B两部分，均充有空气，两部分，均充有空气，已知已知VA=2.5m3，pA=0.686Mpa，tA=80；VB=1m3，pB=0.98Mpa，tB=30；现抽去隔板使两部分混合。若混合过；现抽去隔板使两部分混合。若混合过程中容器向外散热程中容器向外散热41.9kJ。设此比热容为定制比热，求混合后。设此比热容为定制比热，求混合后空气的温度和压力。空气的温度和

28、压力。AB本讲稿第六十六页，共七十四页解解 本讲稿第六十七页，共七十四页本讲稿第六十八页，共七十四页例例2：一活塞汽缸装置，中间有一个完全透热的刚性隔板将其：一活塞汽缸装置，中间有一个完全透热的刚性隔板将其分为分为A、B两腔，隔板静止不动，汽缸壁和两端的活塞都是绝热的。两腔，隔板静止不动，汽缸壁和两端的活塞都是绝热的。A腔中有腔中有1kg初温为初温为25、初压为、初压为0.1MPa的空气的空气,B腔中有腔中有2kg初初温为温为25、初压为、初压为0.2MPa的空气。现缓慢压缩的空气。现缓慢压缩B腔的空气，使腔的空气，使A腔的空气向大气作等压膨胀，试求腔的空气向大气作等压膨胀，试求B腔的空气在压缩过程中的多腔的空气在压缩过程中的多变压缩指数变压缩指数n。本讲稿第六十九页，共七十四页对于A腔：（1）（2）已知mA=1kgmB=2kgtA=25tB=25pA=0.1MPapB=0.2MPa求B腔的空气在压缩过程中的多变压缩指数n解：由题意可以知道：B腔放热量（Q）等于A腔吸热量；A腔B腔的温度（T）始终相等。由能量方程知：对于B腔：本讲稿第七十页，共七十四页（1）+（2）得：（3）由状态方程知 同时 则式（3）变为：（4）又 则 （5）本讲稿第七十一页，共七十四页将 、以及代入（5）式得：本讲稿第七十二页，共七十四页本讲稿第七十三页，共七十四页本讲稿第七十四页，共七十四页