工程热力学第四章理想气体热力过程

第四章理想气体的热力过程及气体压缩

1分析热力过程的目的及一般方法

3多变过程的综合分析

2理想气体基本热力过程4压气机的理论压缩轴功5活塞式压气机的余隙影响6多级压缩及中间冷却

本章基本知识点

熟练掌握定容、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p-v

、T-s图上的表示。

分析对象:

闭口系统

过程性质:可逆过程过程特点:

定容过程、定压过程、定温过程、绝热(多变)过程§4-１分析热力过程的目的及一般方法

一、研究热力学过程的目的与方法内容：以第一定律为基础，理想气体为工质，分析可逆的基本热力过程中能量转换、传递关系，揭示过程中工质状态参数的变化规律及热量和功量的计算。目的：主要研究外部条件对热功转换的影响，提高热力学过程的热功转换效率。利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环。对已确定的过程，进行热力计算。方法：1.求出过程方程。2.计算各过程初终态参数。3.画出过程的p-v图及T-s图，直观分析过程中参数间关系及能量关系。4.计算初终态参数下比热力学能、比焓、比熵的变化量。5.根据第一定律及理想气体性质计算过程中功和热。研究热力学过程的依据：2．理想气体3．可逆过程

1．第一定律稳流二、热力学过程中工质参数变化值的计算适用条件：理想气体、可逆过程

a.理想气体内能变化量

b.理想气体焓的变化量

任何过程中都有下列计算式成立c.理想气体熵的变化量强调!三、分析热力学过程的步骤1．确定过程方程------该过程中参数变化关系5．计算w

,

wt,

q4．求3．用T-s

与p-v

图表示2．根据以知参数及过程方程求未知参数

§4-2理想气体基本热力过程理想气体的多变过程(Polytropicprocess)过程方程：n是常量，每一过程只有一n值=常数

多变过程(polytropicprocess)(isobaricprocess;constantpressureprocess)(isometricprocess;constantvolumeprocess)(isentropicprocess;reversibleadiabaticprocess)(isothermalprocess;constanttemperatureprocess)一、基本热力过程(1)

当n=0

(2)

当n=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pTsvnpTsv二、定压、定容和定温过程１、过程方程定容过程（v=常数）定压过程（p=常数）定温过程２、在p-v图及T-s图上表示定容过程：定压过程：定温过程：３、比热容定容过程

定压过程

定温过程４、Δu、

Δh和Δs定容过程定压过程定温过程５、w、wt和q定容过程定压过程定温过程三、等比熵（可逆绝热）过程１、过程方程取定比热容，积分由推导过程，上述三式适用于：

理想气体，定比热，可逆绝热过程。２、在p-v图及T-s图上表示nn３、比热容４、Δu、Δh和Δs５、w，wt和q或00６、变比热绝热过程功的计算（1）、查表（2）、用代替理想气体基本过程的

u,h,

s

内能变化焓变化熵变化

状态参数的变化与过程无关pTsv理想气体基本过程的wpTsv理想气体基本过程的wtpTsv理想气体基本过程的qpTsvcp

的定义cv

的定义例4-1:质量为4kg的空气由初状态p1＝0.4MPa、温度t1=25℃，经过下列不同过程膨胀到同一终态压力p2=0.1Mpa：（1）定温过程；（2）定熵过程。试计算这两个过程中空气对外作的膨胀功，所进行的热量交换、终态参数和空气熵的变化。设空气的比热容为定值，且。解:终态温度T2=T1=25+273=298K

膨胀功

热量

熵变化（1）定温过程（2）定熵过程

膨胀功热量

熵变化终态温度或§4-3多变过程的综合分析

一、过程方程n是常量，每一过程有一n值二、初终态关系n(1)

当n=0

(2)

当n=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pTsvnpTsv三、多变过程的p-v图和T-s图pvTsn=0n=±∞n=±∞n=0n=0n=0n=n=n=kn=n=1n=1n=1n=11<n<1<n<1<n<1<n<n=＋∞n=—∞n=—∞n=＋∞n<0n<0n<0n<0四、功量和热量内能变化量

焓的变化量体积功多变过程中技术功的计算容积功技术功热量称cn为多变过程的比热容(n1)。即五、多变过程中热量的计算斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppsvvTTss理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTssu在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpuT=u>0u>0w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>0u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u↑,h↑(T↑)

w↑(v↑)

wt↑(p↓)

q↑(s↑)q>0§4-4压气机的理论压缩轴功

压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等压力范围通风机鼓风机压缩机消耗外功使气体压缩升压的设备统称为压气机。压气机的定义(1）压气机按其产生压缩气体的压力范围,习惯上常分为：①通风机（<0.01MPa）;②鼓风机（0.01MPa<<0.3MPa）;③压缩机（

>0.3MPa）。(2）按压缩原理和结构将压气机分为:

活塞式、叶轮式（离心式和轴流式）及引射式。压气机的分类离心式压气机结构示意图扩压管进气室进气口叶轮蜗壳出气口出口扩压器主轴出口扩压器轴流式压气机结构示意图收缩器

静叶片动叶片扩压器机壳转子止推轴承支撑轴承联轴器轴端密封进口导向叶片叶轮式压气机的压气过程1、单级活塞式压气机结构示意图空气滤清器进气阀气缸活塞散热片排气阀一、单级活塞式压气机工作原理理论压气功(可逆过程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wtpva2、单级活塞式压气机工作过程模拟pvapva2、单级活塞式压气机工作过程模拟pvapva12、单级活塞式压气机工作过程模拟同14pva12、单级活塞式压气机工作过程模拟pva122、单级活塞式压气机工作过程模拟pva122、单级活塞式压气机工作过程模拟V１12abpVV2p202、单级活塞式压气机工作过程模拟V１12abpVV2p20二、单级活塞式压气机的理论耗功Wc

的计算进气气体向活塞作功压缩活塞向气体作功排气活塞向气体作功(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是

可能的压气过程sTn三、定温、定熵、多变压缩消耗功基本能量方程各过程中压气机耗功都应满足基本能量方程可逆定温压缩定熵压缩多变压缩若工质为理想气体四、定温、定熵、多变压缩消耗理论功的比较pvTs12S2T12np2p12S2T2nabp2p1jmn结论：

三种压气过程的参数关系

三种压气过程功的计算最小重要启示§4-5活塞式压气机的余隙影响避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙余隙容积压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变活塞式压气机的余隙影响活塞排量研究VC对耗功和产气量的影响新气量产气量有效吸气容积V=V１－V４V

h=V１－V3V4–V3V

c12nn4350pV

hV

一、有余隙的活塞式压气机的工作过程§4-5活塞式压气机的余隙影响V=V１－V４V

h=V１－V3V4–V3V

e12nn4350pV实际进入气缸的气体所占的体积余隙容积为活塞排量有余隙时的理论压气功为假定1—2及3—4两过程的n相同，则二、余隙容积对理论压气功的影响

表明，不论有无余隙，压缩单位质量气体所消耗的理论压气功相同。因为,对于1kg气体

所以三、余隙对排气量的影响

显然，有效的吸气容积小于活塞排量，降低了活塞排量的利用率。它用两者的比值容积效率ηv()表示。是余隙与活塞排量的比值，称为余隙比，所以上式可写成由于式中，通常为0.03～0.08。四、增压比对容积效率的影响在相同的余隙比时，提高增压比，将减小容积效率，因此当需要获得较高压力时，必须采用多级压缩，而当增压比一定时，余隙比加大，也将使容积效率降低总之有余隙容积时虽然理论压气功不变，但进气量减少，气缸容积不能充分利用，当压缩同量气体p2p1V1340VVcVh时，必须采用气缸较大的机器，而且这一有害的余隙影响还随增压比的增大而增加。所以应该尽量减小余隙容积。

三种压气过程功的计算最小重要启示低压缸中间冷却器高压缸冷却水§4-6多级压缩及中间冷却

多级压缩、级间冷却压气机装置系统图分级压缩中间冷却分级压缩的级数省功分级降低出口温度多级压缩达到无穷多级(1)不可能实现(2)结构复杂(成本高)所以，一般采用2~4

级压缩T分级压缩的其它好处

润滑油要求t<160~180℃,