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1、第一章第一章气动技术基础理论知识气动技术基础理论知识第一节第一节概论概论气动技术是以压缩空气为工作介质，传递能量和信号，实现生产过程自动化的一门应用科学。气动技术主要研究气动元件和气动系统两个方面的内容。气动元件包括压缩空气发生装置、空气处理元件、控制阀、执行元件、气动传感器、气动调节仪表、信号转换器、气动量仪等。气动系统包括气压传动系统、逻辑控制系统、伺服系统、比例调节系统、气动检测系统等。由于采用空气作为工作介质，气动技术具有工作可靠、结构简单、控制方便、成本低、寿命长及防火、防爆、抗电磁干扰、抗辐射的优点。目前气动技术以成为实现工业过程自动化的重要手段之一，并被广泛地应用于各行业中。气动
2、技术主要应用领域有：机械工业中，零件的装夹、加工、铸造及检测。汽车、农机制造业中，部件的搬运、固定和焊接。轻工业中，家用电器的组装、电子元件的锡焊、自行车、手表、缝纫机等生产线上加工、运输及检测。石油化工业中，阀门的控制、炸药包装、石油钻采、原料输送等。航空工业中，飞机、火箭、导弹广泛采用抗辐射、承受高温和很大加速度的气动控制装置。其它：汽车刹车装置、车辆门窗开闭、爬行机械、喷涂工具、风动工具、充气泵等。特别在易燃、易爆、电磁干扰强、高温、辐射等场合，气动技术是唯一的控制及传动方式。在电子时代的今天，气动技术产品占控制装置销售量的 40%50%，90%的包装机、43%的工业机器人、75%的铸造
3、和焊接设备、50%的自动操作机采用气动系统。在工业发达国家中，气动系统在全部自动化流程中占 30%。气动技术能满足大多数工业生产的控制与传动的需要，在某些场合下，气动技术有输出力较小，不宜进行复杂控制，信号传递慢，噪音大的缺陷。因此，气动技术在不断自我完善和发展的同时，与其他相关技术如：电子、液压、机械等等紧密结合，互相补充，开发出许多新产品、新系统，如气液缸、气液控制、气电控制系统。气动技术新的发展方向和研究方向1基本理论和元器件的研究气动系统从传动和控制两个方面来说，都已有一套适合于工程师设计、使用的计算方法。从传动的角度来看，原料的选择、元件结构的设计、气动缓冲、气体在元件中的流动及特性
4、等仍是目前理论研究的主要方向；从控制的角度来看，除了原有较为完善的逻辑系统理论外，高精度、高灵敏度的元器件和各类气动比例调节、气动伺服控制和气动检测系统的理论研究和开发同时被各气动企业和研究机构所重视。气动基本理论的研究对气动技术的发展起着极其重要的指导作用，该领域的重要突破将极大的推动气动技术发展。12与电子技术相结合随着电子计算机的广泛应用，气动元件、气动系统的设计必然是向着计算机辅助设计、辅助制造的方向发展。目前，国内已能根据实际工作要求用计算机设计完成控制系统的线路图，利用计算机设计开发和辅助制造新的元器件。国外大的气动生产厂商都有专门部门进行气动元器件和系统的计算机辅助设计与制造。研
5、究和开发新的电气元件、电气系统；利用电子技术中较为完善的运算和检测的优势，为电气系统提供精确的给定、反馈和运算，并实现集中控制。3气动技术的节能它包括两个方面，节约气动系统中的电力消耗和空气消耗。节约电力消耗主要是开发各种小功率电磁阀，低于 2 的电磁阀正在普及，国外电磁阀功率降至 10.5。节约空气则是利用差动缸活塞面积差实现控制、控制气动系统中空气流量为最小、利用活塞的膨胀行程作功等。本书的第六章将详细的介绍气动系统中的节能问题。4元器件的小型化、轻量化随着机械装置的紧凑化，对气动执行元件、控制元件、辅助元件等的小型化、轻量化的要求越来越高。气动元件的小型化与轻量化有许多优点，它可以降低元
6、件的成本、节约功耗，从而提高了整个系统的经济性；另外，复杂的气动系统例如气动机器人、气动爬行装置中使用小型轻量的气动元件可减少运动部件的重量，更利于控制。气动元件的小型化的发展方向有两个：一个是元件尺寸的绝对小型化，直径 2.5 毫米、行程几毫米的气缸，过流面积零点几平方毫米的电磁阀都已开发并投入使用。二是元件相对小型化，即是保证元件性能的前提下，使元件的结构或某几个尺寸变小，与之相对应的有薄型气缸、扁型气缸、卡板式电磁阀等。5高精度的比例调节与控制与传统的逻辑控制不同，当前的气动系统已能进行高精度的位置、压力、行程控制，这样的系统往往是气动伺服系统，其中的检测和反馈可以是电动的也有全气动的，
7、而执行机构都是气动的。已经应用于生产的高精度气动控制系统有：衡拉力调节与控制气动系统、阀门定位器、定位气缸、及气动仪表等。这些系统的控制精度、稳定性与液压和电控系统相比还有一定的差距，但在满足要求不高的比例系统的要求时，极大地体现出其经济性、实用性和易维护的特点。6多样化的气动基本元器件气动基本元器件的多样化是气动元器件使用场合通用性与特殊性的要求，同时也是气动元器件生产厂家研制开发新型气动元器件和新型气动系统的技术储备。目前，国外的气动基本元器件种类繁多，品种齐全，除常用的元件外，还为特殊场合和特殊用途开发系列元件。国内的元气件以最常用的元件为主，例如气缸、气源装置、常用阀门等，这些类元件的
8、品种也相对齐全。以气缸为例，除了国际标准气缸（无缓冲）、（有缓冲）外，目前还有带阀气缸、薄膜气缸、压铸气缸、小型气缸、薄型气缸、微型气缸、中间锁位气缸、无杆气缸、缆索气缸、冲击气缸、定位气缸、。随着应用面的不断扩大，有些种类的气缸已单独分离出来，成为气动基本元件中的一大类，并扩展为多种规格。7无需润滑油的气动元件和气动系统2在一些新的气动元件中使用了自润滑材料，因而不再需要油雾器提供润滑油。但使用寿命较短。第二节第二节基本概念基本概念一、热力学一、热力学工程热力学作为一门独立的学科出现，还是最近一个世纪以内的事。它是研究能量科学的一部分，主要研究热能转化为机械能的工作情况。气动技术的工作介质压
9、缩空气正是靠这种转换来做功的。掌握工程热力学的有关基础知识，对研究和应用气动技术是十分重要的。二、气态物质在工程热力学中的分类二、气态物质在工程热力学中的分类气态物体在热力学中分为三类：（一）理想气体理想气体是假象的处于理想状态的一种气态物体。这种气体分子本身的体积与分子间的距离相比较，微不足道，因而假象其分子本身所占的体积为零，并且认为分子间没有吸引力。气态工质在平衡时的状态特性，可用其基本状态参数压力 p、比容 V 和温度 T 之间的关系表示。这种关系一般写成f(p,v,T)=0（11）对于理想气体，在任一平衡状态时，状态参数 p、V、T 之间的关系是pv=RT（12）式中气体常数，每种气
10、体有一定 R 值，kJ kg Kp压力，KPav比容，mkg上式为理想气体的状态方程。（不考虑气体质量的变化）（二）实际气体理想气体状态方程由于没有考虑气体分子之间的相互作用力和气体分子本身的容积，因而不能较准确的表示气体的状态特性。当气体的压力较高、温度较低时，实测的气体状态参数间关系的数据与理想气体状态方程的计算结果有显著的偏差。图 11不同压力时几种气体的可压缩性图11表示几种气体在273k时不同压力下 pv/RT 的实际数值。由图可知：压力越高，则的 pv/RT 的值比 1 大得愈多或小的愈多，与理想气体的偏差愈大；在相同压力、温度下，不同气体与理想气体的偏差各不相同。热力学上把不符合
11、理想气体状态方程的气体工质叫实际气体。许多学者对实际气体基33本参数间的关系进行了大量的理想探讨和实验研究，继续提出了 150 种以上的实际气体状态方程，它们一般都只适用于特定的压力、温度范围，至今还未找到一个各种物质都适用的、适合气液两相的普遍状态方程。气动技术领域所研究的气态工质，温度不是特别低，压力亦不太高（小于1MPa），除特别指出外，一般按理想气体进行计算。（三）蒸汽这里所说蒸汽是指距液化点不远，与产生这种蒸汽的液体很接近的气态物质而言。蒸汽锅炉中的水蒸汽即属此类。工业中实际应用的气体多数是各种气体的混合物，称“混合气体”。空气是由氧、氮、氦、氢等组成的混合气体，但通常作为一种单独的
12、气体来处理。经过干燥处理的空气称“干空气”。实际生活中，干空气和未饱和的水蒸汽的混合物，称“湿空气”。热力学中不将混合气体和湿空气作为基本气态物质看待，但在气动技术中工作介质一般都是“混合气体”和“湿空气”，在设计气动系统和计算过程中都应考虑它们的影响，并作相应的修正。三、热力系统三、热力系统气体在吸热、放热及热能与机械能的转换过程中表现出来的性质，叫做气体的热力性质。研究气体的热力性质，就必须把气体作为研究对象。在热力学中，把作为研究对象的某指定范围内的物质称为热力系统，简称系统或体系。系统之外的物质称为外界。系统与外界之间的分界面称为边界。系统的边界可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定
13、的，也可以是尺寸、形状变化的或者运动着的。所谓热力系统，就是由边界包围着的被研究物质的总和。通常，系统与外界之间可能有物质交换和能量交换，这种交换称为系统与外界之间的相互作用。按系统与外界有无质量交换，可将系统分为两类，即闭口系统和开口系统。闭口系统：系统与外界之间有能量而无质量交换。在闭口系统中，没有物质穿过界面，系统内部物质质量维持不变，所以又称为“控制质量”。开口系统：系统与外界之间既有能量交换，也有质量交换。开口系统有物质通过界面，系统内部的质量可以不变，亦可是变化的。对这种系统，边界所规定的是系统所占有的空间范围，所以又称为“控制容积”或“控制体”。按照热力系统与外界进行能量交换的情
14、况，又可将系统分为三类，即简单系统、绝热系统和孤立系统。简单系统：系统与外界只交换热量和一种形式的功。如由可压缩流体组成的系统（称为可压缩系统），除与外界有热交换外，只与外界有膨胀功和压缩功的交换，因此是简单系统。在本课程里，一般研究这种简单系统。绝热系统：系统与外界没有热交换。孤立系统：系统与外界既无能量交换又无物质交换。在实际系统中，没有完全绝热的边界材料，也不可能使任何系统完全不和外界发生作用，所以，绝对绝热系统和孤立系统是不存在的。这两种系统都是略去了次要因素，抓住事物的本质而概括出来的抽象概念，应用这两个概念可以使研究得到简化。另外，有时会遇到一些特殊的热力系统，如从系统中取走有限的
15、热量而不改变它自身4的温度，这种热力系统称为“热库”或“热源”。相反，向它放热而不改变其温度的热力系统称为“冷源”。四、状态及状态参数四、状态及状态参数热力系统在某一瞬间的宏观物理状况即是热力系统的状态。描述热力系统平衡状态的物理量称热力参数。因为它们是热力状态的单值函数，故又称状态参数。处于平衡状态的热力系统其状态参数都具有一定的数值，对于非平衡状态的热力系统其状态参数一般是不确定的。状态参数可分为强度参数和广延参数两类。凡在热力系统中任一点均具有充分确定数值的物理量称为强度参数。它反映系统的内含性质，与分子的运动状态有关，没有可加性，如压力 p、温度 T 就是强度参数。凡把热力系统作为一个
16、整体来定义，与其中所含物质的数量有关的物理量称为广延参数。如系统的总容积 V、总质量 m、总内能 U、总焓 H、总熵 S 等均为广延参数。显然广延参数具有可加性，总量为各部分的相应量之和。例如：系统的总质量为各部分质量之和，m=m。有些强度参数有相对应的广延参数，它们可以i相互换化，如 U、H、S 除以质量以后就可转化为 u、h、s。对单位质量而言的 u、h、s、等参数就是强度参数了。常用的状态参数方程有六个：温度 T、比容 v、压力 p、内能 U、焓 H、熵 S。其中前三个参数可以测量，称为基本状态参数，其它的状态参数可以根据基本状态参数算得。（一）温度从宏观上讲，温度表征物体的冷热程度。从
17、微观上讲，温度是物体分子热运动平均动能的量度。温度的高低反映了分子热运动的强弱。一般根据热平衡原理，用比较方法来测量温度。即将一个物体取做标准（称为测温质），与被测物体接触，使保持热平衡，并选定某平衡状态为起点。这时，当热平衡状态发生变化时，测温质的性质发生变化，将此变化加以分度就是物体的温度。根据这一原理，国际上出现了各种不同的温度数值表示方法温标，常用的有以下几种：摄氏温标、华氏温标、兰氏温标和开氏温标。1摄氏温标：以符号表示，它规定：在标准大气压下，以纯水的冰点作为 0，沸点为 100，而且假设测温质的性质与温度成简单的线性关系，在 0100之间等分为 100份，每份称为 1。2 开式温
18、标：用符号表示，它是以热能为定温标准，用近乎理想的气体，根据盖 吕萨克定律来标定温度。因为这个定律是所有理想气体都遵守的，所以测得的温度与测温质的性质无关。开式温标规定了一个固定点，既规定摄式零度为 273.15，分度方法与摄式温标相同。开式温标与摄式温标的关系为：273.15+t（13）式中开式温度，t摄式温度，（二）比容比容就是单位物质所占有的体积，用表示。微观上它反映气体分子平均密度。对一5个平衡系统，它表示为：v=V/mmkg（14）式中V气体所占的体积，m3气体的质量，kg比容的倒数称为密度，用表示，即单位体积所具有的质量：1 v m Vkg m（15）（三）压力压力又称压强，是作用
19、在单位面积上的法向力，用 p 表示。微观上它是大量分子的热运动对单位容器面积频繁撞击的结果。因此，气体的压力取决于分子的平均平动动能，又取决于分子的平均密度。压力的单位为帕斯卡，简称帕，用符号 Pa 表示。p=F/APa(16）式中，p作用在 A 面积上的法向力，NA面积，m2工程中常用的压力单位还有巴（bar），工程气压（at），物理气压（atm），毫米汞柱（mmHg）等。有了基本状态参数，就可以算出另外三个状态参数，（在后面介绍）。根据这三个基本状态参数，规定了热力学的基准状态和标准状态：在温度为 273K，绝对压力为 101325Pa 条件下，干空气的状态称为基准状态；在温度为 293K
20、，绝对压力为 101325Pa 条件下，相对湿度为 65%的条件下，空气的状态称为标准状态。33第三节第三节空气的热力过程空气的热力过程一、热力过程和准平衡过程一、热力过程和准平衡过程热力系统中，工质从一个状态连续地变化到另一个状态，系统所经历的全部过程称为热力过程，或简称为过程。过程开始和结束时的状态，分别称为始态和终态。实际的热力过程是很复杂的。首先，一切过程都是平衡被破坏的结果，而在过程进行中总不断打破原有平衡状态，在达到新的平衡状态之前，某些部分的状态参数又发生了新的变化。因此，除始态和终态外，过程进行中的任一瞬间，系统各部分的参数都是不均匀的，即系统是不平衡的。实际系统的热力过程都是
21、这样的不平衡过程。不过，在气动系统中，活塞等运动部件的速度一般不超过 10m/s，而气体内部压力波传播速度为每秒数百米，气体分子热运动的速度也极快，若以热力学时间来衡量，气动系统中过程进行得十分缓慢，在过程进行中气体能够及时地建立起一系列的力平衡和热平衡，都不会远离其平衡状态。因此，为便于理论分析，简化计算，可以把气动系统中的热力过6程看作准平衡过程或准静态过程。对于准平衡过程，其中每一个状态均可视为平衡状态，可以用状态参数来描述，也可用状态方程来表示各状态参数间的关系，这就为热力过程研究带来很大方便。二、功、热量、内能和热力学第一定律二、功、热量、内能和热力学第一定律系统与外界的能量交换是通
22、过传递热量和作功来进行的。在此同时，系统内部工质的能量也要发生变化，热力学第一定律就是确定这些能量相互转换关系的基本定律。这里，首先建立热量、功、内能等几个能量的基本概念，然后再介绍热力学第一定律。日常生活中，当两个温度不同的物体接触时，高温物体的温度会逐渐降低，低温物体的温度则逐渐升高。这时，我们说有热量传递。在热力学中对热量作如下定义：仅仅由于温度不同，在系统和外界之间穿越边界而传递的能量称为热量。从微观上看，热量是通过物体相互接触处的分子碰撞或以热辐射方式所传递的能量。传递过程中，物体并不发生宏观运动。必须注意的是：热量是系统与外界之间传递的能量，而不是系统本身具有的能量。因此，只有在传
23、热过程中才能说系统得到（或失去）了多少热量，而不能说系统在某状态下具有多少热量。传热量的大小不仅与传热过程中系统的初始与终结状态有关，而且与传热的具体过程的特征有关。因此热量不是一个状态量，而是一个过程量，即热量不是态函数，没有全微分。为了与微分（微增量）区别起见，对于微小热量则用 Q（不用 dQ）表示。对于有限过程的热量也借用积分符号，但不能写成QQQ而只能写成Q QJ(17）1kg 工质与外界交换的热量用 q 表示q Q m qJ/kg(18）12热力学中规定：系统接受热量（吸热）时，Q 取正值，系统向外界放热时，Q 取负值。与热量相同，功也是过程的函数，而不是状态参数。功的力学定义：W=
24、Fdx(19）式中F作用力，Ndx在 F 作用下沿 F 方向产生的微小位移，mdw微功，（不是功增量），J完成的总功W x2x1FdxJ(110）功和热都是系统与外界交换的能量（称为迁移能）。然而系统内部还具有一定的能量（称为储存能）。一般说，储存于系统内部的能量称为内能（不包括在外力场作用下具有的宏观势能）。从微观上来说，内能是与物质内部粒子的微观运动和粒子空间形位有关的能量。在工程热力学中，内能包括分子平动、转动、振动的动能、分子间由于相互作用力的存在而具有的位能。7由分子运动理论可知，内动能是工质温度的函数，而内位能是工质密度（比容）的函数。因此，一定量的气体内能 U 是温度和容积的函数
25、：U=f（T,V）J（111）1kg 气体的内能 u 是温度和比容的函数：u=f(T,v)J（112）根据状态方程 f(p,v,T)=0，内能也可以写成：u=f(T,p)和 u=f(p,v)。如果是理想气体，分子间没有相互作用力，内位能为零，气体的内能只有内动能。这时，内能只是温度的单值函数：u=f(T)。人类在长期生产实践和大量科学实验的基础上总结出了能量转换与守恒定律：“自然界一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能在一定的条件下从一种形式转化成另一种形式。在转变过程中，能量的总量恒定不变。”将这一定律应用于伴有热效应的物理化学过程就是热力学第一定律。它指出：“当热能
26、与其它形式的能量进行转换时，能的总量保持恒定”。在工程热力学中，根据这一定律建立起来的系统能量平衡方程式是热力计算的基础。尽管由于系统的形式不同，具体能量平衡方程的表达形式各异，但它的实质是能量守恒。三、焓、熵和热力学第二定律三、焓、熵和热力学第二定律焓和熵也是气体的状态参数，是由数学式给予定义的。（一）焓焓用 H 符号表示，其定义为：H=U+pV，1kg 工质的焓称为比焓，用 h 表示，即：h=u+pv=u+RT，焓的单位与内能单位一致。焓是状态参数，在任一平衡状态下，u、p、v为定值时，h 亦为定值。u 是 1kg 气体的内能，pv 是 1kg 气体的推动功，即是移动 1kg 气体所传输的
27、能量。当有 lkg 气体通过一定的界面流入某热力系统时，该 1kg 气体的 u 内能随着气体本身带进了系统，同时还把从后面获得的推动功pv 也带进了系统。因此，系统所获得的总能量为内能与推动功之和 u+pv，这正是式 h=u+pv=u+RT 中所示的比焓 h。在气动系统中，压缩空气从一处流到另一处，随着压缩空气的移动而转移的能量就是它的焓。（二）热力学第二定律热力学第一定律说明了能量在传递和转换过程时的数量关系，但未说明能量传递的方向、条件和深度。热力学第二定律就是解决这些过程进行的方向、条件和深度等问题的规律，其中最根本的是方向的问题。热量可自发地由高温物体传递给低温物体，但绝不会自发地、不
28、付代价地由低温物体传给高温物体。实际气体流动时，由于有摩擦力，一部分机械能将变成热而损失掉，有时出现附面层分离和旋涡区，超声速流中还会有激波，将引起更多的机械能损失而变成热，提高了气体的内能和温度。虽然机械能与内能之和的总能量在流动过程中是守恒的，但就机械能而言则损失了一部分。这种机械能是自发地部分（情况严重时乃至全部）损失掉而变成气体内能的。但相反，这部分内能却不能再自发地变成机械能。可见，热力过程具有方向性，有的过程能自发地实现，有的过程却不能自发地实现。若一个系统完成一个准平衡过程，由始态变成终态之后，如果能使工质沿相同的途径8逆向回复到原来的始态，并使相互作用中所涉及到的外界亦回复到原
29、来的状态，不留下任何变化，这一过程就称为可逆过程。否则，称为不可逆过程。一个可逆过程，首先应是一个准平衡过程，应满足热的和力的平衡条件，同时在过程中不应有任何不可逆的耗损。准平衡过程和可逆过程的区别在于，准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，在过程进行中有无能量损耗对工质内部的平衡并无关系；可逆过程则是分析工质与外界作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用能无条件地逆复，过程进行是不存在任何不可逆的能量损耗。可见，可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的条件之一。实际热力设备和气动系统中所进行的热力过程，总是或多或少地存在着不可逆因素，因此，实际过程是不可
30、逆过程。于是，热力学第二定律可表述为：“一切自发地实现的过程都是不可逆过程。”可逆过程只是一种理想化的过程。由于可逆过程中状态参数的变化比较简单，便于分析研究，因此，在热力学中总是将可逆过程应用与接近该过程的实际过程中。（三）熵熵是从热力学第二定律引出的另一状态参数，所以给出了热力学第二定律之后才来研究熵。熵的定义为：ds=q/T(113)式中q1kg 气体在可逆过程中自外界吸入的热量 JT传热当时气体工质的绝对温度，Kds此微元过程 1kg 气体熵的变量，J/(kg*K)由于传热过程中 T 不是恒量，故只能以式（113）的微分形式，而不能用s=q/T 来定义熵变。从传热和作功过程的对比可知熵
31、的作用。如前述，1kg 气体工质在可逆过程中所作膨胀功为：w=pdv(110)由式（113）得 1kg 气体在可逆过程中所交换的热量为：q=Tds（114）对比以上两式可知它们是相互对应的。q 与 w 对应，是过程中传递的能量；T 与 p 对应，是能量传递的推动力；s 与 v 对应，其变化是传递过程有无进行的标志。当 dv=0 时不作功，ds=0 当时不传热。在 p-v 图上（图 12），功 w 是过程曲线下的面积。同样，可作 T-S 图（图 13），曲线 12 代表一个由状态 1 变到状态 2 的可逆过程，曲线上的点就代表一个平衡状态。从图可知，在过程 12 中对气体工质加入的热量为q Td
32、s f(s)ds（115）1122可见，在 Ts 图上，过程曲线下的面积就代表过程工质吸入（或放出）的热量。由式（113）知，当工质在可逆过程中吸热时，其熵增大，放热时其熵减小。因此，根据工质在任何可逆过程中熵的增大或减小，可以判断工质在过程中是吸热还是放热，即根据工质在可逆过程中熵的变量的正或负，就可判断传热的方向。若系统与外界绝热，q=0，9则必有 ds=0，即熵不变，这样一个可逆绝热过程就称为等熵过程。理想气体的熵差只与始态和终态参数有关，与过程所经途径无关（证明略）。因而，理想气体的熵是状态参数。图 12膨胀功计算图图 13Ts 图第四节第四节变工质量热力学基础知识变工质量热力学基础知
33、识一般的工程热力学通常只研究工质量不变的系统及稳定流动的系统所进行的热力过程和热力循环。近十几年来，许多热力系统的工质量是随时间变化的。这种变化给过程特性以很大的影响，如果简化成定质量系统处理会引起明显的误差，甚至得出与实际热力过程完全不符的结果。因此需要研究变工质量系统的热力学问题。本节讨论变工质量热力学的基本原理，分析变工质量热力系统的几个典型热力过程，为后续章节的学习提供一定的热力学基础。一、基本概念一、基本概念变工质量热力学主要研究变工质量热力系统的状态变化规律以及与外界进行能量交换的规律，它是一般的工程热力学内容的延伸。因此，工程热力学中的研究方法和许多基本概念在研究变工质量热力系统
34、时仍然是有用的。同工程热力学的宏观的研究方法一样，为分析问题方便起见，先要选定热力系统，即把热力系统人为的从外界中分割开来，以研究边界面内的热力系统的状态变化过程以及通过界面与外界的相互作用。所谓边界面可以是实际存在的，也可以是假想的，可能是固定的，也可能是涨缩的。变工质量热力系统是指系统中工质量是变化的，即系统与外界通过界面有质量交换。这种交换过程，或者是有工质流入系统，或者是有工质流出系统，或者是同时有工质流入流出，且流入和流出的工质量是不相等的，这就有别于一般的工程热力学中所研究的稳定流动。10在研究变工质量热力系统时，以下几点是基本出发点：1工质流入系统之前和流出系统之后所发生的一切变
35、化，不属于所研究的变工质量热力系统的范围。2工质从进入热力系统界面的瞬间起，与系统中其它工质不再有任何区别，即处于同样的热力状态。3工质从离开系统的界面起，就不再参与系统的过程变化。变工质量热力系统与外界的相互作用不外下列三种方式：1由于热力系统界面的涨缩与外界的机械作用；2通过热力系统界面与外界的热量交换；3通过热力系统界面与外界的质量交换，以及随之产生的能量交换。应用热力学的宏观方法研究变工质量系统时，同样只限于均匀热力系统的平衡状态和平衡过程。虽然一切实际过程都不是绝对平衡的，但整个气态工质在平衡被破坏后，具有极大的自动回复平衡的能力，只要外界作用的变化不是十分迅速，那么外界与热力系统的
36、相互作用力的作用、热的作用以及质量交换所引起的影响，将瞬时地均匀地传递到整个系统的各部分工质。对于一个在平衡状态下的不均匀系统，例如当机器各部分的工质处在不相同的热力平衡状态和经历不相同的热力过程时，可将它分成若干个均匀热力系统来进行分析。二、状态方程及基本能量方程二、状态方程及基本能量方程下面我们只讨论工质为理想气体的情况，并且流入或流出系统的是同一种工质。（一）状态方程及基本性质千克理想气体的状态方程为pV mRT（116）在变工质量热力系统中，p、V、m、R、T都可以是变量。在这样的情况下对于某一段微元过程，各参数的变化规律可将上式进行微分而得出。dpdVdmdT 0（117）pVmT上
37、式为状态方程的微分形式。根据理想气体的性质可得下列关系式1比热及绝热指数理想气体比热按迈耶公式得CpCv=（118）绝热指数k cpcvR1（119）cv将上面两式联立可得kR k 1（120）Rcvk 1cp112内能、焓及熵若规定绝对零度作为计算起点，则系统的内能、焓及熵为U mu mcvT H mh mcpT（121）S ms对微元过程dU d(mu)cvmdT cvTdmdH d(mh)cpmdT cpTdm（122）dS d(ms)mds sdm（二）基本能量方程变工质量系统是有物质进出界面的开口热力系统，它与外界的能量交换，除包括功量和热量两项外，还有随同工质流入和流出系统而引起的
38、能量交换。因此，热力学第一定律应用于变工质量系统时，必须考虑到伴随着质量交换而引起的能量交换。图14所示为一变工质量热力系统。考察它在状态变化过程中和外界（包括热源、环境及系统进出口外的工质）的能量交换。今取容器中的工质为热力系统，系统的边界如图上虚线所示。在微元时间dt内，设有工质dm流入和工质dm流出，经界面传入系统的热量为，因系统容积变化（活塞运动）而对外界作功。图 14变工质热力系统示意图将热力学第一定律应用于计算系统中的能量变化时，则流入系统的能量减去离开系统的能量，应等于系统中储存能量的增加。若忽略进出口质量流的位能变化，则能量平衡式为222cdmcdmW hdm dU（123）Q
39、hdm 2g2g 式中：h、h流入和流出的单位质量工质的焓；c、c流入和流出速度；dU微元时间dt内系统内能的增量。在通常情况下c与c的差别不大，故动能变化也可忽略。因此，Q h dm W h dm dUdmWdUdmhh（124）或写成dtdtdtdtdtQ对于t时间间隔，积分后可得12Q thdm W hdm U（125）t上式是热力学第一定律应用于变工质量系统而得的能量方程，也就是变工质量系统热力学第一定律的数学表示式。求解这个微分方程，一般来说是复杂而且是困难的。但是，对于我们将要讨论的几种特殊情况，还是可以求解的。系统中工质量在t时间内的变化关系由质量守恒定律得m dm dm（126
40、）tt三、绝热充气和绝热放气过程三、绝热充气和绝热放气过程(一）绝热充气过程绝热充气过程是研究在绝热条件下，压力和温度不变的高压气体向一容积不变的容器的充气过程。如图5所示，有一容积为的刚性容器，由输气管向其充入恒定压力p0和温度T0的气体，设充气前容器内气体处于状态1（p1,、T1、m1），开启阀门进行充气后容器内气体变为状态2（p2、T2、m2）。现在来确定充气前后容器内气体温度的变化及充气量。取容器V为热力系统（图中虚线所示）。充气过程对外界是绝热的，Q=0，系统的容积不变化，W=0，且过程中没有气体流出系统。则式（124）可知其能量方程为h0dm dU式中：h0为充入气体的焓。因为h0
41、恒定不变，对图 15绝热充气过程上式进行积分可得h0(m2 m1)U2U1 m2u2 m1u1（127）若充入气体和容器内原有气体是同一气体，将理想气体基本性质的关系式代入上式，可得 p2Vp1V p2VpVcvT21cvT1cpT0 RT1 RT2RT1RT2经移项化简后，即可求得充气前后容器中的温度变化T2k（128）T1T1T1 p1k T0T0 p0若充气前容器中的气体温度等于充入气体的温度，即T1 T0时，则充气后系统的温度T2为13T2kT0p1(k 1)1p0（129）充气量m m2 m1V p2p1p1V p2T11R T2T1RT1p1T2将式（129）代入上式，经整理得m
42、V(p2 p1)（130）kRT0或者，相当于输气管中状态下的容积为RT0mV(p2 p1)（131）p0kp0T1p2T2、由式（128）可以看出：1充气过程前后容器内温度的比值与及有T0p1T1T关；2充气后容器的气温是升高还是降低，只取决于1和值的关系（需经变换始能看T0TTTT出）：当1时，21，充气后温度降低；当1时，21，充气后温度升高；T0T1T0T1T而当1时温度不变；3充气压力比p2p1越大，充气后温度升高越大，在极限情况T0p1p2=0时，T2 kT0。V0(二）绝热放气过程设有容积为的刚性容器，内贮一定量的气体，经过阀门将气体不断放出，如图16所示。若整个过程中与外界绝热
43、，这是绝热放气过程。现讨论容器内气体的状态变化。取容器内气体为热力系统。设放气前容器内气体的状态为p1，T1，m1；放气结束时容器内剩余气体的状态为p2，T2，m2，在放气过程中离开系统的气体状态是该瞬间系统所处的状态。放气过程对外界是绝热的，；系统图 16绝热放气过程的容积未变，；且过程中无气体流入。由式（1-24）可得过程的能量方程为dm式中容器内气体的瞬时焓；dm瞬时放出的气量。14因为放出的气量即等于容器内气量的减少，即dmdm，所以hdmdU 0或者写成mduudmhdm 0将理想气体性质的关系式代入上式得mcVdT cvTdm cpTdm 0或mcvdT (cp cv)Tdmdmc
44、vdT1dT Tmc ck 1Tpv对整个放气过程积分，得lnm2T1ln2m1k 1T11k1m2T2 m1 T1p1Vp2Vm2因为m1RT1RT2将m1及m2代入上式，移项整理后得故T2 T1 p2 p1k1k(132）放气结束后，容器内剩余的气体质量为m2 m1 p2（133）p11k从式（132）可见，绝热放气过程容器内气体的状态变化规律，恰好与常工质量热力系统的可逆过程相同。这一点并不奇怪，因为上面的推导是基于系统在每一瞬间都处于平衡状态的条件得到的，即在准静态过程的假定下导出的。但是，式（132）表示的结果并不意味着绝热放气是一种可逆过程。它实际上是一个不可逆过程，其不可逆性表现
45、在流出容器的（m1 m2）那部分气体方面，因为要对它们作推动功。不过，放气过程的这种不可逆性被排除在所取的热力系统之外了。从式（132）看出，刚性容器的绝热放气必然是一个降温的过程。放气终了的气体温度T2随压力比p1p2的增大及初温的降低而降低。如果在放气前容器中气体压力足够高，温度又相当低，那么经绝热放气后，容器内剩余气体将冷却直至液化。需要指出，上述分析是建立在热力系统各处性质均一的假定上的，这只有在过程进行不是很快，且系统内的全部气体能充分混合的情况下才能达到。因此，它只是在理论上能够达到的极限情况。实际上，在放气过程中系统内的全部气体在每一瞬间能否来得及充分15混合，将取决于放气的快慢
46、和容器的几何形状。如果气体流出口截面相对于容器截面来说比较大，那么不但放气速率较快，而且在放气的瞬间容器内的气体将是一个不均匀系统，就无法按式(132）及（133）求解，所以上述分析也不再适用。四、变工质量系统的膨胀和压缩四、变工质量系统的膨胀和压缩前述图14所示的热力系统，如果在气体流入或流出气缸的同时，活塞还向上或向下运动，则构成变工质量系统的压缩或膨胀过程。这种有气体流入或流出的膨胀和压缩过程，系统的状态变化以及同外界能量交换的规律将不同于常工质量系统。这里讨论三种具有某种简单特性的典型过程。（一）等温过程考察图17所示的系统。当气缸内的气体在状态变化过程中保持温度不变，我们把具有这种特
47、性的过程叫做“等温过程”。“等温过程”这个名词纯系移用常工质量热力过程的名词，但两者的特性是有区别的。等温过程状态参数及工质量的变化规律图 17等温过程示意图因为定值，所以pV RT定值（134）m微分上式可得微元过程中参数变化关系，pdV Vdp RTdm所以dm 1(pdV Vdp)（135）RT在、三个变量中，可以任取两个作为独立变量。等温过程热量和功的计算由基本能量方程式（124），结合图17所示的系统，对于dt微元时间的能量平衡式为hdm或hdm(136）上式中的（hdm）可利用理想气体基本性质关系式及式(135)求得，因定值，所以dU hdm cvmdT cvTdm cpTdm R
48、Tdm(pdV Vdp)假如活塞运动时，系统与外界时时处于平衡状态，则W pdV（137）将上述关系代入能量平衡式（136）得16Q Vdp（138）从式(137)及(138)可以看出与常工质量系统的区别。我们知道，常工质量热力系统进行等温过程时，pV定值，因dT0，故dU0，结果得到pdVVdp，W。就是说，气体等温膨胀作功时，必然伴随着系统压力降低，并从外界吸热，即 dV0，dp0，0。反之，气体等温压缩时(dV0)，系统压力升高(dp0)，并对外界放热（0），气体所耗的功全部转变为热能向外界放出（0）。变工质量热力系统作等温变化时，虽然 dT0，但是dU cvTdm 0；由式(134)可
49、知，p与V的关系还与系统工质量的变化有关，结果pdVVdp。式(138)表明，系统在瞬时放热还是吸热取决于系统内压力的变化；式(137)则表明，系统瞬时作功还是耗功，取决于系统容积的变化。两者数值是不相等的（）。这就是说，系统容积增大对外界作功时，并不一定伴随着系统压力的下降，也不一定同时必须从外界吸热；反之，外界对系统作功而使系统容积减小时，也并不一定是系统压力升高和向外界放热。在这里，系统工质量的变化起着重要的作用。对于一个周期（循环）变化的变工质量系统，当按等温过程变化时，因为dm 0，dU 0由式（136）Q W所以Q W pdV Vdp（139)就是说，在一个循环中系统的净传热量等于
50、净功量。（二）绝热过程如图18所示的系统，气缸一端与交换器相联通，在微元时间有气体通过换热器流入或流出气缸。取气缸为热力系统，假若在过程进行的每一瞬间系统与外界没有热量交换，则这是一个绝热过程。在绝热过程中，系统内气体的温度是变化的。今用T表示系统内气体的温*度，用T表示流入或流出气体的温度。显然，从气缸流出气体的温度应等于该图 18绝热过程示意图瞬间气缸内的气体温度，即当dm 0时，T T；但流入气缸的气体的温度，则不可能时时等于该瞬间气缸内的气体温度，即当dm 0时，T T。绝热过程参数间的关系可由基本能量方程和理想气体状态方程导得。对于绝热过程Q0，dt微元时间的能量方程为dU W h*