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1、第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第一节 理想气体及其状态方程 一、理想气体的概念 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 在热工设备中，热能转变为机械能是借助于工质在设备中的吸热、 膨胀做功等状态变化过程来实现的。为研究和计算工质经过这些过 程吸收的热量和做出的功，除了以热力学第一定律做为主要的工具 外，还需要用到有关工质热力性质方面的知识。热能转变为机械能 只能通过工质的膨胀实现，采用的工质应具有显著的胀缩能力，即 工质的体积随其温度、压力能有较大的变化。在物质的固、液、气 三态中，只有气态物质具有这种特性，因而热机中使用的工质一般 都是气态物质。由于气态物质的分子数目非常巨大，运动
2、又是不规 则的，其运动在任意方向都没有显著的优势，宏观上表现为气态物 质各向同性，压力各处各向相等，密度到处相同。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 实际上气体分子本身占有一定的体积，分子之间是有相互作用的引 力和排斥力的，性质很复杂，分子在两次碰撞之间进行的是非直线 运动，很难找出其运动规律。为方便分析、简化计算，人们提出了 理想气体的概念。 二、理想气体状态方程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 解：泄漏前瓶内原有氧气质
3、量为 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第二节 理想气体的比热容 一、比热容的定义 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 二、比热容与过程特性的关系 热工设备中最常用的加热过程是保持压力不变或体积不变，其比热 容相应分别为质量定压热容与质量定容热容，分别以符号cp和cv表示 。其物理意义为在定压（或定容）下使单位质量的气体温度升高（ 或降低）1K所需加入（或放出）的热量。同样，cp和cv分别称为体 积定压热容和体积定容热容，而m和m分别表示摩尔定压热容和摩尔 定容热容。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过
4、程 表7-1 气体的定值摩尔定压热容 1)气体的物理性质。 2)气体传热过程的性质。 3)气体的温度。 三、理想气体比热容与温度的关系 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-1 气体比热随温度的变化 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 1.平均比热容表法 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 表7-2 气体平均定压热容(曲线关系) 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 表7-2 气体平均定压热容(曲线关系) 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 2.平均比热容直线关系式 图7-2 比热容与温度的直
5、线关系 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 表7-3 气体的平均定压热容和平均定容热容(直线关系)(适用范围：01 500) 解：由表7-2查得 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第三节 理想气体的热力学能与焓 理想气体的状态方程及比热容确定后，利用热力学第一定律就可方 便地求得理想气体的热力学能和焓的计算式。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-3 例7-3图 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 解：取容器内的
6、定量空气为封闭热力系统，此过程实质上是一个绝 热自由膨胀过程。 1)计算U、T、H。 2)计算压力变化量p。 第四节 理想气体的基本热力过程 一、研究热力过程的目的和一般方法 分析和计算热力过程的目的在于揭示过程中工质状态参数的变化规 律以及该过程中热能与机械能之间的转化情况，进而找出影响能量 转化效果的主要因素。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 1)根据过程进行的条件导出过程方程式，即p=f(v)及T=f(s)形式的方 程式。 2)将过程方程式描绘在p-v图和T-s图上，分析过程中工质状态变化规 律。 3)计算热力过程中的能量转换情况。 (1)热力学能和焓的计算 (2)体积功的计算
7、(3)确定热力过程中系统与外界所交换的热量 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 二、四个基本热力过程分析 1.定容过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-4 定容过程在p-v、T-s图上的表示 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 2.定压过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-5 定压过程在p-v、T-s图上的表示 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 解：在压力较低，密度较小的情况下，N2可视为理想气体，按理想 气体迈耶方程有 第七章 理想
8、气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 3.定温过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-6 定温过程在p-v、T-s图上的表示 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 4.绝热过程 绝热过程是状态变化的任何一段微元过程中，系统与外界都不发生 热量交换的过程，即过程进行的每一瞬时都有q=0。整个过程与外 界交换的热量亦等于零，即q=0。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-7 绝热过程在p
9、-v、T-s图上的表示 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 解：将空气取做闭口系统。 (1)对可逆定温过程1-2，由过程中参数间关系得 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 (2)对可逆绝热过程1-2，由可逆绝热过程参数间关系可得 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第五节 理想气体的多变过程 一、多变过程的特点 前面讨论的四种典型的理想气体热力过程是几个特殊的过程，即在 状态变化过程中某一个状态参数保持不变或系统与外界没有热量交 换。现将四种典型过程中状态参数之间的变化关系归纳入表74。 第七章 理想气
10、体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 表7-4 四种典型过程状态参数间的关系 二、多变过程中的能量计算 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 三、多变过程在p-v图和T-s图上的表示 将前述4种典型热力过程绘在同一个pv图和Ts图上，如图78所示 。不难发现多变指数n在坐标图上的分布是有规律的，由n=0开始沿 顺时针方向看，n由01，是逐渐增大的，因而，对于任意一 个多变过程，只要知道其多变指数的值，就能确定该过程在pv图和 Ts图上相对位置。原则上n可为-+之间的任意实数，但n处于-和 0之间（即膨胀时压力升高，压缩时压力
11、下降）的情况在实际工程上 较少见。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-8 多变过程在p-v图和T-s图上的表示 解：1)空气的热力学能变化量。由理想气体状态方程式PV=RT得 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 2)气体对外所做的膨胀功及技术功。 【案例分析与知识拓展】 案例1：制冷压缩机的压缩过程 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 热工设备中实际进行的热力过程均是多变过程，且通常要比理论的 多变过程更为复杂。例如，制冷压缩机气缸中制冷剂蒸汽的压缩过 程，在整个过程中指数n是变化的。压缩开始时，工质温度低于缸壁 温度，工质是吸热的，
12、随着对工质不断地压缩，温度升高，高于缸 壁温度后开始放热，瞬时多变指数约从14左右变化到10左右。 制冷压缩机压缩过程的多变指数大小还与制冷剂的种类、制冷剂蒸 汽与气缸壁的热交换情况、活塞与气缸壁的密封情况等因素有关。 通常，制冷压缩机压缩多变指数要小于活塞式空气压缩机压缩多变 指数。对多变指数n是变化的实际过程，热工计算中为简便起见常常 这样处理：若n的变化范围不大，则用一个不变的平均多变指数近似 地代替实际变化的n；如果n的变化较大，可将实际过程分段，每段 近似为n值不变，各段的n值可不相同。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 实际制冷压缩机的压缩过程的平均多变指数，对于氨压缩机n=
13、11 115；对于氟利昂压缩机n=10105。 案例2：高温烟气热量的计算 在化工、钢铁、大型火电厂等热能消耗较大的企业，为了节能降耗 ，通常可利用烟气余热加热锅炉中的给水，产生蒸汽用以驱动吸收 式、吸附式或喷射式制冷装置来进行车间或房间的温度调节。此类 系统设计首先必须知道可利用的烟气的热量，以便进行可行性、经 济性分析和设计计算。例如，某大型柴油机增压器后的排气流量为 53 856kg/h，排气温度为380，为防止废气锅炉尾部发生低温腐蚀 ，废气流出废气锅炉的温度应为150，试求废气流经废气锅炉时可 利用的热量有多少。 【本章小结】 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 一、理想气体的热
14、力性质 理想气体是指忽略气体分子本身所占有的体积和分子间相互作用力 的气体。实质上是实际气体在p0，v时的极限情况。实际工程 处理上将不易液化、离液态较远的气体（如燃气、空气等）均当做 理想气体来处理。理想气体基本状态参数之间的关系可用状态方程 pv=RT来表示，式中气体常数R与气体状态无关而与气体性质有关， R可通过摩尔气体常数Rm来计算。 二、理想气体基本热力过程分析 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 表7-5 四个基本热力过程的相关计算公式 三、多变过程分析 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 凡状态参数的变化规律满足pvn=常数的热力过程均称为多变过程， n=0、1、及的过程分别为定压、定温、定熵（可逆绝热过程） 及定容过程。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 【思考与练习题】 1)锅炉汽锅筒中的水蒸气。 2)制冷装置中的氨蒸气。 3)空气中的水蒸气。 第七章 理想气体的热力性质及其热力过程 图7-9 题7-12图
