工程热力学WORD版第4章理想气体热力过程.doc

长 沙 理 工 大 学 备 课 纸
第4章 理想气体热力过程
一、教案设计
教学目标: 使学生理解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。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。
知 识 点：掌握理想气体的几个典型的热力过程特点，过程方程形式及其状态参数p、v、T、u、h、s的计算，过程量Q、W的计算。掌握过程在p-v 、T-s图上的表示。
重 点：结合热力学第一定律，分析和导出各种基本热力过程及多变过程的相应计算式并进行计算，利用p-v、T-s图分析热力过程。
难 点：几种典型热力过程与多变过程的相互关系；确定过程中工质状态参数,能量转换关系。
教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论
师生互动设计：提问+启发+讨论
J 问：理想气体定温过程中w=wt=q是否意味着q可以全部转化功量？为什么？
J 问：理想气体分别从同一初态出发分别经历定容、定压过程，吸收相同的热量后那么到达终态时，哪个过程的终点温度高？为什么？
J 问：在p-v图上，T和s减小的方向分别在哪个方向，在T-s图上p和v减小的方向分别在哪个方向。
J 问：实际工质经历的热力过程就是多变过程吗？
学时分配：2学时+2（讨论）
二、基本知识
第一节 基本热力过程
一、 研究热力过程的目的及一般分析法
实施过程目的：实现预期的能量转换，如锅炉中工质定压吸热，提高蒸汽的焓而获得作功能力；达到预期的状态变化，如压气机中消耗功量使气体升压。分析热力过程的目的：揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转化情况，进而找出影响转化的主要因素。
一般分析方法：
假设：
Ø 根据实际过程的特点，将实际过程近似地概括为几种典型过程：定容、定压、定温和绝热过程；
Ø 不考虑实际过程中不可逆的耗损，视为可逆过程；
Ø 工质视为理想气体；
Ø 比热容取定值。
分析热力过程的一般步骤：
1．建立过程方程 依据：过程方程线p=f (v)
2．确定初终状态参数 依据：状态方程
3．p-v图与T-s图分析
4．求传递能量，依据能量方程：Q-W=U
二、参数关系式及传递能量（见教材中列表）
如：定容过程

其他三个典型过程（见ppt）

第二节 多变过程
已知某多变过程任意两点参数，求n

一、多变过程方程及多变比热
过程方程:pv =const
n=0时，定压过程 n=1时，定温过程
n=k时, 定温过程 n=±∞时，定容过程
二、多变过程分析
过程中q、w、u的判断
l．q的判断： 以绝热线为基准:
2．w的判断： 以等容线为基准
3．u的判断： 以等温线为基准
~
例1. 1kg空气多变过程中吸取41.87kJ的热量时，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。
解：按题意
空气的内能变化量：由理想气体的状态方程
得：
多变指数
多变过程中气体吸取的热量

气体内能的变化量：
空气对外所做的膨胀功及技术功：膨胀功由闭系能量方程

或由公式来计算
技术功：

A B

图4.2
例2：一气缸活塞装置如图所示，气缸及活塞均由理想绝热材料组成，活塞与气缸间无摩擦。开始时活塞将气缸分为A、B两个相等的两部分，两部分中各有1kmol的同一种理想气，其压力和温度均为p1=1bar，t1=5℃。若对A中的气体缓慢加热（电热），使气体缓慢膨胀，推动活塞压缩B中的气体，直至A中气体温度升高至127℃。试求过程中B气体吸取的热量。设气体kJ/(kmol·K)，kJ/(kmol·K)。气缸与活塞的热容量可以忽略不计。
解：取整个气缸内气体为闭系。按闭系能量方程
ΔU=Q－W
因为没有系统之外的力使其移动，所以W=0
则
其中 kmol
故 （1）
在该方程中是已知的，即。只有是未知量。
当向A中气体加热时，A中气体的温度和压力将升高，并发生膨胀推动活塞右移，使B的气体受到压缩。因为气缸和活塞都是不导热的，而且其热容量可以忽略不计，所以B中气体进行的是绝热过程。又因为活塞与气缸壁间无摩擦，而且过程是缓慢进行的，所以B中气体进行是可逆绝热压缩过程。
按理想气体可逆绝热过程参数间关系
（2）
由理想气体状态方程，得
初态时
终态时
其中V1和V2是过程初，终态气体的总容积，即气缸的容积，其在过程前后不变，故V1=V2，得

因为 kmol
所以 （3）
合并式（2）与（3），得

比值可用试算法求用得。
按题意已知： =445K，=278K

故
计算得： =1.367
代式入（2）得

代入式（1）得 Q=12.56[(445－278)+(315－278)]=2562kJ

例3：2kg的气体从初态按多变过程膨胀到原来的3倍，温度从300℃下降至60℃，已知该过程膨胀功为100kJ自外界吸热20kJ，求气体的cp和cv各是多少？
本题两种解法：
解1：由题已知：V1=3V2
由多变过程状态方程式
即
由多变过程计算功公式：

故 = 0.1029kJ/kg·K
式中 得 代入热量公式

得 k=1.6175
∴

cp=cv·k=0.1666×1.6175=0.2695kJ/kg·K
另一种解法，请同学们思考
例4：1kg空气分两种情况进行热力过程，作膨胀功300kJ。一种情况下吸热380kJ，另一情况下吸热210kJ。问两种情况下空气的内能变化多少？若两个过程都是多变过程，求多变指数，并将两个过程画在同一张p-v图上。按定比热容进行计算。
解：（1）求两个过程的内能变化。
两过程内能变化分别为：

（2）求多变指数。

因为
所以，两过程的多变指数分别为：

简短讨论：
（1）仅给出过程量q和w时，还不能说明该过程程必是一个多变过程。所以，题目中又给中出“两个过程都是多变过程”的假设。
（2）求解时根据w和ΔT求出n，求出cp，再求得n。
（3）求得n即可画出图4.3根据图4.3上过程的走向和过程线下面积的的正负可了解过程进行中参数的变化情况和功量、热量的正负。对照题给条件可定性判断求解结果正确性。
三、本章总结
结合热力学第一定律，会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会把个热力过程及其相关量能在p-v 、T-s图上表示。
本章计算公式多，但不复杂，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。
四、作业与讨论
1作业:思考题1、2、4；习题4-2、4-3、4-6、4-11、4-22
2 讨论：
1) 在p-v图上，T和s减小的方向分别在哪个方向，在T-s图上p和v减小的方向分别在哪个方向。
2) 工质为空气，试在p-v和T-s图上画出n=1.5的膨胀过程和n=1.2的压缩过程的大概位置，并分析二过程中q、w、u的正负。
3) 如果气体按规律膨胀，其中c为常数，则此过程中理想气体被加热还是被冷却。
4) 在多变过程中热量和功量之间的关系等于什么，即 =?
5) 试在T-s图上用过程线和横坐标之间的面积来分析相同初态和相同终态压力下的定温、多变、绝热压缩中的能量转换关系，比较哪种压缩时耗功量最小。
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