工程热力学 第三章理想气体的性质与过程

工程热力学第三章理想气体的性质与过程第1页，课件共86页，创作于2023年2月工程热力学的两大类气相工质1.理想气体(idealgas)可用简单的数学表达式进行描述如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等。实际气体(realgas)不能用简单的数学表达式进行描述实际工程中，如火力发电厂的水和水蒸气、制冷系统中的制冷工质等。2023/8/72第2页，课件共86页，创作于2023年2月§3-1理想气体状态方程

理想气体定义：凡遵循克拉贝龙方程的气体四种形式的克拉贝龙方程：注意:Rm与R摩尔容积Vm状态方程统一单位2023/8/73第3页，课件共86页，创作于2023年2月

摩尔（mol）是国际单位制中用来表示物质的量的基本单位。物质中包含的基本单元数与0.012kg碳12的原子数目相等时物质的量即为1mol。基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其他微粒，或是这些粒子的特定组合。热力学规定的基本单元是分子

1mol物质的质量称为摩尔质量，用符号M表示，单位是g/mol。摩尔质量，数值上等于物质的相对分子质量M（过去称分子量）。

1kmol物质的质量单位用kg/kmol。2023/8/74第4页，课件共86页，创作于2023年2月摩尔容积Vm阿伏伽德罗假说:

相同p

和T

下各理想气体的摩尔容积Vm相同在标准状况下Vm常用来表示数量2023/8/75第5页，课件共86页，创作于2023年2月

Rm与R的区别Rm——通用气体常数(与气体种类无关)R——气体常数(随气体种类变化)M-----摩尔质量例如2023/8/76第6页，课件共86页，创作于2023年2月计算时注意事项1、绝对压力2、温度单位

K3、统一单位（最好均用国际单位）2023/8/77第7页，课件共86页，创作于2023年2月1.

分子之间没有作用力2.

分子本身不占容积理想气体模型现实中没有理想气体2023/8/78第8页，课件共86页，创作于2023年2月

但是,当实际气体p

很小,V

很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。

哪些气体可当作理想气体T>常温，p<7MPa的双原子分子理想气体O2,N2,Air,CO,H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等三原子分子（H2O,CO2)一般不能当作理想气体特殊，如空调的湿空气，高温烟气的CO2

，可以2023/8/79第9页，课件共86页，创作于2023年2月§3-2

(比)热容计算内能,焓,热量都要用到热容定义:比热容系统温度升高1K或1oC所需的热量c:

质量比热容Cm:摩尔比热容C’:

容积比热容Cm=Mc=22.414C’2023/8/710第10页，课件共86页，创作于2023年2月Ts(1)(2)1K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定压比热容不同的过程，比热容是不同的，因此比热容是过程量。2023/8/711第11页，课件共86页，创作于2023年2月定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设

定容物理意义：v时1kg工质升高1K内能的增加量2023/8/712第12页，课件共86页，创作于2023年2月定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设

定压物理意义：p时1kg工质升高1K焓的增加量2023/8/713第13页，课件共86页，创作于2023年2月cv和cp的说明1、

cv和cp

，过程已定,可当作状态量。2、前面的推导没有用到理想气体性质，所以3、

h、u、s的计算要用cv和cp

。适用于任何气体。2023/8/714第14页，课件共86页，创作于2023年2月§3-3理想气体的u、h、s和热容一、理想气体的u

1843年焦耳实验，对于理想气体AB绝热自由膨胀p

v

T不变

真空2023/8/715第15页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体的内能u理气绝热自由膨胀

p

v

T不变

理想气体u只与T有关2023/8/716第16页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体内能的物理解释内能＝内动能＋内位能T,v理想气体无分子间作用力，内能只决定于内动能?

如何求理想气体的内能uT2023/8/717第17页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体内能的计算理想气体，任何过程理想气体

实际气体2023/8/718第18页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体的焓理想气体，任何过程理想气体实际气体理想气体h只与T有关2023/8/719第19页，课件共86页，创作于2023年2月熵的定义:

可逆过程

理想气体理想气体的熵pv=RT2023/8/720第20页，课件共86页，创作于2023年2月一般工质:

理想气体：迈耶公式理想气体的热容令比热比2023/8/721第21页，课件共86页，创作于2023年2月1、按定比热

2、按真实比热计算§3-4理想气体热容、u、h和s的计算3、按平均比热法计算理想气体热容的计算h、u、s的计算要用cv和cp2023/8/722第22页，课件共86页，创作于2023年2月分子运动论1、按定比热计算理想气体热容运动自由度单原子双原子多原子Cv,m[kJ/kmol.K]Cp,m

[kJ/kmol.K]k1.671.41.292023/8/723第23页，课件共86页，创作于2023年2月2、按真实比热计算理想气体的热容根据实验结果整理理想气体2023/8/724第24页，课件共86页，创作于2023年2月3、按平均比热计算理想气体的热容t

t2

t1

c(cp,cv)

附表3，4，5，6

c=f(t)

摄氏℃2023/8/725第25页，课件共86页，创作于2023年2月适用于理想气体任何过程1.

2.

cv为真实比热3.

cv为平均比热理想气体

u的计算4.

若为空气，直接查附表22023/8/726第26页，课件共86页，创作于2023年2月适用于理想气体任何过程1.

2.

cp为真实比热3.

cp为平均比热理想气体

h的计算4.

若为空气，直接查附表22023/8/727第27页，课件共86页，创作于2023年2月1、若定比热理想气体s的计算适用于理想气体任何过程2023/8/728第28页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体

s的计算2、真实比热取基准温度T0若为空气，查附表2得2023/8/729第29页，课件共86页，创作于2023年2月§3-5

研究热力学过程的目的与方法会参数计算，就可以研究能量转换的过程目的提高热力学过程的热功转换效率热力学过程受外部条件影响

主要研究外部条件对热功转换的影响利用外部条件,合理安排过程，形成最佳循环对已确定的过程，进行热力计算2023/8/730第30页，课件共86页，创作于2023年2月研究热力学过程的对象与方法对象1)参数(p,T,v,u,h,s)变化2)能量转换关系,q

,w,wt方法抽象分类2)可逆过程(不可逆再修正)基本过程2023/8/731第31页，课件共86页，创作于2023年2月研究热力学过程的依据2)理想气体3)可逆过程

1)热一律稳流2023/8/732第32页，课件共86页，创作于2023年2月研究热力学过程的步骤1)确定过程方程------该过程中参数变化关系5)计算w

,

wt,q4)求3)用T-s

与p-v

图表示2)根据以知参数及过程方程求未知参数2023/8/733第33页，课件共86页，创作于2023年2月§3-6理想气体的等熵过程(2)不仅,s处处相等

绝热可逆s说明:(1)不能说绝热过程就是等熵过程,

必须是可逆绝热过程才是等熵过程。2023/8/734第34页，课件共86页，创作于2023年2月三个条件:

(1)理想气体(2)可逆绝热过程(3)

k为常数理想气体s

的过程方程当理想气体2023/8/735第35页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体s

的过程方程2023/8/736第36页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体s

的初、终态关系2023/8/737第37页，课件共86页，创作于2023年2月

内能变化焓变化熵变化

理想气体s

u,h,

s的计算状态参数的变化与过程无关2023/8/738第38页，课件共86页，创作于2023年2月

膨胀功w理想气体s

w,wt,q的计算技术功

wt热量

q2023/8/739第39页，课件共86页，创作于2023年2月若已知p1,T1,T2,求p2理想气体变比热s

过程2023/8/740第40页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体变比热s

过程已知p1,T1,T2,求p2若是空气，查附表22023/8/741第41页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体变比热s

过程定义vr用得较少，自学相对压力已知p1,T1,T2,查附表2，得pr(T1)和pr(T2)，求p22023/8/742第42页，课件共86页，创作于2023年2月§3-7理想气体热力过程的综合分析理想气体的多变过程(Polytropicprocess)过程方程n是常量，每一过程只有一n值初终态关系n2023/8/743第43页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体s

的初、终态2023/8/744第44页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体多变过程n的初终态理想气体的多变过程(Polytropicprocess)过程方程n是常量，每一过程有一n值初终态关系n2023/8/745第45页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体

n

u,h,

s的计算

内能变化焓变化熵变化

状态参数的变化与过程无关2023/8/746第46页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体n

w,wt,q的计算多变过程比热容2023/8/747第47页，课件共86页，创作于2023年2月(1)

当n=0

(2)

当n=1多变过程与基本过程的关系(3)

当n=k

(4)

当n=

基本过程是多变过程的特例pTsvnpTsv2023/8/748第48页，课件共86页，创作于2023年2月初终态关系过程方程理想气体的基本过程pTsvpTsv2023/8/749第49页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体基本过程的

u,h,

s

内能变化焓变化熵变化

状态参数的变化与过程无关pTsv2023/8/750第50页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体基本过程的wpTsv2023/8/751第51页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体基本过程的wtpTsv2023/8/752第52页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体基本过程的qpTsvcp

的定义，焓的特定意义cv

的定义2023/8/753第53页，课件共86页，创作于2023年2月

基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。基本要求：拿来就会算参见书上表3－4

公式汇总理想气体基本过程的计算2023/8/754第54页，课件共86页，创作于2023年2月斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppp2023/8/755第55页，课件共86页，创作于2023年2月斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppvvv2023/8/756第56页，课件共86页，创作于2023年2月斜率理想气体基本过程的p-v,T-s图上凸?下凹？sTvpppTvvTT2023/8/757第57页，课件共86页，创作于2023年2月理想气体基本过程的p-v,T-s图sTvpppsvvTTss2023/8/758第58页，课件共86页，创作于2023年2月§3-8活塞式压气机的压缩过程分析压气机的作用生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、化工合成、气体分离、燃气轮机、制冷等型式结构活塞式(往复式)离心式轴流式叶轮式连续流动压力范围通风机鼓风机压缩机2023/8/759第59页，课件共86页，创作于2023年2月活塞式压气机的结构流量小，升压幅度可以很大。普遍使用在汽车，电冰箱,化工。储气罐2023/8/760第60页，课件共86页，创作于2023年2月离心式风机的结构升压幅度小，结构简单。风机实体照片2023/8/761第61页，课件共86页，创作于2023年2月轴流式压气机的结构流量大，结构复杂。普遍使用在航空，轮船，化工。2023/8/762第62页，课件共86页，创作于2023年2月理论压气功(可逆过程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式压气机的压气过程技术功wt2023/8/763第63页，课件共86页，创作于2023年2月(1)、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是

可能的压气过程sTn2023/8/764第64页，课件共86页，创作于2023年2月

三种压气过程的参数关系2023/8/765第65页，课件共86页，创作于2023年2月

三种压气过程功的计算最小重要启示2023/8/766第66页，课件共86页，创作于2023年2月分级压缩中间冷却2023/8/767第67页，课件共86页，创作于2023年2月分级压缩中间冷却实体照片2023/8/768第68页，课件共86页，创作于2023年2月两级压缩中间冷却分析有一个最佳增压比

省功2023/8/769第69页，课件共86页，创作于2023年2月最佳增压比的推导

省功2023/8/770第70页，课件共86页，创作于2023年2月最佳增压比的推导

省功欲求w分级最小值，2023/8/771第71页，课件共86页，创作于2023年2月最佳增压比的推导

省功w分级最小值，最佳增压比可证明若m级2023/8/772第72页，课件共86页，创作于2023年2月分级压缩的其它好处润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级2023/8/773第73页，课件共86页，创作于2023年2月分级压缩的级数省功分级降低出口温多级压缩达到无穷多级(1)不可能实现(2)结构复杂(成本高)所以，一般采用2~4

级压缩T2023/8/774第74页，课件共86页，创作于2023年2月活塞式压气机的余隙影响避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙余隙容积压缩过程排气过程残留气体膨胀吸气过程2023/8/775第75页，课件共86页，创作于2023年2月活塞式压气机的余隙影响活塞排量研究VC对耗功和产气量的影响新气量产气量有效吸气容积2023/8/776第76页，课件共86页，创作于2023年2月余隙容积VC对理论压气功的影响设12和43两过程n相同功＝面