氣體和蒸汽的基本熱力過程1

第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程中國(guó)石油大學(xué)能源與動(dòng)力工程系ChinaUniversityofPetroleumDept.ofEnergyandPowerEngineering第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程§4-1研究熱力過程的目的及一般方法§4-2定容過程§4-3定壓過程§4-4定溫過程§4-5絕熱過程§4-6多變過程§4-7水蒸氣的基本過程前言

能量的轉(zhuǎn)換是在工質(zhì)的熱力變化過程中實(shí)現(xiàn)的。

很多被人類所利用的能量轉(zhuǎn)換過程是在熱力循環(huán)中實(shí)現(xiàn)的。

循環(huán)是由過程組成的，這樣，熱力過程的研究就成為熱力循環(huán)研究的基礎(chǔ)。

若從工質(zhì)的角度而言，理想氣體是最簡(jiǎn)單的工質(zhì)。

按照由簡(jiǎn)到繁的原則，本章開始研究理想氣體基本過程：定容過程、定壓過程、定溫過程、絕熱過程和多變過程。

同學(xué)們?cè)诒菊碌膶W(xué)習(xí)中應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

1.如何運(yùn)用好已學(xué)過的內(nèi)容；

2.學(xué)會(huì)很好的分析問題和解決問題；3.學(xué)會(huì)用坐標(biāo)圖來定性的分析問題；

(定性分析問題是本課程的一個(gè)特色)4.注意內(nèi)容的主線——熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化?！?-1研究熱力過程的目的及一般方法一、目的

揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)換情況，進(jìn)而找出影響轉(zhuǎn)化的主要因素。

二、一般方法1.對(duì)實(shí)際熱力過程進(jìn)行分析，將各種過程近似地概括為幾種典型過程，即定容、定壓、定溫和絕熱過程。為使問題簡(jiǎn)化，暫不考慮實(shí)際過程中的不可逆的損耗而作為可逆過程。2.用簡(jiǎn)單的熱力學(xué)方法對(duì)四種基本熱力過程進(jìn)行分析計(jì)算。3.考慮不可逆損耗再借助一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正。三、研究熱力學(xué)過程的依據(jù)(2)理想氣體(3)可逆過程(1)熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動(dòng)swzgchq+D+D+D=221§4-1研究熱力過程的目的及一般方法§4-1研究熱力過程的目的及一般方法四、本章分析理想氣體熱力學(xué)過程的具體方法(1)確定過程方程------該過程中參數(shù)變化關(guān)系(5)計(jì)算w,wt

,q(4)求(3)在p-v、T-s圖上畫出過程曲線(2)根據(jù)已知參數(shù)、過程方程和狀態(tài)方程求初、終態(tài)參數(shù)§4-2理想氣體定容過程定義——?dú)怏w在狀態(tài)變化過程中保持比體積不變的過程。1.過程方程式：2.初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系

理想氣體經(jīng)歷任何過程，熱力學(xué)能和焓的變化都為：3.定容過程△u，△h，△s§4-2理想氣體定容過程4.定容過程的功和熱量膨脹功：技術(shù)功：熱量：§4-2理想氣體定容過程5.定容過程在p-v圖和T-s圖上的表示●●●212ˊ

定容過程在p-v圖上為一條垂直于v軸的直線。

●1●2●2ˊ

定容線在T-s圖上為一斜率為正的指數(shù)曲線。其斜率為

線型為上凹下凸§4-3理想氣體定壓過程定義——?dú)怏w在狀態(tài)變化過程中保持壓力不變的過程。1.過程方程式：2.初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系

理想氣體經(jīng)歷任何過程，熱力學(xué)能和焓的變化都為：3.定壓過程△u，△h，△s§4-3理想氣體定壓過程4.定壓過程的功和熱量膨脹功：技術(shù)功：熱量：5.定壓過程在p-v圖和T-s圖上的表示§4-3理想氣體定壓過程●2●1●2ˊ

定壓過程在p-v圖上為一條平行于v軸的直線?！?●2●2ˊ

定壓線在T-s圖上為一斜率為正的指數(shù)曲線。線型為上凹下凸其斜率為

§4-3理想氣體定壓過程定容過程定壓過程定容線比定壓線陡！定壓過程●2●1●2ˊ定容過程§4-4理想氣體定溫過程定義——?dú)怏w在狀態(tài)變化過程中保持溫度不變的過程。1.過程方程式：2.初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系3.定容過程△u，△h，△s§4-4理想氣體定溫過程

4.定溫過程的功量和熱量膨脹功：技術(shù)功：熱量：對(duì)于理想氣體的定溫過程，

（對(duì)實(shí)際氣體或液體的定溫過程同樣適用）

§4-4理想氣體定溫過程5.定溫過程在p-v圖和T-s圖上的表示

在p-v圖上，定溫過程線為一等邊雙曲線。

曲線斜率

定溫過程線在T-s圖上是一條平行于s軸的水平線。§4-5理想氣體絕熱過程定義——狀態(tài)變化過程的任何微元過程中與外界都不發(fā)生熱量交換的過程。滿足特別注意：(1)過程進(jìn)行中的任何時(shí)刻均與外界無熱量交換；(2)δq=0時(shí)必有q=0；但q=0的過程與絕熱過程是不等價(jià)的。對(duì)可逆絕熱過程可逆絕熱過程又稱為定熵過程。ds=0s=C(3)不能說絕熱過程是定熵過程，必須是可逆絕熱過程才是定熵過程。不可逆絕熱過程是熵增過程。1.過程方程式：§4-5理想氣體絕熱過程對(duì)理想氣體可逆絕熱過程令，稱為比熱容比，對(duì)于理想氣體，一般用表示，通常稱為絕熱指數(shù)，也稱為定熵指數(shù)。上式寫為定比熱該式稱為理想氣體可逆絕熱過程的過程方程式。

三個(gè)條件(1)理想氣體(2)可逆過程(3)為常數(shù)2.初、終態(tài)參數(shù)的關(guān)系§4-5理想氣體絕熱過程根據(jù)，上式可變?yōu)?.絕熱過程△u，△h，△s

理想氣體對(duì)于可逆絕熱過程

4.絕熱過程的功量和熱量§4-5理想氣體絕熱過程膨脹功:對(duì)于比熱容為定值的理想氣體上式適用于比熱容為定值的理想氣體的任何絕熱過程。熱量:對(duì)于理想氣體的可逆絕熱過程，

代入上式技術(shù)功：上式適用于流動(dòng)工質(zhì)的可逆與不可逆絕熱過程。

對(duì)于比熱容為定值的理想氣體對(duì)于理想氣體的可逆絕熱過程代入上式§4-5理想氣體絕熱過程5.絕熱過程在p-v圖和T-s圖上的表示§4-5理想氣體絕熱過程

絕熱過程在p-v圖上為一條不等邊雙曲線。

絕熱過程線在T-s圖上是一條垂直于s軸的直線?！?-5理想氣體絕熱過程定溫過程絕熱過程等熵線線比等溫線陡！§4-5理想氣體多變過程一、多變過程的定義及過程方程式

常數(shù)n稱為多變指數(shù)，。n=0，p=常數(shù)，定壓過程；n=1，pv=常數(shù)，定溫過程；n=，pv=常數(shù)，定熵過程；，v=常數(shù)，定容過程。二、多變過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律

多變過程的過程方程式及初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式的形式與絕熱過程完全相同。

多變過程中的u、h、s可按理想氣體的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。定比熱容§4-5理想氣體多變過程

三、多變過程在p-v圖和T-s圖上的表示

p-v圖：

p-v圖上多變過程曲線的斜率為n=0:n=1:n=:n=±:§4-5理想氣體多變過程根據(jù)

n=0:n=1:n=:n=:§4-5理想氣體多變過程

四、多變過程的功量和熱量膨脹功:pv=RgT(n0,1)技術(shù)功:(n)pvn=const-vdp=npdv§4-5理想氣體多變過程熱量:當(dāng)n=1時(shí)，為定溫過程，u=0,

當(dāng)n1時(shí)，若取比熱容為定值，稱為多變比熱容?！?-5理想氣體多變過程當(dāng)n=0時(shí)，(定壓過程)當(dāng)n=1時(shí)，(定溫過程)當(dāng)n=時(shí)，(絕熱過程)當(dāng)n時(shí)，(定容過程)

為了便于對(duì)比，將四種典型熱力過程和多變過程的的公式匯總在下表中。

§4-5理想氣體多變過程§4-5理想氣體多變過程五、多變過程的能量關(guān)系w/qa）膨脹w>0，吸熱q>0；b）壓縮w<0,放熱q<0。a)膨脹w>0，放熱q<0，Δu<0；b)壓縮w<0,吸熱q>0，Δu>0（1）當(dāng)w和q正負(fù)號(hào)相同（2）當(dāng)w和q正負(fù)號(hào)相同a）膨脹w>0，吸熱q>0，w>q,Δu<0；b）壓縮w<0,放熱q<0，∣w∣>∣q∣

,Δu>0

。(3)當(dāng)w和q正負(fù)號(hào)相反q=Δu+w§4-7理想氣體過程綜述一、各種過程在p-v圖和T-s圖上的相對(duì)位置

定容、定壓、定溫和定熵（可逆絕熱）四個(gè)典型過程都可以理解為多變過程的特例。其在p-v圖上和T-s圖上的斜率如下：§4-7理想氣體過程綜述四種典型的熱力過程在p-v圖和T-s圖上的分布在各區(qū)間沿順時(shí)針方向，n值增大。sTvpuT=T>0

u>0T>0

u>0u在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)二、利用圖判斷q、w、wt、ΔT、Δu、

Δh、

Δs的正負(fù)§4-7理想氣體過程綜述h在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)hT=sTvpT>0

u>0

h>0T>0

u>0

h>0§4-7理想氣體過程綜述w在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpdv>0,w>0dv>0,w>0wt在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpdp<0,wt>0dp<0,wt>0§4-7理想氣體過程綜述§4-7理想氣體過程綜述Tpds>0,q>0ds>0,q>0vsq在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)§4-7理想氣體過程綜述u,h,w,wt,q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u,h↑(T↑)w↑(v↑)wt↑(p↓)q↑(s↑)q>0§4-7理想氣體過程綜述在T-s圖上用圖形面積表示Δu和Δh例：ha-

hb用什么面積表示?考慮過程等壓

c依據(jù)：a）T-s圖上過程下面積表示qb）qp=Δh，qv=Δua§4-7理想氣體過程綜述p-v,T-s圖練習(xí)（1）sTvp壓縮、升溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？§4-7理想氣體過程綜述p-v,T-s圖練習(xí)（2）sTvp膨脹、降溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？§4-7理想氣體過程綜述p-v,T-s圖練習(xí)（3）膨脹、降壓、升溫、吸熱的過程，終態(tài)在哪個(gè)區(qū)域？sTvp§4-8水蒸氣的基本過程一.基本內(nèi)容水蒸汽的基本熱力過程也是定容、定壓、定溫和定熵四種，且均為可逆。

求解的任務(wù)：（1）.初、終態(tài)參數(shù)；（2）.過程中的熱量、功和內(nèi)能、焓的變化等；（3）.在圖上表示熱力過程。§4-8水蒸氣的基本過程二.采用的方法

與研究理想氣體不同：（1）.無簡(jiǎn)單、適當(dāng)（準(zhǔn)確）的狀態(tài)方程式；

（2）.水蒸汽的比熱、內(nèi)能、焓等都是壓力、比容的復(fù)雜函數(shù)，不易計(jì)算求解。采用的方法：（1）.查圖、表來得到有關(guān)參數(shù)；（2）.不受工質(zhì)性質(zhì)限制的公式仍可應(yīng)用。δq=du+δwδw=pdvδq=dh+δwth=u+pvδq=Tdsδqv=duδqp=dhds≥δq/T…………§4-8水蒸氣的基本過程三.一般步驟（1）.根據(jù)已知初態(tài)的兩個(gè)參數(shù)，如已知(p1,t1)或(p1,x1)，從表或圖中查得其它初態(tài)參數(shù)；

（2）.根據(jù)過程特征及一個(gè)終態(tài)參數(shù)，確定終態(tài)；然后查得終態(tài)參數(shù)；（3）.根據(jù)已知的和查得的有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算有關(guān)的能量—熱能與機(jī)械能等；（4）.必要的話作出示功圖和示熱圖作定性分析?！?-8水蒸氣的基本過程四.具體過程1.水蒸氣的定容過程p12v其中h、p、v均可查得實(shí)際設(shè)備中不常見§4-8水蒸氣的基本過程1.水蒸氣的定容過程1Tsp2vhsT12pv§4-8水蒸氣的基本過程2.水蒸氣的定壓過程若全部為蒸汽，可逆

一般進(jìn)行工程計(jì)算時(shí)，H2O在鍋爐內(nèi)的加熱過程、乏汽在冷凝器中的冷卻、給水在回?zé)崞鲀?nèi)的預(yù)熱等，都可按定壓過程處理。342pv1例：水從30℃

，4MPa,定壓加熱到450℃。ts(4MPa)=250.33℃

§4-8水蒸氣的基本過程2.水蒸氣的定壓過程例：水從30℃

，4MPa,定壓加熱到450℃。ts(4MPa)=250.33℃

q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg§4-8水蒸氣的基本過程3.水蒸氣的定溫過程可逆時(shí)實(shí)際設(shè)備中不常見pvTCTcT遠(yuǎn)離飽和線，接近于理想氣體§4-8水蒸氣的基本過程12Ts3.水蒸氣的定溫過程hs122’理想氣體1-2’§4-8水蒸氣的基本過程4.水蒸氣的絕熱過程可逆過程不可逆過程特別注意：絕熱過程方程式，k為一經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，只作近似估算，誤差較大。2’12Tsp1p2汽輪機(jī)、水泵§4-8水蒸氣的基本過程p