1、第三章理想气体热力过程第一节理想气体基本热力过程一、等容过程图3-1等容过程p-v图 一定质量的理想气体，在状态变化时如果容积保持不变，那么比体积不变(dv=0)，这个过程称为等容过程。例如一个气缸，它的活塞被固定，用热源将气缸中的气体缓慢地加热，则气体所经历的平衡过程，就是等容过程。等容过程的p-v图如图3-1所示，图中线段12表示等容线。等容过程中，气体体积不变，即无容积功。由闭口系能量方程可得二、等压过程一定质量的理想气体，在状态变化时，气体的压强保持不变(dp=0)的过程，称为等压过程。例如，向气缸中的气体缓慢地加热，同时把活塞缓慢地向外移动，使气体的压强保持不变，则气体所经历的过程就
2、是等压过程。等压过程的p-v图如图3-2所示，图中线段12表示等压线。等压过程的容积功wp=p(v2-v1)。由闭口系能量方程有可见，在等压过程中传递的热量等于工质的焓差。等压过程的热量也可用比定压热容计算，即三、等温过程在气体状态变化时，气体的温度保持不变(dT=0)的过程，称为等温过程。对于理想气体，当温度不变时，pv=常量，即p1v1=p2v2，所以等温过程在p-v图上是反比关系曲线，如图3-3所示。理想气体的等温过程中，由于温度保持不变，内能和焓也都保持不变，由能量方程可得图3-3等温过程p-v图四、等熵过程图3-4等熵过程p-v图四、等熵过程在状态变化过程中，若气体与外界没有热量交换
3、(q=0)，此过程称为绝热过程。此图3-4等熵过程p-v图外，如果一个过程进行得非常快，系统没有来得及与外界交换热量，此过程可近似看成绝热过程。以上三个方程为等熵绝热方程。等熵过程q=0或q=0，由能量方程可得可见，在等熵过程中，系统对外做容积功等于工质内能的减少，而外界对系统做容积功则完全用于工质内能的增加。取定值比热容时，等熵过程的容积功还可表示为五、多变过程前述的几个过程如等温、等压过程等，它们的共同特点是在过程进行中，系统中工质的某个参数值始终不变，这种过程称为等值过程。实际的热力过程中，由于完全绝热的系统不存在，系统中工质的参数随时间变化，如何来定性系统的工作过程呢？人们在前述几个典
4、型过程的特性的基础上，归纳出更为接近实际的多变过程方程，即可见，前面讨论的几个典型过程可作为多变过程的几个特例。与等熵过程类似，多变过程基本状态参数间的关系为第二节气体压缩基本原理一、活塞式压缩机的理论压缩过程1.吸气过程当气缸内的气体压力小于吸气腔内气体压力时，吸气腔内气体推开进气阀片，吸气过程开始。随着吸气过程的进行，活塞逐步下移，直至活塞移至下止点时，进气阀片关闭，吸气过程结束。2.压缩过程当活塞由下止点向上止点运动时，由于进排气阀都关闭，气缸容积逐渐变小，缸内气体被压缩，压力和温度逐渐升高。当缸内气体压力稍高于排气压力时，排气阀片被推开，压缩过程结束。3.排气过程当排气阀片被推开时，排
5、气过程开始，随着活塞继续向上运动，压缩气体逐渐被排出气缸，直至活塞运动至上止点时，排气阀片关闭，排气过程结束。一、活塞式压缩机的理论压缩过程4.膨胀过程排气结束后，活塞开始由上止点向下运动，气缸容积逐渐变大，残留在余隙容积中的气体开始膨胀，其压力和温度逐渐下降，直至压力低于吸气腔中气体压力时，进气阀片被推开，膨胀过程结束。至此，压缩机完成了一个工作循环，然后开始下一个循环过程的吸气。1)假设活塞处于上止点时，活塞顶面与气缸盖之间没有空隙存在，因而在排气结束时，缸内没有残留气体，整个气缸的容积V1就是工作容积。2)假设压缩过程是可逆过程。压缩机如按上述假设情况工作，其工作的循环过程称为理论压缩过
6、程，或称为理论工作循环。一、活塞式压缩机的理论压缩过程图3-5理论压缩过程p-v图 压缩机的理论工作循环用p-v图表示，如图3-5所示。图3-5中41为等压吸气过程；12为压缩过程；23为等压排气过程。吸气开始和排气终了的4、3两点都在纵轴上，反映排气终了时缸内无残留气体。二、往复活塞式压缩机的实际压缩过程1)在制冷压缩机实际压缩制冷气态工质的过程中，气体流经进排气阀时，由于流道截面突然变小，不可避免会有压力损失，吸、排气过程都不可能是等压过程。2)制冷压缩机在实际工作过程中，运动机构之间都有摩擦，产生热量，气态制冷工质与气缸壁也不可避免地会交换热量，不可能是绝热过程，均是增熵压缩。3)为了运
7、转平稳，避免活塞与气缸盖撞击，制冷压缩机活塞顶面与气缸盖之间必须留有余隙，压缩机的工作容积要小于气缸的容积。二、往复活塞式压缩机的实际压缩过程4)由于吸气量的减少，输气量也会跟着减少，同时由于压缩机的进、排气阀及活塞与气缸之间不可能装配得绝对严密，因此实际压缩时，不可避免会有少量气体从高压部分向低压部分渗透，从而使压缩机输气量进一步减少。综上所述，制冷系统的压缩机在实际压缩过程中吸气量和输气量都较理论压缩的小，在实际的压缩过程中不可避免地有热量交换，吸、排气过程也不是等压过程。图3-6实际压缩过程p-v图第三节气体比热容及热量计算方法一、气体比热容在制冷技术中常利用工质状态的改变来实现吸热和放
8、热，制冷系统的热工计算中，常需要确定工质所吸收或放出的热量的确切数值。热量的计算可以通过工质的状态参数变化，也可利用比热容来进行。所谓比热容，就是单位物量的物质温度升高或降低1K(或1)时所吸收或放出的热量。其数学表达式为由于比定压热容cp和比定容热容cV都是温度的函数，因此等熵指数也是温度的函数。由等熵指数与比定压热容cp和比定容热容cV的关系可知总之，气体比热容随热力状态的变化而变化，实际气体的真实比热容是温度和压力的函数。而对于理想气体，可以认为比热容只随温度而变化，一般来说，气体的比热容随温度的升高而增大。二、热量的计算(一)用熵计算可逆过程的热量对于可逆过程，可利用熵的定义计算微元过
9、程中工质与外界交换的热量，即对有限的可逆过程，工质和外界交换的热量，应是所经各个微元过程交换的热量的总和。求和时，因温度通常是变化的，需用积分计算，即二、热量的计算(二)用比热容计算显热一定质量的某种气体，在不同的热力过程中作同样的温度变化所吸收或放出的热量不同。因此，比热容与热力过程的特性有关。工程上加热或放热的过程，最常见的是保持压力不变或容积不变的过程。在等容过程中，气态工质不能膨胀对外做功，吸收的热量只用来增把比热容当做定值时，统一用字母c来表示，显热(kJ/kg)的一般计算式为二、热量的计算一定质量的某种气体，在不同的热力过程中作同样的温度变化所吸收或放出的热量不同。因此，比热容与热
10、力过程的特性有关。工程上加热或放热的过程，最常见的是保持压力不变或容积不变的过程。在等容过程中，气态工质不能膨胀对外做功，吸收的热量只用来增加内能，使气体温度升高；在等压过程中，气态工质吸收的热量除用于增加内能升高温度外，还必须克服外力膨胀做功；在等熵过程中气体与外界没有热量交换，即q=0；等温过程中，温度保持不变，工质吸收或放出的热量为潜热。(三)计算潜热常见工质在不同压力下(或不同沸点下)的汽化潜热值(用r表示)，可在有关手册列出的工质热力性质表中查到。mkg工质汽化或冷凝时，所吸收或放出的潜热为(四)计算多变过程热量由热力学第一定律可知，工质与外界交换的热量为多变过程中工质吸收或放出的热量用qn来表示，容积功用wn表示。多变过程的容积功为多变过程中，气体膨胀或被压缩过程中可能伴随着吸热或放热，容积功与吸、放热的情况可借助功和热量的比值wn/qn来判断。
