1、工程热力学工程热力学第八讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所过程装备与控制工程专业本讲内容4-1 理想气体和实际气体过程分析4.1 研究热力过程的目的和方法4.2 理想气体的热力过程4.3 水蒸气的热力过程4.4 湿空气的热力过程4.5 绝热节流及其应用学习要求熟练掌握理想气体的定容、定压、定温、绝热、多变过程中状态参数p、v、T、u、h、s的计算，过程量Q、W的计算，以及上述过程在p-v 、T-s图上的表示。熟练利用h-s图和蒸气表计算水蒸气的热力过程。能利用h-d 图进行湿空气的典型过程分析。掌握绝热节流的特点。熟练掌握书上p111公式汇总，会用热力学第一定律、理想气体状态方程和
2、热量、功等参数的基本定义式。基本过程的计算是工程热力学的基础，要非常清楚，非常熟悉。该类题拿来就应该会算。4.1研究热力过程的目的和方法 研究目的： 研究外部条件对热能和机械能转换的影响，通过有利的外部条件，达到合理安排热力过程，提高热能和机械能转换效率的目的。 研究对象: (1) 确定工质的状态变化规律； (2) 确定过程中能量传递和转换的情况。 研究方法： 抽象简化 - 基本过程 -修正 研究热力学过程的关键：两点一线常见简化关键词 刚性容器定容 散热良好等温 保温良好绝热 快速来不及散热绝热 缓慢准平衡过程 突然非准平衡过程 缓慢、无摩擦可逆过程研究热力学过程的步骤 研究步骤： (1)
3、根据过程特点，列出过程方程式； (2) 建立基本状态参数间的关系式； (3) 在pv图、Ts图上绘出过程曲线； (4) 计算u，h，s； (5) 计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。4.2 理想气体的热力过程 理想气体可逆过程计算公式：可逆过程第一定律理想气体 其他基本计算公式：理想气体定容过程 工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。1.过程方程式： v = 定值2.状态参数间的关系式：3.容积功： 定容过程不做容积功4.技术功：5.热量:理想气体定容过程6.过程曲线： p-v 图 T-s图pv0122Ts0221理想气体定压过程 工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。1.过程方程
4、式： p = 定值2.状态参数间的关系式：3.容积功： 4.技术功： 定压过程不做技术功5.热量:理想气体定压过程6.过程曲线： p-v 图 T-s图pv0122Ts0212定v线定p线理想气体定温过程 工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。1.过程方程式： T = 定值2.状态参数间的关系式：3.容积功： 4.技术功： 容积功完全是技术功5.热量:理想气体定温过程6.过程曲线： p-v 图 T-s图pv0122Ts0122理想气体定熵(绝热)过程 可逆绝热的热力过程。1.过程方程式： q = 0 s = 定值 2.状态参数间的关系式：3.容积功： 热量完全转化为容积功4.技术功： 容积功完
5、全是技术功5.热量:理想气体定熵(绝热)过程理想气体定熵过程三个条件: (1)理想气体 (2)可逆过程 (3) k 为常数理想气体定熵过程方程推导理想气体定熵(绝热)过程 定熵(绝热)过程说明： 不能说绝热过程就是定熵过程,必须是可逆绝热过程才是定熵过程。 变比热定熵过程：自学可逆绝热理想气体定熵(绝热)过程6.过程曲线： p-v 图 T-s图pv0122Ts0122定T线理想气体的基本过程-初终态关系 定容 定压 定温 定熵(绝热)vpTs=+理想气体的基本过程-过程方程 定容 定压 定温 定熵(绝热)pTsv理想气体的基本过程-p-v,T-s图sTvpppvvTTss理想气体的基本过程-
6、u, h, s 定容 定压 定温 定熵(绝热)状态参数的变化与过程无关理想气体的基本过程-u、h在p-v,T-s图上趋势sTvpu0u0h0h0理想气体的基本过程- wn定容n定压n定温n定熵(绝热)vpTs理想气体的基本过程- w在p-v,T-s图上趋势sTvpw0w0理想气体的基本过程- wtn定容n定压n定温n定熵(绝热)vpTs理想气体的基本过程- wt在p-v,T-s图上趋势psTvwt0wt0理想气体的基本过程- qn定容n定压n定温n定熵(绝热)vpTs理想气体的基本过程- q在p-v,T-s图上趋势psTvwt0q0q0理想气体的基本过程- u,h,w,wt,q变化趋势小结h0
7、u,h (T ) w (v ) wt (p ) q (s )sTvpu0u0h0w0w0wt0q0q0wt0理想气体的多变过程 过程指数不变的热力过程。1.过程方程式： n = 定值 2.状态参数间的关系式：理想气体的多变过程3.容积功： 4.技术功： 5.热量: 定比热：6.多变过程比热：理想气体的多变过程 7.多变过程指数的确定:1)用过程线两端点2)用实际过程lgp-lgv坐标图3)用p-v图面积对比计算基本过程是多变过程的特例(1) 当 n = 0 (2) 当 n = 1(3) 当 n = k (4) 当 n = pTsv小结过程计算方程：1. 初态状态方程2. 终态状态方程3. 过程
8、方程4. 能量守恒方程5. 质量守恒方程6. 熵守恒方程定义式：1.容积功2.技术功3.焓4.熵5.比热6.比热比4.3 蒸气的热力过程 理想气体的热力过程分析方法： 公式计算法 蒸气的热力过程分析方法： 利用图表 (1).定性：p-v图 T-s图 p-T图 (2).定量：h-s图(热机) lgp-h图(制冷) 研究蒸气热力过程的依据 1)第一定律 2)状态参数 查图、查表 3)过程参数（可逆过程）研究蒸气热力过程的步骤 研究步骤： (1).利用图表，由已知的初态参数确定未知的初态参数； (2).利用图表，根据过程特点和已知的终态参数确定未知的终态参数； (3).由初态参数和代入有关公式计算过
9、程中的能量传递、转换量：q，w，wt。蒸气的定容过程 工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。1.过程方程式： v = 定值2.容积功： 定容过程不做容积功3.技术功：4.热量:5.内能：蒸气的定压过程 工质在变化过程中压力保持不变的热力过程。1.过程方程式： p = 定值2.容积功： 3.技术功： 定压过程不做技术功4.热量:5.内能：蒸气的定温过程 工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。1.过程方程式： T = 定值2.容积功： 3.技术功： 定压过程不做技术功4.热量:5.内能：蒸气的定熵（可逆绝热）过程 可逆绝热的热力过程。1.过程方程式： s = 定值2.容积功： 3.技术功： 定
10、压过程不做技术功4.热量:5.内能：蒸气的定熵（可逆绝热）过程绝热指数的近似估算：1.过 热 蒸 汽：k=1.302.干饱和蒸汽：k=1.1353.湿饱和蒸汽：k=1.035+0.1xk不能用来计算蒸汽的状态参数定熵（可逆绝热）过程绝热指数：蒸气基本热力过程的应用1.定压过程： 定压过程是蒸汽动力装置循环中实施得最普遍的过程，锅炉个换热器内的吸热过程、给水在回热加热器内的加热过程、凝汽器内的加热过程、放热过程等均可看成可逆定压过程。2.绝热过程： 绝热过程也是蒸汽动力装置循环中实施得较普遍的过程，如水蒸气在汽轮机内的膨胀过程、水在水泵中的升压过程等都是绝热过程。4.4 湿空气的热力过程复习：
11、湿空气可以看作理想气体（干空气和水蒸气）的混合物。通常水蒸气的分压力只有2030mmHg。 露点温度是指湿空气中水蒸气的分压力所对应的饱和温度。露点温度对锅炉的设计和运行有重要的实际意义。 相对湿度是指湿空气中水蒸气的实际含量接近最大可能含量的程度。复习：湿空气的焓湿图dhht不同的pb不同的h-d图=100%tdtwt湿球温度tw=绝热饱和温度热湿比：h-d图上为直线经常作为过程斜率出现湿空气的基本热力过程单纯加热或冷却过程 特点：含湿量不变冷却去湿过程 特点：凝析前含湿量不变，凝析后水蒸气饱和增压冷凝过程 特点：比较压力是否饱和以确定凝析情况绝热加湿过程 特点：绝热，近似定焓加热加湿过程
12、特点：能量守恒，吸热等于焓增，过程需补充条件绝热混合过程 特点：能量、质量守恒单纯加热或冷却过程特点：含湿量不变加热1 2放热1 2hh12qdh122=100%冷却去湿过程dh12234qd1h1d4h4d1-d4h水特点：凝析前含湿量不变， 凝析后水蒸气饱和=100%增压冷凝过程 压缩机 过程： 常态 加压 冷却降温 凝析 p1 ，t1 ，1 p2， t2 p2， t2 pst1= ps1 1 pst2= pst1p2/p1 ps2 pst2 ps2 绝热加湿过程d1h1d2h2d2-d1h水t1t2dh12dt向空气中喷水，汽化潜热来自空气本身，t蒸发冷却过程=100%加热加湿过程dh1
13、h2h13h3d1h1d2h2d2-d1h水t1t2q设t不变 12设 不变 13=100%绝热混合过程-1d1d2ma2ma1ma3d3空调工程常用方法绝热混合过程-2dh12h3h23h1ma1ma2=100%4.5 绝热节流 绝热节流：流体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及与外界进行热量交换的过程。 过程的基本特性等焓、压降 h1h2推导： 根据 Q=0 + 第一定律焦耳汤姆逊效应时间：1852年实验装置：结论：节流前后，气流温度发生变化原因：h = f ( p , T )分析：1.理想气体：节流后，焓不变、温度不变、压力降低、比容增大，由于是不可逆绝热过程，节流后熵的值增大。2.实际
14、气体：节流前后焓不变，但温度有三种可能，即升高、不变或降低。微分节流效应绝热节流引起的温度变化，称绝热节流温度效应。1.节流后温度升高，称为热效应；2.节流后温度降低，称为冷效应；3.节流前后温度不变，称为零效应，所有理想气体都是零效应。分析：积分节流效应微分节流效应和积分节流效应不尽相同节流的实际应用1.利用节流降低工质的压力-孔板差压计2.利用节流测定蒸汽的流量-孔板流量计3.利用节流代替膨胀机4.利用节流调节汽轮机的功率练习与讨论 例1：同种气体，TA=TB=T0=288K，I.突然拔掉销钉，经很长时间，TA=TB=T0 活塞无摩擦，完全导热II.拔掉销钉，活塞有摩擦，完全导热， 且经历
15、准静态等温过程。求：1）活塞移动距离L2）A气体对B气体传热QA A气体对B气体作功WA3）气缸与外界换热QA+B4） SA ,SB , SA+BI. 活塞无摩擦，完全导热 解： 1）活塞移动距离 假设活塞上移后容积变化x A和B质量和温度不变 代入已知参数，得 终态时压力平衡 活塞上移距离I. 活塞无摩擦，完全导热2）A气体对B气体作功WA 突然，不是准静态， WA无法确定。 A气体对B气体传热QA 无法确定。3）气缸与外界换热QA+BI. 活塞无摩擦，完全导热4） SA ,SB , SA+B讨论：1.SA可求，而QA不可求。 S状态参数与过程无关。2.不可逆过程熵增。QA+B=0，SA +
16、B 0 II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温 解： 1）活塞移动距离 假设活塞上移后容积变化x A和B质量和温度不变 代入已知参数，得 终态时压力平衡 活塞上移距离I. II. 距离L相等 II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温2）A气体对B气体作功WA 准静态， WA可以确定。 摩擦耗功计算： II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温 A气体对B气体传热QA3）气缸与外界换热QA+B II. 活塞有摩擦，导热，准静态等温4） SA ,SB , SA+B讨论： 并非巧合 SAB由摩擦不可逆引起练习与讨论 例2： 小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱初为真空，由于小瓶漏气，某时刻，小瓶内温度为TA，
17、箱内氦气温度为TB。氦气为理想气体，试分析TA，TA，TB的大小关系。 关键：选取适当系统。TBTA例2解 分析：1）取小瓶为系统。 绝热系统 理想气体TBTA焓例2解2）取保温箱为系统。TBTA焓练习与讨论 例3： 刚性氧气瓶，V=0.04m3, p1=147.1bar , t1=t0=20，迅速放气，求：放出的质量m。关键：求T2 。p2 ,V已知， 先求T2m1m2m例3解-方法一解：取氧气瓶为开口系，开口系能量方程：例3解-方法二气瓶为刚性容器：例3解-方法二解：放气过程中，氧气瓶内为绝热过程：练习与讨论 例4： 压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？sTvp练习与讨论 例5：膨胀、
18、降温、放热的过程，终态在哪个区域？sTvp练习与讨论 例6：膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？sTvp练习与讨论 例7： 已知空气的t1=20oC，1 =0.6，p1= 0.1MPa，将其加热至t2=50oC后送入干燥室，从干燥室排出时t3=30oC，求：1）3 = ？2） d3 = ?3) 从干燥室每吸收1kg水分所需空气量和加热量.例7解加热过程分析单纯加热加热加热过程过程含湿量不变含湿量不变dh12t2t1d2 = d1d1h1d2h2t1t2例7解干燥过程分析-绝热加湿d1h1d2h2d2-d1h水t1t2绝热加湿绝热加湿过程等焓过程过程等焓过程dh12例7解dh12h2h13查
19、图得 d1=8.9g水蒸气/kg干空气h1=42.8kJ/kg干空气根据 d2=d1, t2=50oC查图得 h2=73.5kJ/kg干空气根据 h3=h2, t3=30oCd3=17.0g水蒸气/kg干空气查图得根据t1=20oC，p1=0.1MPa，例7解 含1kg干空气的湿空气所吸收水分 每吸收1kg水分所需干空气 每吸收1kg水分所需湿空气 每吸收1kg水分所需加热量思考题和课后作业思考题 1、任何定温过程都有u=0, h=0? 2、从同一初态，分别经 定温、定熵、过程指数n=1.2 过程，到达同一终态是否可能? 3、一封闭系经某可逆吸热对外作功，问能否用一可逆绝热过程使系统回到初态?课后作业4-24-44-64-8
