理想气体基本热力过程

1、理想气体的基本热力过程热力设备中，热能与机械能的相互转化，通常是通过气态工质的吸热、膨胀、放热、压缩等热力过程来实现的。实际的热力过程都很复杂，而且几乎都是非平衡、非可逆的过程。但若仔细观察会发现，某些常见过程非常近似一些简单的可逆过程。常见的主要有四种简单可逆过程-基本热力过程，指系统某一状态参数保持不变的可逆过程。包括定容过程、定压过程、定温过程和绝热过程。我们以1kg理想气体的闭口系统为例来分析这几种基本热力过程，分析方法包括5点：（1）依据过程特点建立过程方程式；（2）由过程方程和理想气体状态方程确定初、终态基本状态参数之间的关系，即P1、v1、T1和P2、v2、T2之间的关系；（3）

2、绘制过程曲线；我们主要绘制两种坐标图P-v图和T-s图，因为P-v图上可以表示过程中做功量的多少，而T-s图上可以表示过程中吸收或放出热量的多少；（4）分析计算u，h，s；（5）分析计算过程的热量q和功w。一、定容过程定容过程即工质的容积在整个过程中维持不变，dv=0，通常是一定量的气体在刚性容器中进行定容加热或定容放热。（1）依据过程特点建立过程方程式定容过程的特点是体积保持不变，所以建立过程方程式：v=常数；或dv=0或v1=v2（2）由过程方程和理想气体状态方程确定初、终态基本状态参数之间的关系过程方程式：v1=v2理想气体状态方程：由以上两个方程可以得到初末基本状态参数之间的关系：即定

3、容过程中工质的压力与温度成正比。（3）绘制过程曲线；定容过程有两种情况：定容加热和定容放热。（4）分析计算u，h，s；或（5）分析计算过程的热量q和功w。容积变化功：根据q=u+w可得：总结：定容过程中系统与外界无容积变化功，加给工质的热量全部用于增加工质的热力学能，而没有热能与机械能的转化。二、定压过程定压过程即工质的压力在整个过程中维持不变，dP=0，工程上使用的加热器、冷却器、燃烧器、锅炉等设备都是在接近定压的情况下工作的。（1）依据过程特点建立过程方程式定压过程的特点是压力保持不变，所以建立过程方程式：P=常数；或dP=0或P1=P2（2）由过程方程和理想气体状态方程确定初、终态基本状

4、态参数之间的关系过程方程式：P1=P2理想气体状态方程：由以上两个方程可以得到初末基本状态参数之间的关系：即定压过程中工质的比容与温度成正比。（3）绘制过程曲线；定压过程有两种情况：定压加热和定压放热。T-s图上曲线是对数曲线，从上图可知，定容过程与定压过程在T-s图上都是对数曲线，但定压线的斜率小，更为平坦。（4）分析计算u，h，s；或（5）分析计算过程的热量q和功w。容积变化功：根据q=u+w可得：总结：工质在定压过程中吸入的热量等于焓的增加量，放出的热量等于焓的降低量。三、定温过程定温过程即工质的温度在整个过程中维持不变，dT=0。（1）依据过程特点建立过程方程式定温过程的特点是温度保持

5、不变，所以建立过程方程式：T=常数；或dT=0或T1=T2（2）由过程方程和理想气体状态方程确定初、终态基本状态参数之间的关系过程方程式：T1=T2理想气体状态方程：由以上两个方程可以得到初末基本状态参数之间的关系：即定温过程中工质的压力与比容成反比。（3）绘制过程曲线；定容过程有两种情况：定容加热和定容放热。（4）分析计算u，h，s；或（5）分析计算过程的热量q和功w。容积变化功：根据q=u+w可得：总结：定温过程中内能变化为零，吸热量全部用于对外做膨胀功。四、绝热过程绝热过程是指与外界无热量交换的过程，即或q=0；（1）依据过程特点建立过程方程式或q=0另外根据得到：ds=0即可逆的绝热过

6、程是熵不变的过程，定熵过程。现实中严格的绝热过程是不存在的，但当过程进行的无限快时，工质与外界来不及换热，这种过程可近似认为是绝热的。绝热过程的过程方程式有另外一种表达方式：其中，是比热容比，又叫绝热指数，当比热取定值比热时，k是与状态无关的常数。（2）由过程方程和理想气体状态方程确定初、终态基本状态参数之间的关系过程方程式：理想气体状态方程：由以上两个方程可以得到初末基本状态参数之间的关系：（3）绘制过程曲线；定容过程有两种情况：定容加热和定容放热。（4）分析计算u，h，s；（5）分析计算过程的热量q和功w。绝热过程q=0；根据q=u+w得：w=-u=绝热（定熵）过程是内能与膨胀功之间的转换

7、。多变过程前面我们讨论的几种基本热力过程，定容、定压、定温和绝热，都会有一个参数保持不变，要么是体积，要么是压力、温度或熵。但在实际热机中，有些过程，工质的状态参数都会有显著的变化，即PVT没有一个是恒定不变的，而且工质与外界之间的换热量也不可以忽略不计，即s也是变化的非绝热过程。这时，我们就不能将实际过程简化为上述几种基本热力过程。但通过实验发现，多数过程的P-v关系曲线往往比较接近指数方程式，即热力学中个，热力过程符合该式的变化过程称做多变过程。其中，n为多变指数，取值在（-，）之间。n为定值。实际的热力过程往往非常复杂，主要有两种情况：（1）整个过程并不完全符合，但整个过程中n值变化不大

8、，比如：前半段过程符合，中间段过程符合，后半段过程符合，那么我们可以用一个不变的n的平均值来代替实际中变化的n。（2）n的变化较大时，则将热力过程分成几段，每一段作为一个n不变的简单的多变过程。我们对于多变过程的分析，同样有前面的5项内容。（1）依据过程特点建立过程方程式多变过程的过程方程式为：这个方程式比较具有普遍性，将n取不同的值，它可以代表前面我们讲的四种基本热力过程中的任意一种。定压过程：n=0定容过程：n=±定温过程：n=1绝热过程：n=k（2）由过程方程和理想气体状态方程确定初、终态基本状态参数之间的关系过程方程式：理想气体状态方程：由以上两个方程可以得到初末基本状态参数

9、之间的关系：（3）绘制过程曲线；在P-v图和T-s图上，可逆的多变过程是一条任意的双曲线，过程线的相对位置取决于n的值，我们先把前面讲的四种基本热力过程的过程曲线画在图上，然后再找n值不同时的曲线。P-v图和T-s图上都以定容线为分界线，多变指数n按顺时针方向递增。在热机和制冷、热泵循环中，最常遇到的过程是介于1<n<k之间，即大多数的实际热力过程介于定温和绝热过程之间。（4）分析计算u，h，s；或或（5）分析计算过程的热量q和功w。其中称为多变比热根据根据q=u+w得：w=q-u= 过程曲线比较重要的一个作用是判断过程中u、w、q的正负。1、判断u的正负以定温线为界，在T-s图上，任何同一起点的多变过程，若变化曲线位于定温线上方，则u为正，若变化过程曲线位于定温线下方，则u为负。在P-v图上，任何同一起点的多变过程，若变化曲线位于定温线右上方，则u为正，若变化曲线位于定温线左下方，则u为负。2、判断w的正负以定容线为界，在T-s图上，任何同一起点的多变过程，若变化曲线位于定容线右下方，则w为正，若变化过程曲线位于定容线左上方，则w为负。在P-v图上，任何同一起点的多变过程，若变化曲线位于定容线右方