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1、第4章气体的热力过程 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望24.1 理想气体的基本热力过程理想气体的基本热力过程 目的目的 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。及热量和功量的计算。方法和手段方法和手段 求出过程方程及计算各过程初终态参数。求出过程方程及计算各过程初终态参数。
2、根据热力学第一定律及气体性质计算过程中功和热。根据热力学第一定律及气体性质计算过程中功和热。画出过程画出过程p-v及及T-s图，分析过程中参数及能量关系。图，分析过程中参数及能量关系。可用的公式。可用的公式。1.研究热力过程的目的、方法研究热力过程的目的、方法 4.1.1 气体基本热力过程气体基本热力过程 32.基本热力过程基本热力过程在在log p-logV 图上有图上有log p=-nlnV +c常数常数=常数常数 多变过程多变过程定压过程定压过程定温过程定温过程定熵过程定熵过程定容过程定容过程44.1.2 理想气体多变过程理想气体多变过程1.过程方程过程方程定容过程（定容过程（v=常数）
3、常数）定压过程（定压过程（p=常数）常数）5定温过程定温过程定熵定熵(可逆绝热可逆绝热)过过程程取定比热容，积分取定比热容，积分 三式适用于三式适用于：理想气体、理想气体、定比热、定比热、可逆绝热过程可逆绝热过程。62.理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差 定比热容定比热容73.多变指数多变指数4.在在p-v图及图及T-s图上表示图上表示斜率斜率8定容过程定容过程：定压过程定压过程：定温过程定温过程：定比熵过程定比熵过程（可逆绝热）（可逆绝热）pvo.n=0n=1n=n=Tso.n=0n=1n=n=9多变过程多变过程更多更多关于关于T-s图及图及
4、p-v图图 在在p-v 图上确定图上确定 T 增大及增大及 s 增大方向增大方向 在在T-s 图上确定图上确定 p 增大及增大及 v 增大方向增大方向nn10利用特殊过程的特性，如利用特殊过程的特性，如利用过程的能量关系，如利用过程的能量关系，如0pvo.n=0n=1n=n=u0 h0s0 q0w0u0h0s0 q0Tso.n=0n=1n=n=w011 在在T-s图上用图形面积表示图上用图形面积表示u和和h例：例：ha-hb用什么面积表示用什么面积表示?考虑过程等压考虑过程等压 c依据依据：a.T-s图上过程下面积表示图上过程下面积表示qb.qp=h，qv=ua124.2 理想气体热力过程的功
5、及热量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理想气体基本过程的膨胀功和技术功 1.1.多变过程的多变过程的膨胀功和技术功膨胀功和技术功132.可逆绝热过程的膨胀功和技术功可逆绝热过程的膨胀功和技术功14同样同样153.定容过程的膨胀功和技术功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定温过程的膨胀功和技术功164.2.2 气体热力过程的热量及多变过程的比热容气体热力过程的热量及多变过程的比热容 q=2.比热容比热容1.热量热量174.2.3 多变过程的能量关系多变过程的能量关系 膨胀，吸热，压缩膨胀
6、，吸热，压缩,放热放热膨胀，放热，压缩膨胀，放热，压缩,吸热吸热A510144A410266A40115518压缩气体可用于：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、动力机、风动工具、制冷工程、化学工业、潜水作业、医疗、医疗、休闲等。休闲等。4.3 压气机的热力过程压气机的热力过程 压气机分类压气机分类:按压头高低按压头高低 通风机通风机鼓风机鼓风机压气机压气机4.3.1 概述概述19按工作原理按工作原理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，连续生产压气机不是动力机，压气机中进行的过程不是循环压气
7、机不是动力机，压气机中进行的过程不是循环204.3.2 单级活塞式压气机工作原理单级活塞式压气机工作原理1.工作原理工作原理 0-1：吸气，传输推动功：吸气，传输推动功p1v12-3：排气，传输推动功：排气，传输推动功p2v2压气机耗功：压气机耗功：注意注意：压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准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。立方米表示，不同于进气或排气状态。1-2：压缩，耗外功：压缩，耗外功21o12s.2T2n2.理论耗功理论耗功 wC取决于初、终态及过程特征取决于初、终态及过程特征(1)绝热压缩绝热压缩(2)等温压缩等温压缩(3)多变压
8、缩多变压缩22讨论讨论：(1)理想压缩是理想压缩是 等温压缩等温压缩(2)通常为多变压缩通常为多变压缩,1n 思考思考 自行车轮胎压力通常应维持在自行车轮胎压力通常应维持在0.25 MPa左右，用手动打左右，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？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？234.3.3 余隙容积的影响余隙容积的影响1.余隙容积余隙容积产生原因产生原因布置进、排气结构布置进、排气结构制造公差制造公差部件热膨胀部件热膨胀几个名词：几个名词：气缸工作容积气缸工作容积(活塞排量活塞排量)Vh(=V1V3)余隙容积余隙容积Vc（=V3）有效吸气容积有效
9、吸气容积Vef（=V1V4）余隙容积比余隙容积比 =Vc/Vh24生产过程：生产过程：1-2 质量质量m1气体压缩：气体压缩：p1p2 2-3 气体排向储气罐气体排向储气罐3-4气体膨胀气体膨胀p2 p14-1气体吸入气缸气体吸入气缸生产量生产量(每周期每周期)：252.余隙容积对生产量的影响余隙容积对生产量的影响容积效率容积效率讨论：讨论：确定确定一定一定263.余隙容积对理论耗功的影响余隙容积对理论耗功的影响27即即余隙对生产余隙对生产1 kg气体理论耗功无影响气体理论耗功无影响 （实际上还是使耗功增大）。（实际上还是使耗功增大）。归纳：归纳：余隙存在使余隙存在使 1）生产量下降）生产量下
10、降 2）实际耗功增大）实际耗功增大有害容积有害容积284.3.4 多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却1.多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却分级压缩分级压缩，级间冷却级间冷却工程上需要高压气体，工程上需要高压气体，但压缩过程中但压缩过程中随随 p 升高升高T 升高；升高；V 下降。为使下降。为使29o12aT.a3.nn22.理论耗功分析理论耗功分析1n低压缸低压缸ap中冷器中冷器3n高压缸高压缸2每生产每生产1 kg压缩气体：压缩气体：令令30推广推广：若：若m级，则级，则讨论讨论：(1)按按选择各级中间压力，优点：选择各级中间压力，优点：a.各级耗功相等各级耗功相等（总耗功（总耗功有利于
11、曲轴平衡有利于曲轴平衡 b.各缸终温相同各缸终温相同小于不如此分配时小于不如此分配时 各缸终温中最高者，有利于润滑油工作及使可靠各缸终温中最高者，有利于润滑油工作及使可靠性增加。性增加。c.各级散热相同各级散热相同各中冷器散热相等各中冷器散热相等）31(3)若分级若分级m，则趋于定温，则趋于定温压缩但体积庞大，系统复杂，压缩但体积庞大，系统复杂，可靠性下降，一般可靠性下降，一般2-4级。级。(4)定温效率定温效率(5)真空泵的实质也是压气机，是出口压力为恒值真空泵的实质也是压气机，是出口压力为恒值环境环境压力，进气压力不断降低的压气机。压力，进气压力不断降低的压气机。A455155o12aT.
12、a3.nn2.(2)分级增多，如分级增多，如4级级.2b324.3.5 叶轮式压气机工作原理叶轮式压气机工作原理叶轮式压气机叶轮式压气机 转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大转速高；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。没有余隙影响；但每级压比不高。叶轮式压气机热力学分析叶轮式压气机热力学分析由于排量大，运转快，难冷却，可作由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩绝热压缩考虑。考虑。离心式压气机离心式压气机轴流式压气机轴流式压气机33理论耗功理论耗功实际耗功实际耗功实际多耗功实际多耗功绝热内效率绝热内效率理想气体理想气体A451177A453257344.4 水蒸
13、气的等压过程及绝热过程水蒸气的等压过程及绝热过程4.4.1 概述概述过程中状态参数确定过程中状态参数确定图表或专用程序计算。图表或专用程序计算。功、热量的计算式：功、热量的计算式：4.4.2 定压过程的热量定压过程的热量354.4.3 定熵过程的功定熵过程的功注意：水蒸气绝热过程可有注意：水蒸气绝热过程可有其中其中为经验数字为经验数字过热蒸汽过热蒸汽饱和蒸汽饱和蒸汽湿蒸汽湿蒸汽水蒸气水蒸气?A423155A423277364.5 绝热节流绝热节流4.5.1 绝热节流绝热节流定义：由于局部阻力，使流体定义：由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。压力降低的现象。节流现象特点：节流现象特点：1)p2
14、s1,I=T0sg 3)h1=h2，但并非等焓过程；，但并非等焓过程；4)T2可能大于等于或小于可能大于等于或小于T1 理想气体理想气体T2=T1。374.5.2 节流后的温度变化节流后的温度变化 焦耳焦耳-汤姆逊系数汤姆逊系数（也称节流微分效应）（也称节流微分效应）取决于取决于降温降温升温升温不变不变38 理想气体节流过程理想气体节流过程 水蒸气节流过程水蒸气节流过程1）节流后温度稍有下降）节流后温度稍有下降2）但少作功但少作功作功能力损失作功能力损失？394.5.3 节流现象的工程应用节流现象的工程应用气体液化气体液化发动机功率调节发动机功率调节孔板流量计，干度计孔板流量计，干度计 利用利
15、用J，结合实验，建立实际气体微分方程，结合实验，建立实际气体微分方程热网中蒸汽降压热网中蒸汽降压A4501551A452155240 工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷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。管内流动过程的能量转换。4.6 气体在喷管内的流动过程气体在喷管内的流动过程4.6.1 简化简化稳定、稳定、一维、可逆、绝热一维、可逆、绝热参数取参数取平均值平均值411.连续性方程（质量守恒方程）连续性方程（质量守恒方程）p1T1qm1cf1p2T2qm2cf24.6.2 稳定流动基本方程稳定流动基本方程2.过程方程过程方程注意，若水蒸气
16、，则注意，若水蒸气，则423.稳定流动能量方程稳定流动能量方程忽略忽略绝热滞止绝热滞止理想气体理想气体：定比热容定比热容注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在20 的高空以的高空以 Ma=2飞行，其飞行，其t0=182.6。43水蒸气水蒸气：其他状态参数其他状态参数4.声速方程声速方程？注意注意：（：（1）声速是状态参数，因此称当地声速。声速是状态参数，因此称当地声速。如空气，如空气，（2）水蒸气当地声速水蒸气当地声速（3）马赫数马赫数亚声速亚声速声速声速超声速超声速444.6.3 喷管内流速变化的条件喷管内流速变化的条件 1.力学条件力学条件 气体在
17、喷管内流速增加，是压力差作用的结果，在气体在喷管内流速增加，是压力差作用的结果，在流动可逆流动可逆绝热条件下，导得绝热条件下，导得力学条件力学条件讨论讨论：喷管喷管（2）是压降，是技术功转换成机械能。是压降，是技术功转换成机械能。的能量来源的能量来源（1）异号异号452.几何条件几何条件将过程方程代入将过程方程代入力学条件，结合力学条件，结合连续性方程可导得连续性方程可导得几何条件几何条件讨论讨论：（1）cf与与A的关系还与的关系还与Ma有关，对于喷管有关，对于喷管渐缩喷管渐缩喷管渐扩喷管渐扩喷管渐缩渐扩喷管渐缩渐扩喷管46 截面上截面上Ma=1、cf=c，称，称临界截面临界截面 也称也称喉部
18、喉部截面截面，临界截面上，临界截面上速度达速度达当地音速当地音速称称临界压力临界压力、临界温度临界温度及及临界比体积临界比体积。（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收缩喷管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速出口截面上音速）；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，必须采用使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管渐缩渐扩喷管 拉伐尔喷管拉伐尔喷管。47(3)背压背压pb是指喷管是指喷管出口截面外工作环境的压
19、力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正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于压等于压pb，但非设计工况，但非设计工况下下p2未必等于未必等于 pb。归纳归纳：1）压差压差是使气流加速的基本条件，是使气流加速的基本条件，几何形状几何形状是使流动可逆必是使流动可逆必不可少的条件；不可少的条件；5）p2未必等于背压未必等于背压pb。2）气流的）气流的焓差焓差（即技术功）为气流加速提供能量；（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；）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）拉伐尔喷管喉部截
20、面为临界截面，截面上流速达当地音速484.6.4 喷管内气流流速及流量计算喷管内气流流速及流量计算 1.流速计算及分析流速计算及分析 计算式计算式注意：注意：(1)公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；(2)式中式中h，J/kg；cf，m/s，一般资料提供，一般资料提供h，kJ/kg。2.流速分析流速分析 p2/p0=1，cf2=0，p2/p0下降，下降，cf2增大，到增大，到p2/p0=cr，截面上，截面上cf=c，该截面称，该截面称临界截面。临界截面。此截面上压力此截面上压力pcr与与p0之比称为之比称为临界压力比临界压力比49讨论：讨论：（1）随工质
21、而变随工质而变理想气体定比热双原子理想气体定比热双原子过热水蒸气过热水蒸气湿蒸汽湿蒸汽（3）几何条件几何条件约束，临界截面只可能约束，临界截面只可能发生在发生在dA=0处，考虑到工程实际处，考虑到工程实际收缩喷管收缩喷管出口截面出口截面缩放喷管缩放喷管喉部截面喉部截面（2）503.背压背压pb对流速的影响对流速的影响 （1）收缩喷管）收缩喷管 （2）缩放喷管）缩放喷管不属本课程范围不属本课程范围514.流量计算及分析流量计算及分析（1）计算式）计算式（2）流量分析）流量分析 1)p2/p0=1，qm=0；p2/p0下降，下降，qm增大，到增大，到临界截面临界截面 p2/p0=cr，qm=qm,max；继续下降流量不变。继续下降流量不变。2）结合几何条件和质量守恒方程：结合几何条件和质量守恒方程：图中图中收缩喷管收缩喷管缩放喷管缩放喷管52归纳归纳534.6.5 有摩擦的绝热流动有摩擦的绝热流动1.摩阻对流速的影响摩阻对流速的影响定义：喷管速度系数定义：喷管速度系数一般在一般在0.920.982.摩阻对流量的影响摩阻对流量的影响若若p2、A2不变不变据据A4512871A452177A4511661A451266A451377下一章下一章