第三章理想气体的热力过程及气体压缩课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第三章,理想气体的热力过程,及气体压缩,8/10/2024,第三章 理想气体的热力过程及气体压缩8/21/20,1,学习要求,掌握理想气体基本热力过程的过程方程式和基本状态参数变化的关,系式，能正确计算理想气体基本热力过程的热量和功量。,知道多变过程是热力过程从特殊到一般的更普遍的表达式，会运用,多变过程的规律进行过程的分析、计算。,能将理想气体的各种热力过程表示在,p,-,v,图和,T,-,s,图上。,8/10/2024,学习要求 掌握理想气体基本热力过程的过程方程式和基本状,2,本章难点,1,.理想气体各种热力过程的初、终态基本状态参数,间的关系式以及过程中热力系与外界交换的热量和功量,的计算式较多，如何记忆和运用是一难点，应结合例题,与习题加强练习。,8/10/2024,本章难点 8/21/2023,3,第一节,理想气体的热力过程,在热力设备中，热能与机械能间的相互转换及工质状,态参数的变化规律都是通过,热力过程,来实现的。,研究分析热力过程的,目的和任务,:揭示不同的热力过程中,工质状态参数的变化规律,和,能量在过程中相互转换的数量关系,。,研究分析热力过程的,方法,:采用抽象、简化的方法，将复杂的不可逆过程简化为,理想气体,的,可逆过程,来处理，然后，借助于某些经验系数进行修正。,可逆定容、定压、定温、绝热过程等,8/10/2024,第一节 理想气体的热力过程 在热力设备中,4,研究分析热力过程的,内容与步骤,：,（1）根据过程的特征和热力性质，建立,过程方程式,p,f,（,v,）。,（2）根据过程方程式并结合理想气体状态方程式，确,定不同状态下基本状态参数,p,、,v,、,T,之间的关系,。,（3）计算过程中热力系与外界之间的,热量和功量交换,。,（4）绘制,过程曲线,，即,p,-,v,图和,T,-,s,图，以便于用图示,方法进行定性分析。,8/10/2024,研究分析热力过程的内容与步骤：（1）根据过程的特征和热力,5,一、基本热力过程,1.,定容过程,基本热力过程是指热力系,保持某一状态参数,（比体积,v,、压力,p,、温度,T,与熵,s,等）,不变,的热力过程。,定量工质在状态变化中保持,体积不变,的过程。,（1）过程方程式,v=,定值,（2）初、终状态参数关系式,p、T成正比,8/10/2024,一、基本热力过程 1.定容过程 基本热力过,6,体积变化功,技术功,热量,定容过程,（3）功量与热量的计算,或,c,v,取定值,适用于,任何工质,定容过程中加给工质的热量全部转变为工质热力学能的增加。,8/10/2024,体积变化功技术功热量定容过程（3）功量与热量的计算 或cv取,7,（4）过程曲线,定容过程在,p-v,图上为一条,垂直于,v,轴的直线,，在,T,-,s,图上是一条,指数曲线,。,定容过程,12:定容加热升温,12,:定容放热降温,热力系与外界交换的热量,8/10/2024,（4）过程曲线 定容过程在p-v图上为一条,8,2.,定压过程,定量工质在状态变化中保持,压力不变,的过程。,（1）过程方程式,p=,定值,（2）初、终状态参数关系式,v、T成正比,（3）功量与热量的计算,体积变化功,技术功,热量,定压过程中工质所吸收的热量等于工质焓的增量,或,适用于任何过程,8/10/2024,2.定压过程 定量工质在,9,（4）过程曲线,定压过程在,p,-,v,图上是一条水平线，在,T,-,s,图上也是一条,指数曲线,，但,斜率小于定容过程曲线,。,定压过程,12:定压吸热升温膨胀,12,:定压放热降温压缩,8/10/2024,（4）过程曲线 定压过程在p-v,10,3.,定温过程,定量工质在状态变化中保持,温度不变,的过程。,（1）过程方程式,T=,定值,（2）初、终状态参数关系式,p、v成反比,（3）功量与热量的计算,体积变化功,pv=,定值,pv=R,g,T,8/10/2024,3.定温过程 定量工质在,11,（4）过程曲线,定温过程,定温过程在,p,-,v,图上为一条,等轴双曲线,，在,T,-,s,图上是一条,平行于,s,轴的直线,。,技术功,热量,q、w,t,、w,相等,q,h,w,t,h,=0,w,t,q,定温过程中工质所吸收(或放出)的热量全部用于对外做膨胀功(或外界对其作压缩功),12:定温吸热熵增膨胀,12,:定温放热熵减压缩,8/10/2024,（4）过程曲线 定温过程 定温过程在p-v图上,12,4.,绝热过程,定量工质在状态变化中,与外界没有热量传递,的过程。,（1）过程方程式,对于,可逆绝热过程,:,s,=定值,所以,可逆绝热过程,又称为,定熵过程,。,=定值,等熵指数,。对于理想气体，单原子气体,1.66,；双原子气体,1.4,；多原子气体,1.33,。,据热力学第一定律,故,8/10/2024,4.绝热过程 定量工质在,13,（2）初、终状态参数关系式,根据,上式可变为,绝热过程,（3）功量与热量的计算,热量,q,=0,8/10/2024,（2）初、终状态参数关系式根据 上式可变为绝热过程（3）功量,14,绝热过程,体积变化功,适用于任何工质的可逆或不可逆绝热过程,c,V,取定值,绝热过程中工质所作的,膨胀功等于,热力系,热力学能的减少,；而外界对热力系作的,压缩功,则全部转换成热力系,热力学能的增加,。,8/10/2024,绝热过程体积变化功适用于任何工质的可逆或不可逆绝热过程cV取,15,绝热过程,技术功,q,h,w,t,=0,由,c,p,取定值,在绝热流动过程中，流动工质所做的,技术功全部来自其焓降,。,=定值,适用于任何工质的可逆或不可逆绝热过程,8/10/2024,绝热过程技术功qhwt=0 由cp取定值在绝热流动过,16,（4）过程曲线,定熵过程在,p,-,v,图上为一条,高次双曲线,该曲线,较定温曲线陡,;在,T,-,s,图上是一条,垂直于,s,轴的直线,。,定熵过程,12:定熵膨胀降温降压,12,:定熵压缩升温升压,8/10/2024,（4）过程曲线 定熵过程在p-v,17,例,3-4,如图,3-6,所示，,0.9kg,空气从初态,p,1,0.2MPa,，,t,1,300,定温膨胀到,V,2,1.8m,3,。随后将空气定压压缩，再在定容下加热，使它重新回到初始状态。试求每一过程中热力学能和焓的变化量？定压过程所耗的功？定容过程的加热量？已知空气的,c,p,1.004kJ/,（,kgK,），,c,V,0.717kJ/,（,kgK,），,R,g,287J/,（,kgK,）。,8/10/2024,例3-4 如图3-6所示，0.9kg空气,18,解：,由理想气体状态方程得 （,m,3,）因为,V,3,=,V,1,，,T,2,=,T,1,，所以 （,K,）,（1）定温过程1,2,U,0,H,0,8/10/2024,解：由理想气体状态方程得,19,（,2,）定压过程,23,（,kJ,）,（,kJ,）,（,3,）定容过程3,1,W,=,MR,g(,T,3,T,2,)=0.9,287,(,252.39,573,)=,82.81,10,3(J),=,82.81,（kJ）,U,=,mcV,(,T,1,T,3,)=0.9,0.717,(,573,252.39,)=206.89（kJ）,H,=,mcp,(,T,1,T,3,)=0.9,1.004,(,573,252.39,)=289.7（kJ）,Q,U,206.89,（kJ）,8/10/2024,（2）定压过程23,20,第二节,多变过程,1.过程方程式及多变指数,常数,符合该式的状态变化过程即为,多变过程,当,n,0,时，,p,定值，为定压过程；,当,n,1,时，,pv,定值，为定温过程；,当,n,时，,=定值，为绝热过程；,当,n,时，,v,=定值，为定容过程,n,称为,多变指数,范围从-到+;在热力设备中只讨论,n,为正值的情况。,多变过程的过程方程式的形式与绝热过程完全相同,因此，四个基本热力过程可以看成是多变过程的特例。,8/10/2024,第二节 多变过程 1.过程方程式及多变指数常数符合该式的状态,21,（2）初、终状态参数关系式及功量与热量的计算,多变过程,热量,初、终状态参数关系式,体积变化功,技术功,c,n,称为,多变比热容,。,8/10/2024,（2）初、终状态参数关系式及功量与热量的计算 多变过程热量初,22,3.过程曲线及特性分析,多变过程,介于,定温,和,定熵,过程之间(,1,n,)的多变过程是,热机,和,制冷机,中常遇到的过程。,（1）过程曲线的分布规律,n,值按顺时针方向逐渐增大,n,:,-,0,1,+,8/10/2024,3.过程曲线及特性分析多变过程 介于定温和定熵过程之间(1,23,多变过程,（2）过程特性的判定,8/10/2024,多变过程（2）过程特性的判定 8/21/2023,24,用来压缩气体的设备称为压气机。气体经压气机压缩后，压力升高，称为压缩气体。压气机被广泛地应用于动力、制冷和化工等工程中。,常用压气机按其结构及工作原理可分为：活塞式（往复式）、叶轮式（离心式、轴流式）及回转式压气机等。在活塞式压气机中，气体在气缸内由往复运动的活塞来进行压缩，通常用于压力高、用气量小的场所。在叶轮式压气机中，气体的压缩主要依靠离心力作用，通常用于压力低、用气量大的地方。,第三节 单级活塞式压气机的基本原理,8/10/2024,用来压缩气体的设备称为压气机。气体经压气机压缩后，压力升高，,25,各种压气机的构造尽管不同，但从热力学观点来分析，压气机中气体状态变化规律都是一样的，都是消耗机械功使气体得到压缩而提高其压力的。下面以活塞式压气机为例介绍其工作原理。,在理想条件下，其工作过程可分为三个阶段：,(1),吸气过程,当活塞自左端点向右移动时，进气阀,A,开启，排气阀,B,关闭，初状态为,p,1,、,T,1,的气体被吸入气缸。活塞到达右端点时进气阀关闭，吸气过程完毕。气体自缸外被吸入缸内的整个吸气过程中状态参数,p,1,、,T,1,没有变化，但质量不断增加。,8/10/2024,各种压气机的构造尽管不同，但从热力学观点来分析，压气机中气体,26,(2),压缩过程,进、排气阀均关闭，活塞在外力的推动下自右端点向左运动，缸内气体被压缩升压。在压缩过程中气体质量不变，压力及温度由,p,1,、,T,1,变为,p,2,、,T,2,。,单级活塞式压气机,(a),工作原理图,(b)p-V,图,8/10/2024,(2)压缩过程单级活塞式压气机8/21/2023,27,(3),排气过程,活塞向左运行到某一位置时，气体压力升高到预定的终态压力,p,2,，排气阀,B,被顶开，活塞继续左行，直到左端点，排气完毕。排气过程中气体的热力状态,p,2,、,T,2,没有变化，活塞每往返一次，完成以上三个过程。为了便于研究，假定活塞运动到左端点时，活塞与气缸盖之间没有余隙存在，还假定压缩过程是可逆的，在这些假定条件下的压气机工作过程，称为理论压气过程。该过程可表示在,p-V,图上，如图,b,所示。,8/10/2024,(3)排气过程8/21/2023,28,压气机的工作条件不同，其压缩过程也不相同，压缩过程的性质与气体被冷却的情况有关，压缩过程存在两种极限情况：一种是过程进行得非常快，由机械功转变的热能来不及通过气缸传给外界，或传出热量极少，这种过程可视为绝热压缩过程；另一种是过程进行得非常慢，气缸冷却效果很好，由机械功转变的热能及时从气缸传出，气体的温度保持不变，属于等温压缩过程，过程的特征指数,n=1,。在实际的压缩过程中尽管都采取了一定的冷却措施，有部分热量从气缸传出，但难以实现等温压缩，这样的压缩过程介于等温与绝热压缩之间，属于多变压缩，过程的特征指数为,1,n,k,。,压气机压缩过程的分析,8/10/2024,压气机的工作条件不同，其压缩过程也不相同，压缩过程的性质与气,29,从前面关于热力过程的学习中得出这样的结论，从同一初态（,p,1,、,T,1,）出发，经三种不同的压缩过程，达到同一终态压力,p,2,，所消耗的功量是不同的。为了得到预期压力的气体，所消耗的功量自然是越小越好。另外，压缩终了的气体温度也尽可能要低一些，因为过高的气体温度对压气机缸体显然是不利的。以下就结合,p-V,图和,T-s,图对绝热压缩、等温压缩以及多变压缩进行分析，看哪种压缩过程更省功，哪种压缩过程更有利于压气机的安全运行。为便于分析，假定压缩过程是可逆的，并假定活塞与气缸盖之间没有余隙存在。,8/10/2024,从前面关于热力过程的学习中得出这样的结论，从同一初态（p1、,30,5.1.2.1,压缩过程消耗的轴功,8/10/2024,5.1.2.1 压缩过程消耗的轴功 8/21/2023,31,图,5.2,三种压缩过程的,p-V,图和,T-s,图,(a)p-V,图；,(b)T-s,图,8/10/2024,图5.2三种压缩过程的p-V图和T-s图8/21/2023,32,5.1.2.2,压缩过程终态气体的温度：,图,5.2(b),8/10/2024,5.1.2.2 压缩过程终态气体的温度：图5.2(b),33,上述分析说明，等温压缩过程最省功；多变过程次之；绝热压缩过程消耗轴功最多。而压缩后气体的终态温度，等温压缩为最低，多变过程次之；绝热压缩为最高。压缩后气体温度升得过高，会影响润滑油的性能，导致运行事故发生，故在压缩过程中，希望压缩终态温度愈低愈好。所以，无论从压缩的终态温度看，还是从耗功看，等温压缩过程都是最有利的。,从,图,5.2(b),中可以看出，等温压缩,12,T,放热量最多；多变压缩,12,n,次之；绝热压缩,12,s,放热为零。显然放热压缩过程是有利的。压缩过程放热愈多，愈接近等温压缩过程，多变指数,n,愈小，就愈有利。,8/10/2024,上述分析说明，等温压缩过程最省功；多变过程次之；绝热压缩过程,34,在工程中为了改善压气机性能，总是尽量采用各种有效的冷却散热措施。对于活塞式压气机常采取在气缸外面加散热肋片、冷却水套等措施，来增强过程中的散热。这样做可使得空气压缩机中的过程特征指数,n,值降至,1.3,以下。在工程实践中，有些压气机的气缸尺寸较小，转速也不太高，采用上述的冷却措施冷却效果会好一些。相反，高速大型的压气机采用这些冷却措施的效果将差一些。对于叶轮式压气机，由于其转速快，气体以高速度流过叶轮而完成压缩过程，来不及向外界散热，冷却措施也无法实施，故一般看做是绝热压缩过程。,8/10/2024,在工程中为了改善压气机性能，总是尽量采用各种有效的冷却散热措,35,P45,1、5、14,、21,作 业,8/10/2024,P45 作 业8/21/2023,36,