气体和蒸汽的基本热力过程1

第四章气体和蒸汽的基本热力过程中国石油大学能源与动力工程系ChinaUniversityofPetroleumDept.ofEnergyandPowerEngineering第四章气体和蒸汽的基本热力过程§4-1研究热力过程的目的及一般方法§4-2定容过程§4-3定压过程§4-4定温过程§4-5绝热过程§4-6多变过程§4-7水蒸气的基本过程前言

能量的转换是在工质的热力变化过程中实现的。

很多被人类所利用的能量转换过程是在热力循环中实现的。

循环是由过程组成的，这样，热力过程的研究就成为热力循环研究的基础。

若从工质的角度而言，理想气体是最简单的工质。

按照由简到繁的原则，本章开始研究理想气体基本过程：定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程和多变过程。

同学们在本章的学习中应该注意以下几个方面：

1.如何运用好已学过的内容；

2.学会很好的分析问题和解决问题；3.学会用坐标图来定性的分析问题；

(定性分析问题是本课程的一个特色)4.注意内容的主线——热能与机械能之间的转化。§4-1研究热力过程的目的及一般方法一、目的

揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，进而找出影响转化的主要因素。

二、一般方法1.对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为使问题简化，暂不考虑实际过程中的不可逆的损耗而作为可逆过程。2.用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。3.考虑不可逆损耗再借助一些经验系数进行修正。三、研究热力学过程的依据(2)理想气体(3)可逆过程(1)热力学第一定律稳定流动swzgchq+D+D+D=221§4-1研究热力过程的目的及一般方法§4-1研究热力过程的目的及一般方法四、本章分析理想气体热力学过程的具体方法(1)确定过程方程------该过程中参数变化关系(5)计算w,wt

,q(4)求(3)在p-v、T-s图上画出过程曲线(2)根据已知参数、过程方程和状态方程求初、终态参数§4-2理想气体定容过程定义——气体在状态变化过程中保持比体积不变的过程。1.过程方程式：2.初、终态参数的关系

理想气体经历任何过程，热力学能和焓的变化都为：3.定容过程△u，△h，△s§4-2理想气体定容过程4.定容过程的功和热量膨胀功：技术功：热量：§4-2理想气体定容过程5.定容过程在p-v图和T-s图上的表示●●●212ˊ

定容过程在p-v图上为一条垂直于v轴的直线。

●1●2●2ˊ

定容线在T-s图上为一斜率为正的指数曲线。其斜率为

线型为上凹下凸§4-3理想气体定压过程定义——气体在状态变化过程中保持压力不变的过程。1.过程方程式：2.初、终态参数的关系

理想气体经历任何过程，热力学能和焓的变化都为：3.定压过程△u，△h，△s§4-3理想气体定压过程4.定压过程的功和热量膨胀功：技术功：热量：5.定压过程在p-v图和T-s图上的表示§4-3理想气体定压过程●2●1●2ˊ

定压过程在p-v图上为一条平行于v轴的直线。●1●2●2ˊ

定压线在T-s图上为一斜率为正的指数曲线。线型为上凹下凸其斜率为

§4-3理想气体定压过程定容过程定压过程定容线比定压线陡！定压过程●2●1●2ˊ定容过程§4-4理想气体定温过程定义——气体在状态变化过程中保持温度不变的过程。1.过程方程式：2.初、终态参数的关系3.定容过程△u，△h，△s§4-4理想气体定温过程

4.定温过程的功量和热量膨胀功：技术功：热量：对于理想气体的定温过程，

（对实际气体或液体的定温过程同样适用）

§4-4理想气体定温过程5.定温过程在p-v图和T-s图上的表示

在p-v图上，定温过程线为一等边双曲线。

曲线斜率

定温过程线在T-s图上是一条平行于s轴的水平线。§4-5理想气体绝热过程定义——状态变化过程的任何微元过程中与外界都不发生热量交换的过程。满足特别注意：(1)过程进行中的任何时刻均与外界无热量交换；(2)δq=0时必有q=0；但q=0的过程与绝热过程是不等价的。对可逆绝热过程可逆绝热过程又称为定熵过程。ds=0s=C(3)不能说绝热过程是定熵过程，必须是可逆绝热过程才是定熵过程。不可逆绝热过程是熵增过程。1.过程方程式：§4-5理想气体绝热过程对理想气体可逆绝热过程令，称为比热容比，对于理想气体，一般用表示，通常称为绝热指数，也称为定熵指数。上式写为定比热该式称为理想气体可逆绝热过程的过程方程式。

三个条件(1)理想气体(2)可逆过程(3)为常数2.初、终态参数的关系§4-5理想气体绝热过程根据，上式可变为3.绝热过程△u，△h，△s

理想气体对于可逆绝热过程

4.绝热过程的功量和热量§4-5理想气体绝热过程膨胀功:对于比热容为定值的理想气体上式适用于比热容为定值的理想气体的任何绝热过程。热量:对于理想气体的可逆绝热过程，

代入上式技术功：上式适用于流动工质的可逆与不可逆绝热过程。

对于比热容为定值的理想气体对于理想气体的可逆绝热过程代入上式§4-5理想气体绝热过程5.绝热过程在p-v图和T-s图上的表示§4-5理想气体绝热过程

绝热过程在p-v图上为一条不等边双曲线。

绝热过程线在T-s图上是一条垂直于s轴的直线。§4-5理想气体绝热过程定温过程绝热过程等熵线线比等温线陡！§4-5理想气体多变过程一、多变过程的定义及过程方程式

常数n称为多变指数，。n=0，p=常数，定压过程；n=1，pv=常数，定温过程；n=，pv=常数，定熵过程；，v=常数，定容过程。二、多变过程中状态参数的变化规律

多变过程的过程方程式及初、终状态参数关系式的形式与绝热过程完全相同。

多变过程中的u、h、s可按理想气体的有关公式进行计算。定比热容§4-5理想气体多变过程

三、多变过程在p-v图和T-s图上的表示

p-v图：

p-v图上多变过程曲线的斜率为n=0:n=1:n=:n=±:§4-5理想气体多变过程根据

n=0:n=1:n=:n=:§4-5理想气体多变过程

四、多变过程的功量和热量膨胀功:pv=RgT(n0,1)技术功:(n)pvn=const-vdp=npdv§4-5理想气体多变过程热量:当n=1时，为定温过程，u=0,

当n1时，若取比热容为定值，称为多变比热容。§4-5理想气体多变过程当n=0时，(定压过程)当n=1时，(定温过程)当n=时，(绝热过程)当n时，(定容过程)

为了便于对比，将四种典型热力过程和多变过程的的公式汇总在下表中。

§4-5理想气体多变过程§4-5理想气体多变过程五、多变过程的能量关系w/qa）膨胀w>0，吸热q>0；b）压缩w<0,放热q<0。a)膨胀w>0，放热q<0，Δu<0；b)压缩w<0,吸热q>0，Δu>0（1）当w和q正负号相同（2）当w和q正负号相同a）膨胀w>0，吸热q>0，w>q,Δu<0；b）压缩w<0,放热q<0，∣w∣>∣q∣

,Δu>0

。(3)当w和q正负号相反q=Δu+w§4-7理想气体过程综述一、各种过程在p-v图和T-s图上的相对位置

定容、定压、定温和定熵（可逆绝热）四个典型过程都可以理解为多变过程的特例。其在p-v图上和T-s图上的斜率如下：§4-7理想气体过程综述四种典型的热力过程在p-v图和T-s图上的分布在各区间沿顺时针方向，n值增大。sTvpuT=T>0

u>0T>0

u>0u在p-v,T-s图上的变化趋势二、利用图判断q、w、wt、ΔT、Δu、

Δh、

Δs的正负§4-7理想气体过程综述h在p-v,T-s图上的变化趋势hT=sTvpT>0

u>0

h>0T>0

u>0

h>0§4-7理想气体过程综述w在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpdv>0,w>0dv>0,w>0wt在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpdp<0,wt>0dp<0,wt>0§4-7理想气体过程综述§4-7理想气体过程综述Tpds>0,q>0ds>0,q>0vsq在p-v,T-s图上的变化趋势§4-7理想气体过程综述u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u,h↑(T↑)w↑(v↑)wt↑(p↓)q↑(s↑)q>0§4-7理想气体过程综述在T-s图上用图形面积表示Δu和Δh例：ha-

hb用什么面积表示?考虑过程等压

c依据：a）T-s图上过程下面积表示qb）qp=Δh，qv=Δua§4-7理想气体过程综述p-v,T-s图练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？§4-7理想气体过程综述p-v,T-s图练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？§4-7理想气体过程综述p-v,T-s图练习（3）膨胀、降压、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？sTvp§4-8水蒸气的基本过程一.基本内容水蒸汽的基本热力过程也是定容、定压、定温和定熵四种，且均为可逆。

求解的任务：（1）.初、终态参数；（2）.过程中的热量、功和内能、焓的变化等；（3）.在图上表示热力过程。§4-8水蒸气的基本过程二.采用的方法

与研究理想气体不同：（1）.无简单、适当（准确）的状态方程式；

（2）.水蒸汽的比热、内能、焓等都是压力、比容的复杂函数，不易计算求解。采用的方法：（1）.查图、表来得到有关参数；（2）.不受工质性质限制的公式仍可应用。δq=du+δwδw=pdvδq=dh+δwth=u+pvδq=Tdsδqv=duδqp=dhds≥δq/T…………§4-8水蒸气的基本过程三.一般步骤（1）.根据已知初态的两个参数，如已知(p1,t1)或(p1,x1)，从表或图中查得其它初态参数；

（2）.根据过程特征及一个终态参数，确定终态；然后查得终态参数；（3）.根据已知的和查得的有关数据，计算有关的能量—热能与机械能等；（4）.必要的话作出示功图和示热图作定性分析。§4-8水蒸气的基本过程四.具体过程1.水蒸气的定容过程p12v其中h、p、v均可查得实际设备中不常见§4-8水蒸气的基本过程1.水蒸气的定容过程1Tsp2vhsT12pv§4-8水蒸气的基本过程2.水蒸气的定压过程若全部为蒸汽，可逆

一般进行工程计算时，H2O在锅炉内的加热过程、乏汽在冷凝器中的冷却、给水在回热器内的预热等，都可按定压过程处理。342pv1例：水从30℃

，4MPa,定压加热到450℃。ts(4MPa)=250.33℃

§4-8水蒸气的基本过程2.水蒸气的定压过程例：水从30℃

，4MPa,定压加热到450℃。ts(4MPa)=250.33℃

q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg§4-8水蒸气的基本过程3.水蒸气的定温过程可逆时实际设备中不常见pvTCTcT远离饱和线，接近于理想气体§4-8水蒸气的基本过程12Ts3.水蒸气的定温过程hs122’理想气体1-2’§4-8水蒸气的基本过程4.水蒸气的绝热过程可逆过程不可逆过程特别注意：绝热过程方程式，k为一经验数值，只作近似估算，误差较大。2’12Tsp1p2汽轮机、水泵§4-8水蒸气的基本过程p