熱工與流力(蔣祖星版)第7章 理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程

1、第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第一節(jié)理想氣體及其狀態(tài)方程一、理想氣體的概念第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程在熱工設(shè)備中，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能是借助于工質(zhì)在設(shè)備中的吸熱、膨脹做功等狀態(tài)變化過程來實(shí)現(xiàn)的。為研究和計算工質(zhì)經(jīng)過這些過程吸收的熱量和做出的功，除了以熱力學(xué)第一定律做為主要的工具外，還需要用到有關(guān)工質(zhì)熱力性質(zhì)方面的知識。熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能只能通過工質(zhì)的膨脹實(shí)現(xiàn)，采用的工質(zhì)應(yīng)具有顯著的脹縮能力，即工質(zhì)的體積隨其溫度、壓力能有較大的變化。在物質(zhì)的固、液、氣三態(tài)中，只有氣態(tài)物質(zhì)具有這種特性，因而熱機(jī)中使用的工質(zhì)一般都是氣態(tài)物質(zhì)。由于氣態(tài)物質(zhì)的分子數(shù)目非常巨大，運(yùn)動又是不規(guī)則的，其運(yùn)動在任意方

2、向都沒有顯著的優(yōu)勢，宏觀上表現(xiàn)為氣態(tài)物質(zhì)各向同性，壓力各處各向相等，密度到處相同。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程實(shí)際上氣體分子本身占有一定的體積，分子之間是有相互作用的引力和排斥力的，性質(zhì)很復(fù)雜，分子在兩次碰撞之間進(jìn)行的是非直線運(yùn)動，很難找出其運(yùn)動規(guī)律。為方便分析、簡化計算，人們提出了理想氣體的概念。二、理想氣體狀態(tài)方程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程解：泄漏前瓶內(nèi)原有氧氣質(zhì)量為第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第二節(jié)理想氣體的比熱容一、比

3、熱容的定義第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程二、比熱容與過程特性的關(guān)系熱工設(shè)備中最常用的加熱過程是保持壓力不變或體積不變，其比熱容相應(yīng)分別為質(zhì)量定壓熱容與質(zhì)量定容熱容，分別以符號cp和cv表示。其物理意義為在定壓（或定容）下使單位質(zhì)量的氣體溫度升高（或降低）1K所需加入（或放出）的熱量。同樣，cp和cv分別稱為體積定壓熱容和體積定容熱容，而m和m分別表示摩爾定壓熱容和摩爾定容熱容。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程表7-1氣體的定值摩爾定壓熱容1)氣體的物理性質(zhì)。2)氣體傳熱過程的性質(zhì)。3)氣體的溫度。三、理想氣體比熱

4、容與溫度的關(guān)系第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-1氣體比熱隨溫度的變化第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程1.平均比熱容表法第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程表7-2氣體平均定壓熱容(曲線關(guān)系)第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程表7-2氣體平均定壓熱容(曲線關(guān)系)第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程2.平均比熱容直線關(guān)系式圖7-2比熱容與溫度的直線關(guān)系第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程表7-3氣體的平均定壓熱容和平均定容熱容(直線關(guān)系)(

5、適用范圍：01 500)解：由表7-2查得第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第三節(jié)理想氣體的熱力學(xué)能與焓理想氣體的狀態(tài)方程及比熱容確定后，利用熱力學(xué)第一定律就可方便地求得理想氣體的熱力學(xué)能和焓的計算式。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-3例7-3圖第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程解：取容器內(nèi)的定量空氣為封閉熱力系統(tǒng)，此過程實(shí)質(zhì)上是一個絕熱自由膨脹過程。1)計算U、T、H。2)計算壓力變化量p。第四節(jié)理想氣體的基本熱力過程一、研究熱力過程的目的和一般方法分析和計算熱力過程的目的在于揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)

6、律以及該過程中熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化情況，進(jìn)而找出影響能量轉(zhuǎn)化效果的主要因素。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程1)根據(jù)過程進(jìn)行的條件導(dǎo)出過程方程式，即p=f(v)及T=f(s)形式的方程式。2)將過程方程式描繪在p-v圖和T-s圖上，分析過程中工質(zhì)狀態(tài)變化規(guī)律。3)計算熱力過程中的能量轉(zhuǎn)換情況。(1)熱力學(xué)能和焓的計算(2)體積功的計算(3)確定熱力過程中系統(tǒng)與外界所交換的熱量第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程二、四個基本熱力過程分析1.定容過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-4定容過程在p-v、T-s圖上的表示第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱

7、力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程2.定壓過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-5定壓過程在p-v、T-s圖上的表示第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程解：在壓力較低，密度較小的情況下，N2可視為理想氣體，按理想氣體邁耶方程有第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程3.定溫過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-6定溫過程在p-v、T-s圖上的表示第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程4.絕熱過程絕熱過程是狀態(tài)變化的任何一段微元過程中，系統(tǒng)與外界都不發(fā)生熱量交換的過程，即

8、過程進(jìn)行的每一瞬時都有q=0。整個過程與外界交換的熱量亦等于零，即q=0。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-7絕熱過程在p-v、T-s圖上的表示第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程解：將空氣取做閉口系統(tǒng)。(1)對可逆定溫過程1-2，由過程中參數(shù)間關(guān)系得第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程(2)對可逆絕熱過程1-2，由可逆絕熱過程參數(shù)間關(guān)系可得第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第五節(jié)理想氣體的多變過程一、多變

9、過程的特點(diǎn)前面討論的四種典型的理想氣體熱力過程是幾個特殊的過程，即在狀態(tài)變化過程中某一個狀態(tài)參數(shù)保持不變或系統(tǒng)與外界沒有熱量交換?，F(xiàn)將四種典型過程中狀態(tài)參數(shù)之間的變化關(guān)系歸納入表7 4。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程表7-4四種典型過程狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系二、多變過程中的能量計算第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程三、多變過程在p-v圖和T-s圖上的表示將前述4種典型熱力過程繪在同一個p v圖和T s圖上，如圖7 8所示。不難發(fā)現(xiàn)多變指數(shù)n在坐標(biāo)圖上的分布是有規(guī)律的，由n=0開始沿順時針方向看，n由01，是逐漸增大的，因

10、而，對于任意一個多變過程，只要知道其多變指數(shù)的值，就能確定該過程在p v圖和T s圖上相對位置。原則上n可為-+之間的任意實(shí)數(shù)，但n處于-和0之間（即膨脹時壓力升高，壓縮時壓力下降）的情況在實(shí)際工程上較少見。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程圖7-8多變過程在p-v圖和T-s圖上的表示解：1)空氣的熱力學(xué)能變化量。由理想氣體狀態(tài)方程式PV=RT得第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程2)氣體對外所做的膨脹功及技術(shù)功?！景咐治雠c知識拓展】案例1：制冷壓縮機(jī)的壓縮過程第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程熱工設(shè)備中實(shí)際進(jìn)行的熱力過程均是多變過程，且通常要比理論的

11、多變過程更為復(fù)雜。例如，制冷壓縮機(jī)氣缸中制冷劑蒸汽的壓縮過程，在整個過程中指數(shù)n是變化的。壓縮開始時，工質(zhì)溫度低于缸壁溫度，工質(zhì)是吸熱的，隨著對工質(zhì)不斷地壓縮，溫度升高，高于缸壁溫度后開始放熱，瞬時多變指數(shù)約從14左右變化到10左右。制冷壓縮機(jī)壓縮過程的多變指數(shù)大小還與制冷劑的種類、制冷劑蒸汽與氣缸壁的熱交換情況、活塞與氣缸壁的密封情況等因素有關(guān)。通常，制冷壓縮機(jī)壓縮多變指數(shù)要小于活塞式空氣壓縮機(jī)壓縮多變指數(shù)。對多變指數(shù)n是變化的實(shí)際過程，熱工計算中為簡便起見常常這樣處理：若n的變化范圍不大，則用一個不變的平均多變指數(shù)近似地代替實(shí)際變化的n；如果n的變化較大，可將實(shí)際過程分段，每段近似為n值不

12、變，各段的n值可不相同。第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程實(shí)際制冷壓縮機(jī)的壓縮過程的平均多變指數(shù)，對于氨壓縮機(jī)n=11115；對于氟利昂壓縮機(jī)n=10105。案例2：高溫?zé)煔鉄崃康挠嬎阍诨?、鋼鐵、大型火電廠等熱能消耗較大的企業(yè)，為了節(jié)能降耗，通?？衫脽煔庥酂峒訜徨仩t中的給水，產(chǎn)生蒸汽用以驅(qū)動吸收式、吸附式或噴射式制冷裝置來進(jìn)行車間或房間的溫度調(diào)節(jié)。此類系統(tǒng)設(shè)計首先必須知道可利用的煙氣的熱量，以便進(jìn)行可行性、經(jīng)濟(jì)性分析和設(shè)計計算。例如，某大型柴油機(jī)增壓器后的排氣流量為53 856kg/h，排氣溫度為380，為防止廢氣鍋爐尾部發(fā)生低溫腐蝕，廢氣流出廢氣鍋爐的溫度應(yīng)為150，試求廢氣流經(jīng)廢氣鍋爐時可利用的熱量有多少?！颈菊滦〗Y(jié)】第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力過程一、理想氣體的熱力性質(zhì)理想氣體是指忽略氣體分子本身所占有的體積和分子間相互作用力的氣體。實(shí)質(zhì)上是實(shí)際氣體在p0，v時的極限情況。實(shí)際工程處理上將不易液化、離液態(tài)較遠(yuǎn)的氣體（如燃?xì)?、空氣等）均?dāng)做理想氣體來處理。理想氣體基本狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系可用狀態(tài)方程pv=RT來表示，式中氣體常數(shù)R與氣體狀態(tài)無關(guān)而與氣體性質(zhì)有關(guān)，R可通過摩爾氣體常數(shù)Rm來計算。二、理想氣體基本熱力過程分析第七章理想氣體的熱力性質(zhì)及其熱力