4-1分析热力过程的目的及一般方法分析热力过程的目的及一般方法4-2绝热过程绝热过程4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析4-4压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功4-5活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响4-6多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却第四章第四章 理想气体的热力过程及气体压缩理想气体的热力过程及气体压缩1一一.分析热力过程的目的、思路和依据：分析热力过程的目的、思路和依据：1)研究目的研究目的：能量转换情况、影响因素：能量转换情况、影响因素2)研究思路：研究思路：3)研究依据：研究依据：热力学第一定律热力学第一定律、理想气体状态方程理想气体状态方程4-1分析热力过程的目的及一般方法分析热力过程的目的及一般方法定熵、定压定熵、定压定容、定温定容、定温二二.理想气体理想气体热力过程中相关物理量的计算：热力过程中相关物理量的计算：1)热力学能的变化：热力学能的变化：2)焓的变化：焓的变化：2熵的单位？熵的单位？状态方程的微分形式状态方程的微分形式可逆可逆微元过程：微元过程：3)熵的变化：熵的变化：4-1分析热力过程的目的及一般方法分析热力过程的目的及一般方法3热力过程的熵变：热力过程的熵变：注意：注意：1）由上述）由上述3式可知，熵是式可知，熵是状态参数状态参数，但，但熵不是温熵不是温度的单值函数度的单值函数；2）上述）上述3式由理想气体的可逆过程导出，式由理想气体的可逆过程导出，也适用也适用于理想气体的不可逆过程于理想气体的不可逆过程。4-1分析热力过程的目的及一般方法分析热力过程的目的及一般方法4例例4-1：某理想气体在刚性绝热容器内作：某理想气体在刚性绝热容器内作自由膨胀自由膨胀，求，求s1-2。解：由热力学第一定律：解：由热力学第一定律：5三三.热力过程的分析步骤：热力过程的分析步骤：1)根据热力过程特征根据热力过程特征建立过程方程式建立过程方程式；2)根据过程方程式及状态方程根据过程方程式及状态方程确定初终态参数的关系确定初终态参数的关系；3)将过程表示在将过程表示在p-v图和图和T-s图上，并进行图上，并进行定性分析定性分析；4)计算热力过程的计算热力过程的功量和热量功量和热量。4-1分析热力过程的目的及一般方法分析热力过程的目的及一般方法注意：注意：热力过程中工质状态变化和能量转换规律热力过程中工质状态变化和能量转换规律与是否与是否流动无关流动无关，只取决于过程特性！，只取决于过程特性！因此，本章的内容适用于因此，本章的内容适用于闭口系统的闭口系统的可逆可逆过程过程和和开口开口系统的系统的可逆可逆稳态稳流过程稳态稳流过程。64-2绝热过程绝热过程 绝热过程：绝热过程： q=0的热力过程。的热力过程。注意：注意： q=0与与q=0的区别！的区别！1.过程方程式：过程方程式：近似式近似式可逆绝热过程可逆绝热过程：为定熵过程！为定熵过程！绝热指数绝热指数72.初、终态参数间的关系：初、终态参数间的关系：3.p-v图和图和T-s图：图：p-v图上为一图上为一高次双曲线高次双曲线，斜率为：，斜率为：4.功量和热量：功量和热量：4-2绝热过程绝热过程绝热绝热理想气体、定热容理想气体、定热容理想气体、定热容、定熵过程理想气体、定热容、定熵过程8绝热绝热理想气体、定热容理想气体、定热容理想气体、定热容、定熵过程理想气体、定热容、定熵过程因此，因此，定熵过程的技术功是膨胀功的定熵过程的技术功是膨胀功的 倍。倍。小结小结：1)过程方程式、功的表达式过程方程式、功的表达式均为近似式均为近似式；2)膨胀功和技术功的表达式可以由功的定义式得到；膨胀功和技术功的表达式可以由功的定义式得到；3)膨胀功与技术功的关系可以由过程方程式得到：膨胀功与技术功的关系可以由过程方程式得到：4-2绝热过程绝热过程94-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析一一.可逆多变过程可逆多变过程发动机工作时气缸发动机工作时气缸压力与体积的关系压力与体积的关系1.定义：许多热力过程可以近似用定义：许多热力过程可以近似用式式表示，该过程称为多变表示，该过程称为多变过程，过程，n称为称为多变指数多变指数。 n=0：p为常数，定压过程；为常数，定压过程；n=1：pv为常数，定温过程；为常数，定温过程； n= ：pv 为常数，定熵过程；为常数，定熵过程；n=：v为常数，为常数，定容过程定容过程；102.初、终态参数：初、终态参数：多变指数：多变指数：3.p-v图和图和T-s图：图：图的形状取决于图的形状取决于p 和和v（T 和和s）的关系式）的关系式p-v图上各点的斜率图上各点的斜率：T-s图上各点的斜率图上各点的斜率：4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析114.功量和热量：功量和热量：注意多变过程注意多变过程比热容的正负！比热容的正负！n 1，cn 0；1 n ，cn 0；n ，cn 0；4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析121.过程方程式：过程方程式：v =常数常数2.初、终态参数：初、终态参数：3.p-v图和图和T-s图：图：4.功量和热量：功量和热量：定容过程定容过程如：气缸内工质的迅速燃烧、刚性容器内的热力过程如：气缸内工质的迅速燃烧、刚性容器内的热力过程13定压过程定压过程1.过程方程式：过程方程式：p =常数常数2.初、终态参数：初、终态参数：3.p-v图和图和T-s图：图：4.功量和热量：功量和热量：如：燃气轮机内的定压加热和放热、热交换器内的热力过程如：燃气轮机内的定压加热和放热、热交换器内的热力过程注意注意T-s图上定容线与图上定容线与定压线的相对位置定压线的相对位置！思考：思考：T-s图图上任两条定上任两条定压线的关系？压线的关系？141.过程方程式：过程方程式：T =常数或常数或pv=常数常数2.初、终态参数：初、终态参数：3.p-v图和图和T-s图：图：4.功量和热量：功量和热量：p-v图上为一图上为一等边双曲线等边双曲线，斜率为：，斜率为：思考思考：能否用能否用 来计算定温过程的热量？来计算定温过程的热量？定温过程定温过程如：吸热汽化过程、冷却及时的压缩过程如：吸热汽化过程、冷却及时的压缩过程注意注意p-v图上定图上定熵线与定温线熵线与定温线的相对位置的相对位置！155.多变过程在坐标图上的定性分析：多变过程在坐标图上的定性分析：小结：小结：1)多变指数多变指数n 按按顺时针顺时针方向逐渐增大；方向逐渐增大；2)n 0的情形实际意义不大，一般不予讨论；的情形实际意义不大，一般不予讨论；3)某一多变过程在两图上的对应表示；某一多变过程在两图上的对应表示；4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析166.多变过程特性判定：判断功量、热量和多变过程特性判定：判断功量、热量和 u (或或 h)的正负的正负膨胀功：膨胀功：p-v图上，定容线右方为正，左方为负；图上，定容线右方为正，左方为负；T-s图上，定容线右下方为正，左上方为负。图上，定容线右下方为正，左上方为负。技术功：技术功：p-v图上，定压线下方为正，上方为负；图上，定压线下方为正，上方为负；T-s图上，定压线右下方为正，左上方为负。图上，定压线右下方为正，左上方为负。4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析17热量：热量：T-s图上，定熵线右方为正，左方为负；图上，定熵线右方为正，左方为负；p-v图上，定熵线右上方为正，左下方为负。图上，定熵线右上方为正，左下方为负。热力学能或焓的变化：热力学能或焓的变化：T-s图上，定温线上方为正，下方为负；图上，定温线上方为正，下方为负；p-v图上，定温线右上方为正，左下方为负。图上，定温线右上方为正，左下方为负。4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析18作图分析：作图分析：第一类：第一类：多变过程分析：在多变过程分析：在p-v图和图和T-s图上表示给定的多变图上表示给定的多变过程，分析功量、热量、热力学能（焓）变化的正负。过程，分析功量、热量、热力学能（焓）变化的正负。例例4-2：图示：图示 =1.4的某气体，的某气体，n =1.2的多变放热过程；的多变放热过程；图示工质压缩且吸热的多变过程。图示工质压缩且吸热的多变过程。第二类：第二类：在在p-v图和图和T-s图上表示功量、热量、热力学能或图上表示功量、热量、热力学能或焓的变化。焓的变化。例例4-3：1)在在T-s图上表示定熵过程的图上表示定熵过程的w和和wt？2)在在p-v图和图和T-s图上表示任意两点间的图上表示任意两点间的 u和和 h？3)在在p-v图上表示定压过程的热量？图上表示定压过程的热量？4-3多变过程的综合分析多变过程的综合分析19例例4-4：气缸中装有气缸中装有0.3m3氧气，初态为氧气，初态为t1=45、p1=1.032bar，先在定压条件下对氧气加热，然后再定容冷却到初温先在定压条件下对氧气加热，然后再定容冷却到初温45。已。已知氧气的最终压力为知氧气的最终压力为0.588bar，气体常数为，气体常数为259.8J/(kg K)，比，比定压热容为定压热容为0.91kJ/(kg K)，试分别求两个过程中加入的热量、，试分别求两个过程中加入的热量、热力学能和焓的变化及所作的功。热力学能和焓的变化及所作的功。解：先求氧气的质量：解：先求氧气的质量：设初态为设初态为1，定压加热后状态为，定压加热后状态为2，定容冷却后状态为，定容冷却后状态为3。状态状态3为：为：状态状态2为：为：20定压过程：定压过程：定容过程：定容过程：21例题例题4-5：体积体积0.15m3的储气罐内装的储气罐内装p1=0.55MPa、t1=38 C的的氧气。现对其加热，温度压力将升高。罐上装有压力控制阀，氧气。现对其加热，温度压力将升高。罐上装有压力控制阀，当压力超过当压力超过0.7MPa时阀门自动打开放走部分氧气，使罐中维时阀门自动打开放走部分氧气，使罐中维持压力持压力0.7MPa。问当罐内温度为。问当罐内温度为285 C时，罐内氧气共吸收多时，罐内氧气共吸收多少热量？氧气热容少热量？氧气热容cv=0.677kJ/(kg K)，cp=0.917kJ/(kg K)。解：过程分为两个部分：定容和定压。解：过程分为两个部分：定容和定压。定容过程：定容过程： 罐内氧气的质量为：罐内氧气的质量为：则定容过程吸收热量为：则定容过程吸收热量为： 22定压过程：罐中氧气质量和温度不断变化，定压过程：罐中氧气质量和温度不断变化， 取一微元过程：取一微元过程： 234-4压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功压气机：消耗机械能来生产压缩气体的设备，压气机：消耗机械能来生产压缩气体的设备，不是动力不是动力 机械；机械；压气机中进行的压气机中进行的是热力过程，不是循环。是热力过程，不是循环。压气机压气机类型类型活塞式：活塞式：压头高，流量小，间隙生产压头高，流量小，间隙生产叶轮式叶轮式：压头低，流量大，连续生产压头低，流量大，连续生产按原理按原理及构造及构造按压力按压力范围范围 通风机：表压通风机：表压0.1MPa以下以下鼓风机：表压鼓风机：表压0.10.3MPa压气机：表压压气机：表压0.3MPa以上以上24活塞式压气机活塞式压气机叶轮式叶轮式（轴流式）（轴流式）叶轮式叶轮式（离心式）（离心式）4-4压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功25一一.工作原理工作原理1.工作过程：工作过程：吸气过程：吸气过程：f-1，传输流动功，传输流动功压缩过程压缩过程：1-2，消耗体积变化功，消耗体积变化功排气过程：排气过程：2-g，传输流动功，传输流动功压气机的耗功量：压气机的耗功量：唯一的热力过程唯一的热力过程4-4压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功262.压缩过程的类型压缩过程的类型定熵压缩定熵压缩：过程快，忽略换热：过程快，忽略换热定温压缩定温压缩：过程慢，散热条件好：过程慢，散热条件好多变压缩：介于上述两者之间多变压缩：介于上述两者之间二二. .压气机的理论耗功量压气机的理论耗功量定熵压缩定熵压缩：可逆定温压缩可逆定温压缩：4-4压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功升压比升压比 27可逆多变压缩可逆多变压缩：结论：结论：2)应尽量减少压缩过程的多变指数，使应尽量减少压缩过程的多变指数，使过程接近过程接近定温压缩定温压缩。思考：思考：用手动打气用手动打气筒向自行车轮胎充气时用湿筒向自行车轮胎充气时用湿毛巾包在打气筒外壁，会有什么后果？毛巾包在打气筒外壁，会有什么后果？1)相同条件下：相同条件下：4-4压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功284-5活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响一一.余隙容积余隙容积余隙余隙：活塞运动到左死点时与气缸：活塞运动到左死点时与气缸盖的间隙。盖的间隙。活塞排量活塞排量：活塞运动过程中扫过的：活塞运动过程中扫过的容积，容积，V1 V3存在原因存在原因布置进、排气阀布置进、排气阀制造公差制造公差运行平稳、部件热膨胀运行平稳、部件热膨胀余隙容积余隙容积：活塞左死点与气缸盖间：活塞左死点与气缸盖间隙的容积，隙的容积，V3余隙百分比：余隙百分比：29二二.余隙容积的影响余隙容积的影响1.对压缩气体生产量的影响对压缩气体生产量的影响有效吸气量有效吸气量：V1 V4 容积效率容积效率：有效吸气量有效吸气量与与活塞排量活塞排量的比值，它反映了活塞排量的有效利的比值，它反映了活塞排量的有效利用程度及压气机生产气体的能力。用程度及压气机生产气体的能力。4-5活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响30 假设气体压缩过程和余隙内气体的膨胀假设气体压缩过程和余隙内气体的膨胀过程均为多变过程，且过程均为多变过程，且多变指数相同多变指数相同，则：，则：结论：结论：1)升压比和多变指数一定时，余隙百升压比和多变指数一定时，余隙百分比越大，容积效率越小；分比越大，容积效率越小；2)余隙百分比和多变指数一定时，升余隙百分比和多变指数一定时，升压比越大，容积效率越小。压比越大，容积效率越小。4-5活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响312.对理论耗功量的影响：对理论耗功量的影响：结论：结论：生产质量相同、初状态相同、升压比相同的压生产质量相同、初状态相同、升压比相同的压缩气体，缩气体，余隙对耗功量没有影响余隙对耗功量没有影响。因此，在。因此，在分析理论分析理论耗功量时，可以不考虑余隙的影响耗功量时，可以不考虑余隙的影响。4-5活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响323.小结：小结：1)余隙本身不但不能被利用，还使得另一部分活塞排量余隙本身不但不能被利用，还使得另一部分活塞排量不能被利用，且这部分排量随着升压比的增加而增加。不能被利用，且这部分排量随着升压比的增加而增加。当当要获得较高压力的气体时，必须采用多级压缩要获得较高压力的气体时，必须采用多级压缩。 2)余隙的存在虽然使压缩过程处理的气体量增加了，从余隙的存在虽然使压缩过程处理的气体量增加了，从而使得压缩过程的耗功量增加，但是由于余隙内高压气体而使得压缩过程的耗功量增加，但是由于余隙内高压气体的膨胀对外作功，最终使得的膨胀对外作功，最终使得压气机的耗功量没有增加压气机的耗功量没有增加。 3)气体生产量转速（气体生产量转速（r/min） 有效吸气量有效吸气量 4-5活塞式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响334-6多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却一一.工作原理工作原理 一级压缩：一级压缩：e-1吸气、吸气、1-2压缩、压缩、2-f排气；排气；定压冷却：定压冷却：f-2进气、进气、2-2冷却、冷却、2-f排气；排气；二级压缩：二级压缩：f-2吸气、吸气、2-3压缩、压缩、3-g排气；排气；优点：优点：节省耗功量；节省耗功量；降低排气温度。降低排气温度。34二二. .中间压力中间压力 以两级压缩为例，假设中间冷却使气体温度降至以两级压缩为例，假设中间冷却使气体温度降至进气温度，两级压缩多变指数相同，则：进气温度，两级压缩多变指数相同，则：4-6多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却35小结：对理想的多级压缩，有以下规律：小结：对理想的多级压缩，有以下规律：1)各级压缩的升压比相等：各级压缩的升压比相等：2)各级压气机的排气温度相等：各级压气机的排气温度相等：3)各级压气机的耗功量相等：各级压气机的耗功量相等：4)各级压缩过程的放热量相等：各级压缩过程的放热量相等：4-6多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却36