[理学]工程热力学课件第4章

第4章理想气体的热力过程及气体压缩 主要内容分析热力过程的目的及一般方法绝热过程多变过程的综合分析压气机的理论压缩轴功活塞式压气机的余隙影响多级压缩及中间冷却 4-1分析热力过程的目的及一般方法 研究热力过程的目的及一般方法热能机械能通过工质的吸热、膨胀、放热、压缩等一些热力状态变化过程实现的。研究目的：揭示各种过程中工质状态参的变化规律及能量转化情况，进一步找出影响转化的主要因素。 研究方法——讨论理想气体的可逆过程根据过程方程式和状态方程式，找出不同状态时状态参数间的关系式，这样就可以由已知初态参数确定终态参数。在P-v图、T-s图上画出过程曲线，直观了解过程的特点。确定工质初、终态比热力学能Δu、比焓Δh、比熵Δs的变化量。过程方程，一般写成的形式。 研究热力学过程的依据2）可逆过程1）第一定律 3）理想气体变比容定比容 基本热力过程是多变过程的特例理想气体的多变过程的过程方程，即状态参数在过程中的变化规律： n=常数多变过程 pvTs 4-2基本热力过程 一、定容过程1．过程方程2．初、终状态参数关系3．p-v图及T-s图pv122’Ts212’曲线斜率 Ts212’bcvavbvcsbscV4、能量转换1）过程功2）热量定容线向右水平移动时，比容增大 二、定压过程1．过程方程2．初、终状态参数关系3．p-v图及T-s图pvTs212’曲线斜率122’在T-s图上，同一温度下定容线比定压线要陡。 Ts212’bcpapbpcsbscp4、能量转换1）过程功2）热量定压线向左水平移动，压力增加 三、定温过程1．过程方程2．初、终状态参数关系3．p-v图及T-s图pv122’6543122’34Ts曲线斜率 4、能量转换1）过程功2）热量pv122’6543122’34Ts 四、定熵过程（可逆绝热过程）1、过程方程2、初、终状态参数关系 3．p-v图及T-s图122’Ts定温pv122’6543曲线斜率在P-v图上，定熵线比定温线陡4．能量转换1）过程功 2）热量 4-3多变过程的综合分析 多变过程1、过程方程：分别为定容、定压、定温、绝热过程称为多变指数2、初、终状态参数间的关系：注意：多变过程方程式与定熵过程方程式的形式相同。因此在分析多变过程时，初、终态参数关系及功的计算，只需要用n代替k即可。 3、功和热量：多变指数为n的多变过程，技术功是体积功的n倍多变比热容 pvTs+∞-∞+∞-∞-∞+∞+∞-∞n=0n=0n=0n=0n=1n=1n=1n=1n=kn=kn=kn=knnnn理想气体热力过程的图示综合分析 定容线：右侧，体积功为正；左侧，体积功为负。定温线：上方，温度增加；下方，温度降低。定熵线：右侧，吸热；左侧，放热。三条分界线： 已知某一膨胀过程的n值为10，△u<0，q>0 p-v，T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？ p-v，T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？ 如图，某种理想气体有两任意过程a-b和a-c，已知b，c在同一可逆绝热线上，试问：Δuab和Δuac哪个大？解：（方法一）过b、c分别作等温线（方法二）考虑过程bc 例：封闭气缸中气体初态p1=8MPa，t1=1300℃，经过可逆多变膨胀过程变化到终态p2=0.4MPa，t2=400℃。已知该气体的气体常数R=0.287kJ/(kg·K)，试判断气体在该过程中各是放热还是吸热的？[比热容为常数，cV=0.716kJ/(kg·K)]解：1到2是可逆多变过程，根据理想气体状态方程式有: 所以多变指数:多变过程膨胀功和热量:故是吸热过程. 例：汽缸与活塞间封闭有1kg空气，经历一多变压缩过程，消耗压缩功300kJ，气体的比体积缩小为原来的1/7.5，压力增加到原来的9.3倍。已知该气体的k=1.4和cv=0.716kJ/(kg.K)。试按定比热容计算过程的多变指数、气体被压缩的终温、气体热力学能和熵的变化量，以及过程中气体与外界交换的热量。解：1、计算多变指数 2、计算终温多变过程膨胀功:（1）（2）联立得: 3、计算气体热力学能和熵的变化量4、计算气体与外界的热交换量 4-4压气机的理论压缩轴功 压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。分类：活塞式—压力高，排气量小叶轮式—压力低，排气量大按压力高低通风机—<115kPa鼓风机—115~350kPa压气机—>350kPa按工作原理特殊引射式压缩器 收缩器静叶片动叶片扩压器轴流式压气机结构示意图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 扩压管离心式压气机结构示意图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 喷管混合室扩压管高压工作流体被引射流体引射式压缩器——引射器 一、单级活塞式压气机工作原理空气过滤器进气阀气缸活塞散热片排气阀单级活塞式压气机结构示意图 pVa pVa pVa pVa pVa1 pVa1a－1：气体引入气缸 pVa1同14a－1：气体引入气缸 pVa1a－1：气体引入气缸 pVa12a－1：气体引入气缸 pVa121－2：气体被压缩a－1：气体引入气缸 pVa121－2：气体被压缩a－1：气体引入气缸 pVa121－2：气体被压缩a－1：气体引入气缸 pVa121－2：气体被压缩a－1：气体引入气缸 pVa122－b：气体流出气缸b1－2：气体被压缩a－1：气体引入气缸 V１12abpVV2p20a－1：气体引入气缸1－2：气体在气缸内进行压缩2－b：气体流出气缸，输向储气筒a-1和2-b过程不是热力过程，只是气体的移动过程，气体状态不发生变化，缸内气体的数量发生变化。 V１12abpVV2p20二、压气机的理论耗功量a-1：吸气，传输流动功p1V12-b：排气，传输流动功p2V2压气机耗功：1-2：压缩，耗外功 可见压气机耗功以技术功计。 压气过程有两个极限的情况：即绝热压缩和等温压缩。若压缩过程进行得很快，那么就接近于绝热压缩过程。如果压缩过程进行得较慢，且气缸壁得到良好的冷却，就接近于等温压缩过程。实际压缩过程是处于等温与绝热之间的多变压缩过程。二、压气机的理论耗功量 定温、定熵、多变压缩消耗理论功的比较pVTs12S2T12np2p12S2T2nabp2p1jmn 注：a）理想压缩是等温压缩b）通常为多变压缩，1