1、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
2、和热量、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) 根据过程特点，列
3、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,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.过程方程式： p = 定值2.状态参数间
4、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,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,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,理想气体定熵
5、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,理想气体的基本过程-初终态关系,定容定压定温定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程-过程方程,定容定压定温定熵(绝热),p,T,s,v,理想气体的基本过程-p-v,T-s图,理想气体的基本过程- 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,理想气体的基本过程- w,定容定压定温定熵(绝热),v
6、,p,T,s,理想气体的基本过程- w在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- wt,定容定压定温定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程- wt在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- q,定容定压定温定熵(绝热),v,p,T,s,理想气体的基本过程- q在p-v,T-s图上趋势,理想气体的基本过程- u,h,w,wt,q变化趋势小结,h0,u,h (T ) w (v ) wt (p ) q (s ),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
7、.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 = ,p,T,s,v,小结,过程计算方程：初态状态方程终态状态方程过程方程能量守恒方程质量守恒方程熵守恒方程,定义式：容积功技术功焓熵比热比热比,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),
8、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
9、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：过 热 蒸 汽：k=1.30干饱和蒸汽：k=1.135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,定压过程： 定压过程是蒸汽动力装置循环中实施
10、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。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：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,不同的pb不同的h-d图,=100%,td,
11、tw,t,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 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,=100%,冷却去湿过程,d,h,1,2,2,3,4,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 p
12、2， t2 p2， t2 pst1= ps1 1 pst2= pst1p2/p1 ps2 pst2 ps2 ,绝热加湿过程,蒸发冷却过程,=100%,加热加湿过程,=100%,绝热混合过程-1,空调工程常用方法,绝热混合过程-2,d,h,1,2,h3,h2,3,h1,ma1,ma2,=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：理想气体：节流后，焓不变
13、、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。实际气体：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。节流后温度升高，称为热效应；节流后温度降低，称为冷效应；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,利用节流降低工质的压力-孔板差压计利用节流测定蒸汽的流量-孔板流量计利用节流代替膨胀机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
14、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+B,I. 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+B,I. 活塞无摩擦，完全导热,4） SA ,SB , SA+B讨论：SA可求，而QA不可
15、求。 S状态参数与过程无关。不可逆过程熵增。,QA+B=0，SA +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
16、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，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。,例2解,分析：1）取小瓶为系统。 绝热系统 理想气体,例2解,2）取保温箱为系统。,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T2,m1,m2,m,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,
17、例4：,压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？,s,T,v,p,练习与讨论,例5：,膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？,s,T,v,p,练习与讨论,例6：,膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？,s,T,v,p,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,加热过程含湿量不变,d,h,1,2,t2,t1,d2 = d1,例7解,干燥过程分析-绝热加湿,绝热加湿过程等焓过程,例7解,d,h,1,2,h2,h1,3,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,
