气体的热力过程.ppt

1,第 四 章 气体的热力过程,4.1 理想气体的基本热力过程,4.2 理想气体热力过程的功及热量,4.3 压气机的热力过程,4.4 水蒸气的等压过程及绝热过程,4.5 绝热节流,,,4.6 气体在喷管内的流动过程,2,4.1 理想气体的基本热力过程,,,,,► 目的 以热力学第一定律为基础，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► 方法和手段,,,求出过程方程及计算各过程初终态参数根据热力学第一定律及气体性质计算过程中功和热画出过程p-v及T-s图，分析过程中参数及能量关系可用的公式1.研究热力过程的目的、方法,4.1.1 气体基本热力过程,3,,,,,2.基本热力过程,在log p-logV 图上有log p = -nlnV + c,常数,=常数 多变过程,定压过程,定温过程,定熵过程,定容过程,4,4.1.2 理想气体多变过程,1. 过程方程,,,,,★定容过程（v=常数）,★定压过程（p=常数）,5,★定温过程,★定熵(可逆绝热)过程,取定比热容，积分,,三式适用于： 理想气体、 定比热、 可逆绝热过程6,2. 理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差,定比热容,,7,3. 多变指数,4. 在p-v图及T-s图上表示,斜率,8,★定容过程：,★定压过程：,★定温过程：,★定比熵过程 （可逆绝热）,,,p,v,o,.,n=0,n=1,n=κ,n=±∞,,T,s,o,.,n=0,n=1,n=κ,n=±∞,,9,★多变过程,★更多关于T-s图及p-v图,① 在p-v 图上确定 T 增大及 s 增大方向 在T-s 图上确定 p 增大及 v 增大方向,,n↑,,n↑,10,利用特殊过程的特性，如,利用过程的能量关系，如,,0,,,,,,,,,,,p,v,o,.,n=0,n=1,n=κ,n=±∞,,,Δu0 Δh0,Δs0 q0,w0,Δu0 Δh0,Δs0 q0,T,s,o,.,n=0,n=1,n=κ,n=±∞,,,w0,,11,② 在T-s图上用图形面积表示Δu和Δh,例：ha - hb用什么面积表示?,考虑过程等压 c,,依据： a.T-s图上过程下面积表示q,b.qp=Δh，qv=Δu,a,,,,,12,4.2 理想气体热力过程的功及热量,4.2.1 理想气体基本过程的膨胀功和技术功,1. 多变过程的膨胀功和技术功,,,,,,,,13,2. 可逆绝热过程的膨胀功和技术功,,,,,,,,,,,,,,14,同样,,,,,,,15,3. 定容过程的膨胀功和技术功,4. 定压过程的膨胀功和技术功,5. 定温过程的膨胀功和技术功,,,,,,,,16,4.2.2 气体热力过程的热量及多变过程的比热容,q =,,2. 比热容,1. 热量,,,,,,17,4.2.3 多变过程的能量关系,,膨胀，吸热，压缩, 放热,膨胀，放热，压缩, 吸热,,A510144,A410266,,,,,A401155,18,压缩气体可用于： 动力机、风动工具、制冷工程、化学工业、潜水作业、 医疗、休闲等。

4.3 压气机的热力过程,,压气机分类: ★按压头高低,,通风机,鼓风机,压气机,,,,,4.3.1 概述,19,★按工作原理,,活塞式—压头高，流量小，间隙生产,叶轮式—压头低，流量大，连续生产,,,,,,,,压气机不是动力机，压气机中进行的过程不是循环,20,4.3.2 单级活塞式压气机工作原理,1. 工作原理,0-1：吸气，传输推动功p1v1,2-3：排气，传输推动功p2v2,压气机耗功：,注意：压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准 立方米表示，不同于进气或排气状态1-2：压缩，耗外功,,,,,21,o,,,,,1,2s,.,.,2T,2n,,,,2. 理论耗功,wC取决于初、终态及过程特征,(1) 绝热压缩,(2) 等温压缩,(3) 多变压缩,,,,,22,讨论： (1),,理想压缩是 等温压缩,(2)通常为多变压缩, 1nκ,,思考 自行车轮胎压力通常应维持在0.25 MPa左右，用手动打气筒向轮胎充气时用湿毛巾包在打气筒外壁，会有什么后果？,,,,,,23,4.3.3 余隙容积的影响,1. 余隙容积,产生原因,,布置进、排气结构,制造公差,部件热膨胀,几个名词：,气缸工作容积(活塞排量) Vh(=V1–V3),余隙容积Vc（=V3）,有效吸气容积Vef（=V1–V4）,余隙容积比  =Vc/Vh,,,,,24,生产过程： 1-2 质量m1气体压缩：p1p2 2-3,气体排向储气罐,3-4,气体膨胀p2  p1,4-1,气体吸入气缸,生产量(每周期)：,,,,,25,2. 余隙容积对生产量的影响,容积效率,讨论：,,,,,确定,一定,26,3. 余隙容积对理论耗功的影响,,,,,27,即余隙对生产1 kg气体理论耗功无影响 （实际上还是使耗功增大）。

归纳： 余隙存在使 1）生产量下降 2）实际耗功增大,有害容积,,,,,,28,4.3.4 多级压缩和级间冷却,1. 多级压缩和级间冷却,分级压缩，级间冷却,工程上需要高压气体， 但压缩过程中随 p 升高 T 升高；V 下降为使,,,,,29,o,,,,,1,2a,T,,.,a,3,.,,.,n,n,2,,,,,,2. 理论耗功分析,1,,n,低压缸,a,,p,中冷器,3,,n,高压缸,2,每生产1 kg压缩气体：,令,,,,,30,推广：若m级，则,讨论： (1)按,选择各级中间压力，优点：,a. 各级耗功相等,（总耗功,有利于曲轴平衡,b. 各缸终温相同,小于不如此分配时,各缸终温中最高者，有利于润滑油工作及使可靠性增加c. 各级散热相同,各中冷器散热相等,,）,,,,,31,(3)若分级m，则趋于定温 压缩但体积庞大，系统复杂， 可靠性下降，一般2-4级4)定温效率,(5)真空泵的实质也是压气机，是出口压力为恒值——环境压力，进气压力不断降低的压气机A455155,,,,,o,,,1,2a,T,,.,a,3,.,,.,n,n,2,,,,.,,,.,.,,,.,.,,(2)分级增多，如4级,.,2b,,,,,,,,,,,,32,4.3.5 叶轮式压气机工作原理,叶轮式压气机 转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大 没有余隙影响；但每级压比不高。

叶轮式压气机热力学分析,由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑离心式压气机,轴流式压气机,,,,,33,理论耗功,实际耗功,实际多耗功,绝热内效率,理想气体,,,,,,,A451177,A453257,34,4.4 水蒸气的等压过程及绝热过程,4.4.1 概述,过程中状态参数确定——图表或专用程序计算 功、热量的计算式：,,,,,4.4.2 定压过程的热量,,35,4.4.3 定熵过程的功,注意：水蒸气绝热过程可有,其中,为经验数字,过热蒸汽,饱和蒸汽,湿蒸汽,水蒸气,?,,,,,A423155,A423277,36,4.5 绝热节流,4.5.1 绝热节流,定义：由于局部阻力，使流体 压力降低的现象节流现象特点： 1) p2s1,I=T0sg 3) h1=h2，但并非等焓过程； 4) T2可能大于等于或小于T1 理想气体T2= T137,4.5.2 节流后的温度变化,★ 焦耳--汤姆逊系数 （也称节流微分效应）,,,,,取决于,降温,升温,不变,38,★ 理想气体节流过程,,,,,★ 水蒸气节流过程,1）节流后温度稍有下降,2）,但少作功,作功能力损失,？,,,,39,4.5.3 节流现象的工程应用,气体液化 发动机功率调节 孔板流量计，干度计··· ··· 利用μJ，结合实验，建立实际气体微分方程 热网中蒸汽降压,,,,,A4501551,A4521552,40,工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管内流动过程的能量转换。

4.6 气体在喷管内的流动过程,4.6.1 简化,稳定、一维、可逆、绝热,,,,,,参数取 平均值,41,1. 连续性方程（质量守恒方程）,,,,,p1 T1 qm1 cf1,p2 T2 qm2 cf2,,,,,4.6.2 稳定流动基本方程,2. 过程方程,注意，若水蒸气，则,42,3. 稳定流动能量方程,,,,,忽略,绝热滞止,理想气体：,定比热容,注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在–20℃ 的高空以 Ma = 2飞行，其t0= 182.6 ℃43,水蒸气：,,,其他状态参数,4. 声速方程,？,,,,,注意：（1）声速是状态参数，因此称当地声速如空气，,（2）水蒸气当地声速,（3）,,马赫数,,亚声速,声速,超声速,44,,4.6.3 喷管内流速变化的条件,1.力学条件,气体在喷管内流速增加，是压力差作用的结果，在流动可逆绝热条件下，导得,,力学条件,,,,,讨论：,喷管,（2）,是压降，是技术功转换成机械能的能量来源,（1）,异号,,45,2. 几何条件,将过程方程代入力学条件，结合连续性方程可导得,几何条件,,,,,,讨论：,（1）cf与A的关系还与Ma有关，对于喷管,渐缩喷管,渐扩喷管,渐缩渐扩喷管,46,截面上Ma=1、cf=c，称临界截面 [也称喉部截面]，临界截面上速度达当地音速,称临界压力、临界温度及临界比体积。

2） 当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：,,a.收缩喷管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）； b.以低于当地音速流入渐扩喷管不可能使气流可逆加速 c.使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管 ——拉伐尔喷管47,(3)背压pb是指喷管出口截面外工作环境的压力 正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于压pb，但非设计工况下p2未必等于 pb归纳： 1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是使流动可逆必不可少的条件；,5） p2未必等于背压pb2）气流的焓差（即技术功）为气流加速提供能量；,3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；,4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速,48,4.6.4 喷管内气流流速及流量计算,1. 流速计算及分析,计算式,注意： (1)公式适用范围：绝热、不作功、任意工质； (2)式中h，J/kg；cf，m/s，一般资料提供h，kJ/kg2. 流速分析,,,,,p2/p0=1，cf2=0，p2/p0下降，cf2增大，到 p2/p0=νcr，截面上cf=c，该截面称临界截面此截面上压力pcr与p0之比称为临界压力比,,49,讨论： （1）,随工质而变,,理想气体定比热双原子,过热水蒸气,湿蒸汽,,,,,,（3）几何条件,约束，临界截面只可能,发生在dA= 0处，考虑到工程实际,,收缩喷管—出口截面,缩放喷管—喉部截面,（2）,,,50,3. 背压pb对流速的影响,（1）收缩喷管,（2）缩放喷管,不属本课程范围,,,,,51,4. 流量计算及分析,（1）计算式,,,,,（2）流量分析,1) p2/p0=1，qm=0； p2/p0下降，qm增大，到临界截面 p2/p0=νcr， qm = qm,max ； 继续下降流量不变。

2）结合几何条件和质量守恒方程：,图中,,,,收缩喷管,缩放喷管,52,,,,,归纳,53,4.6.5 有摩擦的绝热流动,1. 摩阻对流速的影响,定义：喷管速度系数,一般在0.92~0.98,,,,2. 摩阻对流量的影响,若p2、A2不变,据,A4512871,A452177,A4511661,A451266,A451377,下一章,。