工程热力学第四章(2012)
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工程热力学第四章理想气体热力过程教案
第四章 理想气体的热力过程概 述热能⇔机械能的相互转化是靠工质在热力设备中吸热、膨胀、压缩等状态变化的过程来实现的，这个状态变化的过程就是热力过程，那么，在前面第一章研究的平衡状态，第二章研究理想气体的性质以及第三章研究分析开、闭口系热力状态变化的工具——热力学第一定律都是为这一章打基础。
前面第三章已提到过相同的工质在相同的温度下，不同的热力过程，能量转化的状况是不同的。
P V q q >，00v p w w ==膨技，，因此工程上实际过程多种多样、复杂、多变，不是可逆过程，据传递能量的工质不一不可能一一加以研究，何况逐个研究不总结规律性的知识用途也不大。
因此，我们仍采用热力学常用的方法，对复杂多样的热力过程进行合理化的假设。
认为是理想气体的可逆过程，这就是我们下面要研究的理想气体○V ○P ○T ○S 。
○P ：例如各种环热设备，工质一面流动一面被加热，流动中克服阻力的压力降与其压力相比小很多，故认为压力不变。
○V ：汽油机工作时，火花塞一点火，气缸内已被压缩的可燃混合气即燃烧，在一瞬间烧完，这期间气缸与外界无质量交换，活塞移动极微，可近似定容过程。
○T ：如往复式压气机，气体在气缸中被压缩时温度升高，为了省功气缸周围有冷却水套，若冷却效果好，气缸中温度几乎不变，可近似定温过程。
○S ：例气缸中燃烧产物在气缸中膨胀对外作功过程，由于工质与外界交换的热量很少可略去不计，认为是定熵过程。
上述过程实际上是略去次要因素后的一个等同特征，就是过程中有一个状态参数不变，对理想气体()u f t = ()h f t =这研究起来就方便很多，而且只有实际意义。
4—1 研究热力过程的目的及方法一． 目的1．实现预期的能量转化，合理安排热力过程，从而来提高功力装置的热经济性。
2．对确定的过程，也可预计热→功之多少。
二．解决的问题1．根据过程特点，寻找过程方程式 2．分析状态参数在过程中的变化规律3．确定热功转化的数量关系，及过程中,,u h s ∆∆∆的变化 4．在P —V ，T —S 图上直观地表示。
工程热力学 第四章 气体和蒸汽的基本热力过程.
☆注意：（1）假设上述过程都是可逆过程。（2）适 用于理想气体、闭口系统和稳定流动开口系统（即定 质量系统）
2、多变过程的过程方程式(polytropic process)
pvn 定值 ln p n ln v 定值 即多变过程在 ln p ln v 图上为直线，斜率为n 。
■初、终状态参数之间的关系
定温线在p-v图上是等轴双曲线，在T-s图上是水平线
p
2′
T
1 2
2′ 1
2
O
vO
s
1-2：吸热减压膨胀；1-2′：放热增压压缩
q du pdv pdv Tds
■热量、过程功、技术功
u cV (T2 T1) 0 h cp (T2 T1) 0
பைடு நூலகம்
qT w wt T s
■过程方程式 v 定值
如汽油机气缸中的燃烧过程。 ■初、终状态参数之间的关系
p2 / p1 T2 / T1
即定容过程压力与温度成正比。
■在p-v图和T-s图上的表示
n (p / v)v np / v
nk cn n 1 cV cV (T / s)v T / cV
/
kg
(h)v
(h)p
cp
(t 400℃
100℃ 2
t1) 310.6kJ / kg
定容过程：
s cV
400℃ 100℃
ln
T2 T1
0.4414kJ /(kg K)
q u 224.5kJ / kg
w0
wt v( p1 p2v ) 86.1kJ / kg
●可以取(, ) 之间的所有数。 n v 定值（定容过程）
2、多变过程的过程方程式(polytropic process)
pvn 定值 ln p n ln v 定值 即多变过程在 ln p ln v 图上为直线，斜率为n 。
■初、终状态参数之间的关系
定温线在p-v图上是等轴双曲线，在T-s图上是水平线
p
2′
T
1 2
2′ 1
2
O
vO
s
1-2：吸热减压膨胀；1-2′：放热增压压缩
q du pdv pdv Tds
■热量、过程功、技术功
u cV (T2 T1) 0 h cp (T2 T1) 0
பைடு நூலகம்
qT w wt T s
■过程方程式 v 定值
如汽油机气缸中的燃烧过程。 ■初、终状态参数之间的关系
p2 / p1 T2 / T1
即定容过程压力与温度成正比。
■在p-v图和T-s图上的表示
n (p / v)v np / v
nk cn n 1 cV cV (T / s)v T / cV
/
kg
(h)v
(h)p
cp
(t 400℃
100℃ 2
t1) 310.6kJ / kg
定容过程：
s cV
400℃ 100℃
ln
T2 T1
0.4414kJ /(kg K)
q u 224.5kJ / kg
w0
wt v( p1 p2v ) 86.1kJ / kg
●可以取(, ) 之间的所有数。 n v 定值（定容过程）
工程热力学第四章理想气体热力过程
详细描述
03
CHAPTER
等容过程
等容过程是指气体在变化的整个过程中，其容积保持不变的过程。
定义
特点
适用场景
气体在等容过程中，气体温度和压力会发生变化，但容积保持不变。
等容过程常用于高压、高温或低温等极端条件下的气体处理。
03
02
01
等容过程定义
在等容过程中，气体吸收的热量等于气体所做的功和气体温度升高所吸收的热量之和。
多变过程的具体形式取决于气体所经历的压力和温度的变化规律。
多变过程定义热力学第一定律 Nhomakorabea热力学第二定律
理想气体状态方程
热效率
多变过程的热力学计算
01
02
03
04
能量守恒定律，用于计算多变过程中气体吸收或释放的热量。
熵增原理，用于分析多变过程中气体熵的变化。
描述气体压力、体积和温度之间的关系，可用于多变过程的计算。
衡量多变过程能量转换效率的指标，通过比较输入和输出的热量来计算。
提高热效率的方法
优化多变过程参数，如压力和温度的变化规律，以减少不可逆损失和提高能量转换效率。
热效率与熵增的关系
根据熵增原理，不可逆过程会导致熵的增加，从而降低热效率。因此，减少不可逆损失是提高多变过程热效率的关键。
热效率计算公式
$eta = frac{Q_{out}}{Q_{in}}$，其中$Q_{out}$为输出热量，$Q_{in}$为输入热量。
计算公式
通过优化气体的初态和终态，以及选择合适的加热和冷却方式，可以提高等容过程的热效率。同时，也可以通过改进设备结构和操作方式来提高热效率。
提高热效率的方法
等容过程的热效率
04
CHAPTER
03
CHAPTER
等容过程
等容过程是指气体在变化的整个过程中，其容积保持不变的过程。
定义
特点
适用场景
气体在等容过程中，气体温度和压力会发生变化，但容积保持不变。
等容过程常用于高压、高温或低温等极端条件下的气体处理。
03
02
01
等容过程定义
在等容过程中，气体吸收的热量等于气体所做的功和气体温度升高所吸收的热量之和。
多变过程的具体形式取决于气体所经历的压力和温度的变化规律。
多变过程定义热力学第一定律 Nhomakorabea热力学第二定律
理想气体状态方程
热效率
多变过程的热力学计算
01
02
03
04
能量守恒定律，用于计算多变过程中气体吸收或释放的热量。
熵增原理，用于分析多变过程中气体熵的变化。
描述气体压力、体积和温度之间的关系，可用于多变过程的计算。
衡量多变过程能量转换效率的指标，通过比较输入和输出的热量来计算。
提高热效率的方法
优化多变过程参数，如压力和温度的变化规律，以减少不可逆损失和提高能量转换效率。
热效率与熵增的关系
根据熵增原理，不可逆过程会导致熵的增加，从而降低热效率。因此，减少不可逆损失是提高多变过程热效率的关键。
热效率计算公式
$eta = frac{Q_{out}}{Q_{in}}$，其中$Q_{out}$为输出热量，$Q_{in}$为输入热量。
计算公式
通过优化气体的初态和终态，以及选择合适的加热和冷却方式，可以提高等容过程的热效率。同时，也可以通过改进设备结构和操作方式来提高热效率。
提高热效率的方法
等容过程的热效率
04
CHAPTER
工程热力学第4章习题答案
4-12 一个气缸活塞系统如图 4-19 所示，活塞的截面积为 40cm2，活塞离气缸底部 10cm， 重物 20kg，初始状态温度 300K，大气压力 101325Pa。求
(1)如果使缸内空气温度升高 5℃的同时使重物升高 2cm 需要加入多少热量； (2)然后当可逆绝热情况下使活塞回到原位置，需要再加上多少重物。
4-6 空气的初参数为 p1=0.5MPa 和 t1=50℃，此空气流经阀门发生绝热节流作用，并使空 气容积增大到原来的 2 倍。求节流过程中空气的熵增，并求其最后的压力。
解：对于理想气体 ∆h = cp∆T ，可得 h2 − h1 = cp (T2 − T1 ) ，绝热节流前后焓值相等，因此
T1 = T2 ，因此对于理想气体绝热节流前后温度也相等
4-3 某理想气体动力循环由这样 4 个过程构成，先从状态 a 定温膨胀到状态 b，后绝热 膨胀到状态 c，再定压放热到状态 d，最后绝热压缩回到状态 a，在 p-v 图、T-s 图上表示该 循环。已知吸热量 q1 和各点的焓，列出放热量、功和循环热效率的计算式。
解：由 T-s 图，c-d 过程是定压放热过程，放热量 q2 = ∆h + wt = ∆h = hd − hc < 0
= 0.789kJ/ (kg ⋅ K)
由理想气体状态方程可得
p1V1 T1
=
p2V2 T2
，而V2
= 2V1 ，可得
p2 p1
= 0.379
κ −1
绝热过程 T2 T1
=
⎛ ⎜ ⎝
p2 p1
⎞ ⎟ ⎠
κ
，可得绝热指数κ = 1.4
因此 cp = κ cV = 1.4× 0.789 = 1.105kJ/ (kg ⋅ K )
工程热力学第4章
28
29
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：
( n 0)
0 p v
T cp 0 T cV
30
p p n v v n
Tc Tb
考虑过程等压 c
hc hb
a
q p ha hc 面积amnca
ha hb 面积amnca
38
p-v,T-s图练习（1）
压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
39
s
p-v,T-s图练习（2）
膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
40
s
p-v,T-s图练习（3）
1 2
wt vdp 0
1
2
q p h wt h c
T2 p T1
T2 T1 1 Tds
2
四、Δu、 Δh、Δs和c
u c
T2 V T1
T2 T1
h c
T2 p T1
T2 T1
11
s
2
1
T2 dT cp s c p ln T T1
三、 定容过程的功量和热量
因为dv = 0，所以膨胀功为零，即
2
w pdv 0
1
注意和p-v 图对应
技术功： t vdp v( p1 p2 ) Rg (T1 T2 ) w
1
2
热量：
q Tds cV dT
29
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：
( n 0)
0 p v
T cp 0 T cV
30
p p n v v n
Tc Tb
考虑过程等压 c
hc hb
a
q p ha hc 面积amnca
ha hb 面积amnca
38
p-v,T-s图练习（1）
压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
39
s
p-v,T-s图练习（2）
膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
40
s
p-v,T-s图练习（3）
1 2
wt vdp 0
1
2
q p h wt h c
T2 p T1
T2 T1 1 Tds
2
四、Δu、 Δh、Δs和c
u c
T2 V T1
T2 T1
h c
T2 p T1
T2 T1
11
s
2
1
T2 dT cp s c p ln T T1
三、 定容过程的功量和热量
因为dv = 0，所以膨胀功为零，即
2
w pdv 0
1
注意和p-v 图对应
技术功： t vdp v( p1 p2 ) Rg (T1 T2 ) w
1
2
热量：
q Tds cV dT
工程热力学第4章 气体与蒸汽的热力过程
cv R(k1)
可逆绝热：ds = 0
p(v b)k 定值
例4：将理想气体在可逆绝热过程中所作技术功的 大小，表示在T-s图上。
[分析]：
绝热过程技术功：
wt cp(T1T2)
cp(T1T2)
1 T
2' 2
q12
＝面积1ba2’1
a
bS
五、多变过程
❖ 工程实际中有些热力过程，p、v、T有明显变化， 且系统与外界交换的Q不可忽略。则不能用上述4种 基本热力过程来描述。
定v： T2 / T1 = p2 / p1
p2 =0.987MPa
V=0.15m3 p1=0.55MPa
t=38℃, m1
定v V=0.15m3
定p
p2=0.7MPa
t2=123℃, m1
V=0.15m3 p3=0.7MPa
t3=285℃, m3
V=0.15m3 p1=0.55MPa
t=38℃, m1
QpT T 23mpd cT T T 23p R2VT cpdT = 126.2kJ
需加热量：Q = Qv + Qp = 56.3+126.2=182.5 kJ
例2： 1kg空气：t1=100℃、p1=2bar； t3=0℃ 、
p3=1bar，其中1-2为不可逆绝热膨胀过程，其熵变为 0.1kJ/kg·K，2-3为可逆定压放热过程，
nk n 1
cV
(T2
T1 )
qcv nn1k(T2T1) wnR1(T1T2)
q kn w k 1
或： nkqk1
w
若q/w不是恒定，则n是变化的。为便于分析计算， 常用一个与实际过程相近似的n不变的多变过程来 代替，该多变指数称为平均多变指数。
工程热力学 第4章
v 1 1 t
2
2
p
dT，s
1
2
dq T
pdv，w
vdp q ，
Tds
5
二、四个基本热力过程
(一)、定容过程（dv=0）
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 = Const。 2.基本状态参数间的关系式：
p2 T2 v1 v2及 p1 T1
dq Tds
dq cn dT
T T T n s n cn cV
n 1
30
p
p p n v v n
(n 0)
0
T
( n 1) (n )
p v
T cp
s
v
p v
T T s n cn
p1v1 - p2 v2
nRg n 1
T1 T2
nw
25
5.理想气体 n q的计算
q u w cv T2 T1
Rg n 1
T2 T1
k - 1cv T T cv 2 1 n 1
q=
n cV T2 T1 n 1
n
ln p2 / p1 ln v1 / v2
cn c p n 等。 cV n 或由 cn n 1 cn cV
28
四、多变过程的能量关系w / q
w
Rg n 1
T1 T2
1
n 1
cV T1 T2
n q cV T2 T1 n 1
n
w 1 q n
1 0 n 1 0 n
2
2
p
dT，s
1
2
dq T
pdv，w
vdp q ，
Tds
5
二、四个基本热力过程
(一)、定容过程（dv=0）
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 = Const。 2.基本状态参数间的关系式：
p2 T2 v1 v2及 p1 T1
dq Tds
dq cn dT
T T T n s n cn cV
n 1
30
p
p p n v v n
(n 0)
0
T
( n 1) (n )
p v
T cp
s
v
p v
T T s n cn
p1v1 - p2 v2
nRg n 1
T1 T2
nw
25
5.理想气体 n q的计算
q u w cv T2 T1
Rg n 1
T2 T1
k - 1cv T T cv 2 1 n 1
q=
n cV T2 T1 n 1
n
ln p2 / p1 ln v1 / v2
cn c p n 等。 cV n 或由 cn n 1 cn cV
28
四、多变过程的能量关系w / q
w
Rg n 1
T1 T2
1
n 1
cV T1 T2
n q cV T2 T1 n 1
n
w 1 q n
1 0 n 1 0 n
工程热力学 第四章
过程方程
p Const
初终态状态参数间的关系
v 2 v 1 T 2 T1
h 2 h1 u 2 u1
2
1 2
c p dT c v dT
1
s 2 s1
2
1
cp
dT T
理想气体的热力过程—定压过程
过程曲线
p 2’
放热
T 2 1
吸热
定容线
2
放热 吸热
定压线
1 v
2’
s
K)， 解：由气体性质表查得: cp=0.837kJ/(kg· cv=0.653kJ/(kg· K)，R=0.1889kJ/(kg· K)， k=1.31
q 1400 5 280 kJ/kg
n
ln( p 2 / p 1 ) ln( v 2 / v 1 )
ln( 1 / 6 ) ln 10
km
cp cv
t2 t1
cp cv
t2 0 t2 0
t2 c p t2 cv
t1 0 t1 0
t1 t1
or
km k1 k 2 2
理想气体的热力过程—绝热过程
变值比热容绝热过程的计算
2）利用气体热力性质表计算(表6)
s 2 s1 s T s T R ln
p
(1)放热 耗功 升温 内能增加 u 0
2-(1)
T
(2)吸热 做功 升温 内能增加 u 0
2-(1)
定压n 0 定温
n 1
定压n 0
1 2-(2)
定温 n 1
2-(2)
n
定容
p Const
初终态状态参数间的关系
v 2 v 1 T 2 T1
h 2 h1 u 2 u1
2
1 2
c p dT c v dT
1
s 2 s1
2
1
cp
dT T
理想气体的热力过程—定压过程
过程曲线
p 2’
放热
T 2 1
吸热
定容线
2
放热 吸热
定压线
1 v
2’
s
K)， 解：由气体性质表查得: cp=0.837kJ/(kg· cv=0.653kJ/(kg· K)，R=0.1889kJ/(kg· K)， k=1.31
q 1400 5 280 kJ/kg
n
ln( p 2 / p 1 ) ln( v 2 / v 1 )
ln( 1 / 6 ) ln 10
km
cp cv
t2 t1
cp cv
t2 0 t2 0
t2 c p t2 cv
t1 0 t1 0
t1 t1
or
km k1 k 2 2
理想气体的热力过程—绝热过程
变值比热容绝热过程的计算
2）利用气体热力性质表计算(表6)
s 2 s1 s T s T R ln
p
(1)放热 耗功 升温 内能增加 u 0
2-(1)
T
(2)吸热 做功 升温 内能增加 u 0
2-(1)
定压n 0 定温
n 1
定压n 0
1 2-(2)
定温 n 1
2-(2)
n
定容
《工程热力学》第四章-工质的热力过程
1
u2 u1 cv dT
1
s2 s1
2
q
T
1
● 能量转换
膨胀功
w pdv
1
2
2
1
p1v1n p1v1n 1n 1n 1 dv v2 v1 n 1 p1v1 p2v2 n v 1 n
n 1 v n1 n R R p2 R (T1 T2 ) T1 1 T1 1 1 n 1 n 1 p1 n 1 v2
● 能量转换
膨胀功 w 1 pdv 1
2
2
2
v2 p1 dv RT RT ln RT ln v v1 p2
2
p1 v2 dp RT ln RT ln 技术功 wt 1 vdp 1 RT p p2 v1
热
量
q u w w h wt wt
★ 若透平的效率为ηT=0.9，则终态温度和膨胀透平
的功率又为多少？
例3：如图所示，两端封闭而且具有绝热壁的气缸，被可移 动的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相同的A、B两部分， 其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、温 度都相同，分别为0.2MPa，20℃，现通过A腔气体内的一个 加热线圈，对A腔气体缓慢加热，则活塞向右缓慢移动，直 至pA2=pB2=0.4MPa时，试求： ① A，B腔内气体的终态容积各是多少？ A B ② A，B腔内气体的终态温度各是多少？ ③ 过程中供给A腔气体的热量是多少？ ④ A，B腔内气体的熵变各是多少？ ⑤ 在p-v图、T-s图上，表示出A，B腔气体经过的过程 设气体的比热容为定值：c p 1.01kJ /(kgK), cv 0.72kJ /(kgK)
u2 u1 cv dT
1
s2 s1
2
q
T
1
● 能量转换
膨胀功
w pdv
1
2
2
1
p1v1n p1v1n 1n 1n 1 dv v2 v1 n 1 p1v1 p2v2 n v 1 n
n 1 v n1 n R R p2 R (T1 T2 ) T1 1 T1 1 1 n 1 n 1 p1 n 1 v2
● 能量转换
膨胀功 w 1 pdv 1
2
2
2
v2 p1 dv RT RT ln RT ln v v1 p2
2
p1 v2 dp RT ln RT ln 技术功 wt 1 vdp 1 RT p p2 v1
热
量
q u w w h wt wt
★ 若透平的效率为ηT=0.9，则终态温度和膨胀透平
的功率又为多少？
例3：如图所示，两端封闭而且具有绝热壁的气缸，被可移 动的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相同的A、B两部分， 其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、温 度都相同，分别为0.2MPa，20℃，现通过A腔气体内的一个 加热线圈，对A腔气体缓慢加热，则活塞向右缓慢移动，直 至pA2=pB2=0.4MPa时，试求： ① A，B腔内气体的终态容积各是多少？ A B ② A，B腔内气体的终态温度各是多少？ ③ 过程中供给A腔气体的热量是多少？ ④ A，B腔内气体的熵变各是多少？ ⑤ 在p-v图、T-s图上，表示出A，B腔气体经过的过程 设气体的比热容为定值：c p 1.01kJ /(kgK), cv 0.72kJ /(kgK)
第四章工程热力学_图文
5
4-1 分析热力过程的目的及一般方法
三. 热力过程的分析步骤： 1) 根据热力过程特征建立过程方程式； 2) 根据过程方程式及状态方程确定初终态参数的关系； 3) 将过程表示在p-v图和T-s图上，并进行定性分析； 4) 计算热力过程的功量和热量。
注意：热力过程中工质状态变化和能量转换规律与是否 流动无关，只取决于过程特性！
设初态为1，定压加热后状态为2，定容冷却后状态为3。 状态3为： 状态2为：
20
定压过程： 定容过程：
21
例题4-5：体积0.15m3的储气罐内装p1=0.55MPa、t1=38C的 氧气。现对其加热，温度压力将升高。罐上装有压力控制阀， 当压力超过0.7MPa时阀门自动打开放走部分氧气，使罐中维 持压力0.7MPa。问当罐内温度为285C时，罐内氧气共吸收多 少热量？氧气热容cv=0.677kJ/(kgK)，cp=0.917kJ/(kgK)。
第四章工程热力学_图文.ppt
4-1 分析热力过程的目的及一般方法
一. 分析热力过程的目的、思路和依据： 1) 研究目的：能量转换情况、影响因素 2) 研究思路：
定熵、定压 定容、定温
3) 研究依据：热力学第一定律、理想气体状态方程
二. 理想气体热力过程中相关物理量的计算： 1) 热力学能的变化 ： 2) 焓的变化：
9
4-3 多变过程的综合分析
一. 可逆多变过程
1.定义：许多热力过程可以近似用
式
表示，该过程称为多变
过程，n称为多变指数。
n=0：p为常数，定压过程； n=1 ：pv为常数，定温过程；
n=：pv为常数，定熵过程；
n=：v为常数，定容过程；
发动机工作时气缸 压力与体积的关系
4-1 分析热力过程的目的及一般方法
三. 热力过程的分析步骤： 1) 根据热力过程特征建立过程方程式； 2) 根据过程方程式及状态方程确定初终态参数的关系； 3) 将过程表示在p-v图和T-s图上，并进行定性分析； 4) 计算热力过程的功量和热量。
注意：热力过程中工质状态变化和能量转换规律与是否 流动无关，只取决于过程特性！
设初态为1，定压加热后状态为2，定容冷却后状态为3。 状态3为： 状态2为：
20
定压过程： 定容过程：
21
例题4-5：体积0.15m3的储气罐内装p1=0.55MPa、t1=38C的 氧气。现对其加热，温度压力将升高。罐上装有压力控制阀， 当压力超过0.7MPa时阀门自动打开放走部分氧气，使罐中维 持压力0.7MPa。问当罐内温度为285C时，罐内氧气共吸收多 少热量？氧气热容cv=0.677kJ/(kgK)，cp=0.917kJ/(kgK)。
第四章工程热力学_图文.ppt
4-1 分析热力过程的目的及一般方法
一. 分析热力过程的目的、思路和依据： 1) 研究目的：能量转换情况、影响因素 2) 研究思路：
定熵、定压 定容、定温
3) 研究依据：热力学第一定律、理想气体状态方程
二. 理想气体热力过程中相关物理量的计算： 1) 热力学能的变化 ： 2) 焓的变化：
9
4-3 多变过程的综合分析
一. 可逆多变过程
1.定义：许多热力过程可以近似用
式
表示，该过程称为多变
过程，n称为多变指数。
n=0：p为常数，定压过程； n=1 ：pv为常数，定温过程；
n=：pv为常数，定熵过程；
n=：v为常数，定容过程；
发动机工作时气缸 压力与体积的关系
工程热力学第四章
可知定容过程线在T-s图上为一指数曲线, 曲线的斜率是
T T s v cv
第4章 理想气体热力性质与过程
4.4.2理想气体的典型热力过程
(3)定容过程的过程曲线
p
2
T 1
2'
q0 q0
2
1
2'
v
(4) 功量和热量 体 积 功 热 量
s
w0
q u cv dT
第4章 理想气体热力性质与过程 4.2 理想气体的比热容
2) 定容比热容与定压比热容 热力设备中，经常遇到定压过程和定容过程,相应有不同
物量单位的定压热容和定容热容，分别以下标p、v标识。
(1) 定容比热容
q du pdv u cv T v T v T v
u u2 u1 cv T 0
b.理想气体焓的变化量
h h2 h1 c p T 0
c. 理想气体熵的变化量
s c p ln
T2 p Rg ln 2 T1 p1
T2 v2 s cv ln Rg ln T1 v1 p2 v2 s cv ln c p ln p1 v1
Q mq m cx dt
q u w
体积功
q h wt
（2）功量
w pdv w q u
wt vdp
wt q h
技术功
第4章 理想气体热力性质与过程
4.4 理想气体典型热力过程
强调!
任何过程中都有下列计算式成立 a.理想气体内能变化量
(1)
q dh vdp cp dT vdp 0
(3)、(4)两式相除,有 两边进行不定积分得 整理出过程方程
工程热力学第4章理想气体热力过程及气体压缩-49页PPT精选文档
状态参数的变化与过程无关
内能变化 焓变化 熵变化
u cvdT hcpdT
s0
理想气体 s w,wt ,q的计算
膨胀功 w pvk C
w p d v v c k d v 1 c k v 1 k1 2 1 1 k (p 2 v 2 p 1 v 1 )
kR 1(T 1T 2)cv(T 1T 2) u quw
技术功 wt
w t v d p h c p ( T 1 T 2 ) k w qhwt
热量 q
q0
理想气体变比热 s 过程
pvk const
k cp const cv
若已知p1,T1,T2 , 求p2
离心式 轴流式
叶轮式连续流动
通风机 鼓风机 压缩机
p0.01MPa 0.01 M P a p0.3M P a p0.3MPa
活塞式压气机的压气过程
目的：研究耗功，越少越好
p2
指什么功
技术功wt
理论压气功(可逆过程)
1
v
可能的压气过程
(1)、特别快，来不及换热。 s n k
(2)、特别慢，热全散走。 T n 1
T2
(
p2
)
k 1 k
T1 p1
ds
T2 T1
cp
dTRlnp2
T
p1
理想气体变比热 s 过程
ds
T2 T1
cp
dTRlnp2
T
p1
T T 02cpdTTT T 01cpdTTRlnp p1 2
sT02
sT01
Rln
p2 p1
0
已知p1,T1,T2 , 求p2
内能变化 焓变化 熵变化
u cvdT hcpdT
s0
理想气体 s w,wt ,q的计算
膨胀功 w pvk C
w p d v v c k d v 1 c k v 1 k1 2 1 1 k (p 2 v 2 p 1 v 1 )
kR 1(T 1T 2)cv(T 1T 2) u quw
技术功 wt
w t v d p h c p ( T 1 T 2 ) k w qhwt
热量 q
q0
理想气体变比热 s 过程
pvk const
k cp const cv
若已知p1,T1,T2 , 求p2
离心式 轴流式
叶轮式连续流动
通风机 鼓风机 压缩机
p0.01MPa 0.01 M P a p0.3M P a p0.3MPa
活塞式压气机的压气过程
目的：研究耗功，越少越好
p2
指什么功
技术功wt
理论压气功(可逆过程)
1
v
可能的压气过程
(1)、特别快，来不及换热。 s n k
(2)、特别慢，热全散走。 T n 1
T2
(
p2
)
k 1 k
T1 p1
ds
T2 T1
cp
dTRlnp2
T
p1
理想气体变比热 s 过程
ds
T2 T1
cp
dTRlnp2
T
p1
T T 02cpdTTT T 01cpdTTRlnp p1 2
sT02
sT01
Rln
p2 p1
0
已知p1,T1,T2 , 求p2
工程热力学第四章_热力学第二定律
五 热力过程熵变化分析
3 熵的性质
1）熵是状态参数，与变化过程的性质无关。 ）熵是状态参数，与变化过程的性质无关。 2）可逆过程中熵的变化量说明了系统与热源间热 ） 交换的方向。 交换的方向。 3）Siso ≥ 0 ，表明孤立系统内各物质熵的总和 ） 可以增大，或保持不变，但绝不能减小。 可以增大，或保持不变，但绝不能减小。 4）任一过程熵变化都是由熵流和熵产组成。 ）任一过程熵变化都是由熵流和熵产组成。 5）对任一热力过程，系统的熵变量也可表示为 ）对任一热力过程， δq s ≥ ∫ 其中等号适用于可逆过程， T ，其中等号适用于可逆过程，不等号适 用于不可逆过程
2）热量火用 ） 热量火用为热源放出的热量中可转化为功的最大 值。
T0 e ， = ∫ (1 )δq ｘq T
T不变
T0 e ， = 1 q ｘq T
热量火用与工质火用的区别在于要获 得热量火用必须完成循环作功。 得热量火用必须完成循环作功。
六 火用和火用损失
1 工质火用、热量火用和火用损 工质火用、
3）不可逆性与火用损 ） 由于不可逆性引起的做功量的减少，称为火用损， 由于不可逆性引起的做功量的减少，称为火用损， 以eI表示
ｅ = wt max wt = T0 sis ｌ
七 热力学第二定律的应用
1 热力学第二定律的应用
1）熵分析法 ） 熵分析法的主要内容就是通过对体系的熵平衡计 求取熵产的大小及其分布， 算，求取熵产的大小及其分布，分析影响熵产的 因素，确定熵产与不可逆损失的关系， 因素，确定熵产与不可逆损失的关系，作为评价 过程的不完善性与改进过程的依据。 过程的不完善性与改进过程的依据。 缺点：首先无法用它来评估能量流的使用价值； 缺点：首先无法用它来评估能量流的使用价值； 其次熵的概念比较抽象， 其次熵的概念比较抽象，其物理意义是表征由有 序到无序的转变度，本身并不是一种能量。 序到无序的转变度，本身并不是一种能量。
工程热力学课件第4章 工质的热力过程
可逆绝热过程是状态变化的任何一微元过程中热力系 统与环境都不交换热量的过程，即每一时刻均有δq=0。当 然，整个可逆绝热过程与环境交换的热量也为零，即q=0。
根据熵的定义，ds=δqrev/T，可逆绝热时δqrev＝0，故有 ds=0，s＝定值。在闭口系统中可逆绝热过程又称为定熵 过程。
（1）过程方程式
研究热力过程的任务是，揭示状态变化规律与能量传递之 间的关系，进而找出影响转化的主要因素，从而计算热力过程 中工质状态参数的变化及传递的能量、热量和功量。
• 实际热力过程十分复杂，并都是不可逆过 程,某些常见热力过程往往近似具有某一简 单的特征.
• 工程热力学将热力设备中的各种过程近似 地概括为4种典型过程，即定容、定压、定 温和绝热过程。
k c / c t2
t2
av
p t1
v t1
或
kav
k1
k2 2
（4.27）
在某些情况下t2是未知数，而 cp
t2 t1
、cv
t2 t1
、k2又取决于t2，
因此，这需先设定t2，得出k后再算出一个t2 , 如此重复，
使计算值与设定值逐渐接近。
（3）可逆绝热过程在p-v图和T-s图上的表示
p
T
2/
可逆定温过程技术功wt为：
wt
2
vdp
1
2 1
pv
dp p
2
1 RgT
dp p
RgT
ln
p2 p1
p1v1 ln
p2 p1
（4.21）
理想气体可逆定温稳定流经开口系时技术功wt与过程热 量q相同，由于这时p2v2=plv1，流动功p2v2-plv1为零，吸热 量q全部转变为技术功wt。
根据熵的定义，ds=δqrev/T，可逆绝热时δqrev＝0，故有 ds=0，s＝定值。在闭口系统中可逆绝热过程又称为定熵 过程。
（1）过程方程式
研究热力过程的任务是，揭示状态变化规律与能量传递之 间的关系，进而找出影响转化的主要因素，从而计算热力过程 中工质状态参数的变化及传递的能量、热量和功量。
• 实际热力过程十分复杂，并都是不可逆过 程,某些常见热力过程往往近似具有某一简 单的特征.
• 工程热力学将热力设备中的各种过程近似 地概括为4种典型过程，即定容、定压、定 温和绝热过程。
k c / c t2
t2
av
p t1
v t1
或
kav
k1
k2 2
（4.27）
在某些情况下t2是未知数，而 cp
t2 t1
、cv
t2 t1
、k2又取决于t2，
因此，这需先设定t2，得出k后再算出一个t2 , 如此重复，
使计算值与设定值逐渐接近。
（3）可逆绝热过程在p-v图和T-s图上的表示
p
T
2/
可逆定温过程技术功wt为：
wt
2
vdp
1
2 1
pv
dp p
2
1 RgT
dp p
RgT
ln
p2 p1
p1v1 ln
p2 p1
（4.21）
理想气体可逆定温稳定流经开口系时技术功wt与过程热 量q相同，由于这时p2v2=plv1，流动功p2v2-plv1为零，吸热 量q全部转变为技术功wt。
工程热力学课件第4章
1、过程方程 、
κ=
cp cv
pv κ = 常数
∴κ > 1
Qc p > cv
2、初、终状态参数关系 、
p 2 v1 = p1 v 2
κ
pvκ = 常数
pv = RT
T2 v1 = T1 v2 κ −1 T2 p2 κ = T1 p1
1 1
2
2
κ
dp
1
=κ
R (T1 − T2 ) = κw κ −1
pκ
κ ( p1v1 − p 2 v 2 ) = κ −1
2）热量 ）
q=0
∆s = 0
∆u + w = 0 或 ∆u = − w ∆ h + wt = 0 或 ∆ h = − wt
4-3 多变过程的综合 分析
多变过程
1、 过程方程： pv n 、 过程方程：
pc dT pc dp sc − sb = ∫ cp − ∫ R = −R ln T T pb p pb
T
Qsc > sb
∴pc < pb
sb sc
s
定压线向左水平移动， 定压线向左水平移量转换 、 1）过程功 dp= 0 ∴wt = −∫1 vdp = 0 ） 2）热量 ）
2
2
v
4
3
wT = wt ,T
2）热量 ）
T
∆h = c p (t2 − t1) = 0
2’ 1 2
∆u = cv (t2 − t1) = 0
v2 p1 p1 q = w = wt = RT ln = RT ln = p1v1 ln v1 p2 p2
s
4
κ=
cp cv
pv κ = 常数
∴κ > 1
Qc p > cv
2、初、终状态参数关系 、
p 2 v1 = p1 v 2
κ
pvκ = 常数
pv = RT
T2 v1 = T1 v2 κ −1 T2 p2 κ = T1 p1
1 1
2
2
κ
dp
1
=κ
R (T1 − T2 ) = κw κ −1
pκ
κ ( p1v1 − p 2 v 2 ) = κ −1
2）热量 ）
q=0
∆s = 0
∆u + w = 0 或 ∆u = − w ∆ h + wt = 0 或 ∆ h = − wt
4-3 多变过程的综合 分析
多变过程
1、 过程方程： pv n 、 过程方程：
pc dT pc dp sc − sb = ∫ cp − ∫ R = −R ln T T pb p pb
T
Qsc > sb
∴pc < pb
sb sc
s
定压线向左水平移动， 定压线向左水平移量转换 、 1）过程功 dp= 0 ∴wt = −∫1 vdp = 0 ） 2）热量 ）
2
2
v
4
3
wT = wt ,T
2）热量 ）
T
∆h = c p (t2 − t1) = 0
2’ 1 2
∆u = cv (t2 − t1) = 0
v2 p1 p1 q = w = wt = RT ln = RT ln = p1v1 ln v1 p2 p2
s
4
工程热力学第四章理想气体的热力过程及气体压缩1
分析热力过程的任务： 揭示状态变化规律与能量 传递之间的关系，从而计算热力过程中工质状态参 数的变化及传递的能量（热量、功量）。
二、热力过程中工质状态参数变化值的计算
参数 p、v、 T、 u、 h、 s
1、初、终状态基本参数（p、v、T ）的计算
依据： 1）理想气体状态方程式
pv RT
p1v1 p2v2
状态2
系统
本章假定：工质为理想气体，过程为可逆过程。
§4.1 分析热力过程的目的及一般 方法
一、分析热力过程的目的和任务
实施热力过程的目的：
1）完成一定的能量转换 2）使工质达到一定的热力状态
分析热力过程的目的： 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。
p2 p1
v1 v2
k
（1）
p1v1 p2v2
T1
T2
T2 T1
v1 v2
k
1
（2）
k 1
T2 T1
p2 p1
k
（3）
3、过程在p–v图和 T -s图上表示
p
绝热线比定温线陡
2’
1-2 绝热膨胀
1-2‘ 绝热压缩
1
曲线斜率
2
T
v
p k p
v s
v
2’
ds q 0
1
T
2
定熵过程：可逆绝热过程
dT T
2 p dv 1T
pR Tv
s
2
1 cv
dT T
2R dv
1v
s
cv
ln
T2 T1
R ln
v2 v1
二、热力过程中工质状态参数变化值的计算
参数 p、v、 T、 u、 h、 s
1、初、终状态基本参数（p、v、T ）的计算
依据： 1）理想气体状态方程式
pv RT
p1v1 p2v2
状态2
系统
本章假定：工质为理想气体，过程为可逆过程。
§4.1 分析热力过程的目的及一般 方法
一、分析热力过程的目的和任务
实施热力过程的目的：
1）完成一定的能量转换 2）使工质达到一定的热力状态
分析热力过程的目的： 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。
p2 p1
v1 v2
k
（1）
p1v1 p2v2
T1
T2
T2 T1
v1 v2
k
1
（2）
k 1
T2 T1
p2 p1
k
（3）
3、过程在p–v图和 T -s图上表示
p
绝热线比定温线陡
2’
1-2 绝热膨胀
1-2‘ 绝热压缩
1
曲线斜率
2
T
v
p k p
v s
v
2’
ds q 0
1
T
2
定熵过程：可逆绝热过程
dT T
2 p dv 1T
pR Tv
s
2
1 cv
dT T
2R dv
1v
s
cv
ln
T2 T1
R ln
v2 v1
工程热力学第4章
工程热力学第4章第4章理想气体热力过程及气体压缩4．1 本章基本要求熟练掌握定容、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。
4．2 本章重点结合热力学第一定律，计算四个基本热力过程、多变过程中的状态参数和过程参数及在p-v 、T-s图上表示。
本章的学习应以多做练习题为主，并一定注意要在求出结果后，在p-v 、T-s图上进行检验。
4．3 例题例1．2kg空气分别经过定温膨胀和绝热膨胀的可逆过程，如图4.1，从初态p1=9.807bar,t1=300?C膨胀到终态容积为初态容积的5倍，试计算不同过程中空气的终态参数，对外所做的功和交换的热量以及过程中内能、焓、熵的变化量。
图4.1 解：将空气取作闭口系对可逆定温过程1-2，由过程中的参数关系，得p2?p1v11?9.807??1.961bar v25RT1=0.1677m3/kg p1按理想气体状态方程，得v1?—30—v2?5v1=0.8385m3/kgT2?T1=573K t2=300?C气体对外作的膨胀功及交换的热量为WT?QT?p1V1lnV2=529.4kJ V1过程中内能、焓、熵的变化量为?U12=0 ?H12=0 ?S12=或?S12=mRlnQT=0.9239kJ /K T1V2=0.9238kJ /K V1对可逆绝热过程1-2′, 由可逆绝热过程参数间关系可得'p2?p1(v1k) 其中v2'?v2=0.8385m3/kg v21故p2'?9.807()1.4=1.03bar 5T2'?p2'v2'R=301K t2'=28?C气体对外所做的功及交换的热量为Ws?11(p1V1?p2V2)?mR(T1?T2')=390.3kJ k?1k?1Qs'?0过程中内能、焓、熵的变化量为?U12'?mcv(T2'?T1)??390.1kJ或?U12'??W2??390.3kJ?H12'?mcp(T2'?T1)??546.2kJ ?S12'=0例2. 1kg空气多变过程中吸取41.87kJ的热量时，将使其容积增大10倍，压力降低8倍，求：过程中空气的内能变化量，空气对外所做的膨胀功及技术功。
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cv (T1
T2 )
u
q u w
技术功 wt
wt vdp h cp (T1 T2 ) kw
热量 q
q0
q h wt
思考题
一、试证明绝热过程1－2中理想气体所作 技术功可用图中的面积1ba2’1表示。
二、 1kg初态为t1=100°C、p1=2bar的空气
经1－2－3路径到达终点3，已知：
T
k 1
const
pk
p2 ( v1 )k
pvk
( pv)vpk11
v2
RTv
k
1
const
T2 ( v1 )k1
T1 v2
pvk
pkvk ( pk 1
T2
RT ) pk 1
( p2
k
)
const
k 1 k
Tห้องสมุดไป่ตู้ p1
理想气体变比热 s 过程
k cp const cv
pvk const
q Tds
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
p f (v) , T f ( p) , T f (v)
2) 根据已知参数及过程方程求未知参数
3) 用T - s 与 p - v 图表示
4) 求 u , h , s
无论哪种过程及是否可逆,都 可用教材P121的公式
0
已知p1,T1,T2 , 求p2
p2
p1exp
s0 T2
s0 T1
Rg
若是空气，查附表7
理想气体变比热 s 过程
p2
p1exp
s0 T2
s0 T1
Rg
exp
s0 T2
p2
Rg pr (T2 )
p1
exp
s0 T1
pr (T1)
Rg
定义
pr
exp sT0 Rg
f (T )
相对压力
已知p1,T1,T2 ,对空气查附表7，得pr(T1)和pr(T2)， 求p2
5) 计算w , wt , q
针对不同过程及是否可逆确定不同计算公 式
§4-2 理想气体的等熵过程
可逆 ds qrev
T
ds 0 s
绝热
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。
(2) 不仅 s 0 , ds 0 s 处处相等
理想气体 s 的过程方程
( dT ds
)v
?
T cv
Tds cvdT pdv
上凸?下凹？ T
cp cv
斜率
p
v
T
( dT ds
)p
T cp
v
n0
p
n0
p
n
n
v
s
理想气体 过程T的p-v,T-s图
(
dp dv
)T
?
p v
pv C pdv vdp 0
1
n 1
n
cv
(1) 当 n = 0 pv0 const p C cn kcv cp p
(2) 当 n = 1 pv1 const T C cn
T
(3) 当 n = k pvk pvconRstgT s C cn 0
s
1
(4) 当 n = ∞ p nv const v C
ds 0
理想气体
k cp cv
当 k const
dp dv ds cv p cp v 0
dp k dv 0 pv
ln p k ln v const
pvk const
三个条件: (1)理想气体 (2)可逆过程 (3) k 为常数
理想气体 s 的过程方程
pvk const
Tvk1 const
cn cv
v
理想气体基本过程的计算
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4－1公式汇总
理想气体 过程的pp-v,T-s图
( dT ds
)p
?
T cp
上凸?下凹？
T 斜率
p Tds cpdT vdp T
n0
p
n0
p
v
s
理想气体 过程的v p-v,T-s图
t3=0°C、p3=1bar，其中1－2为不可逆绝热
膨胀过程，其熵变为0.1kJ/kg·K，2－3为可
逆定压放热过程，CP=1.004（KJ/KgT·K），
CV=0.717（KJ/Kg·K），求：
1
1）过程中系统的熵变s123
2
3
2）过程中系统与外界交换的热量q123 S
§4-3 理想气体热力过程的综合分析
若已知p1,T1,T2 , 求p2
ds
c T2
T1 p
dT T
Rg
ln
p2 p1
T2
(
p2
)
k 1 k
T1 p1
理想气体变比热 s 过程
ds
c T2
T1 p
dT T
Rg
ln
p2 p1
c T2
T0 p
dT T
c T1
T0 p
dT T
Rg
ln
p2 p1
s0 T2
s0 T1
Rg
ln
p2 p1
理想气体的多变过程 (Polytropic process)
过程方程
pvn const
n是常量， 每一过程有一 n 值
n
n=k
p2 ( v1 )n p1 v2
s
T2 ( v1 )n1 T1 v2
T2
(
p2
)
n1 n
T1 p1
理想气体 n w,wt ,q的计算
w
pdv
Rg n
1
(T1
T2 )
方法
1) 抽象分类 p v T s n
基本过程 2) 可逆过程 (不可逆再修正)
研究热力学过程的依据
1) 热一律
q du w
稳流
q
h
1 2
c2
gz
ws
h
wt
2) 理想气体 pv RgT cp cv Rg u f (T ) h f (T )
k cp cv
3)可逆过程
w pdv wt vdp
pvn const
wt nw
q
u
w
cv
(T2
T1 )
Rg n 1
(T2
T1)
(cv
Rg n
1)(T2
T1)
n n
-k 1 cv
(T2
T1)
cn
(T2
T1)
cn 多变过程比热容
多变过程与基本过程的关系
n
pT sv
1- k
pv n
co基nst本c过n 程nn -是k1 cv多变过程的特c例n
vr用得较少，自学
理想气体 s u, h, s,的计算
状态参数的变化与过程无关
内能变化 焓变化
u cvdT h cpdT
熵变化
s 0
理想气体 s w,wt ,q的计算
膨胀功 w
w
pdv
c vk
dv
c 1 k
v1k
2 1
1 1 k
(
p2v2
p1v1 )
Rg k
1
(T1
T2 )
第四章 气体和蒸汽的基本热力过程
§4-1 研究热力学过程的目的与方法 参数会计算，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
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