空气动力学与热工基础

分析热力过程的目的、方法和内容等容过程等压过程等温过程介绍等容、等压、等温的过程方程、能量转换和过程曲线过程的能量转换能量转换及其计算2/14第三章气体的热力过程•热力发动机中热能和机械能的相互转换是通过工质的状态变化过程实现的。研究热力过程才可以弄清楚热能和机械能的实际转换情况和影响它们转换的因素。§3—1分析热力过程的目的、方法和内容•分析热力过程时，作如下简化假定：•(1)气体的状态变化过程是一个可逆过程；•(2)气体是完全气体。即在任一平衡状态下，其参数关系符合完全气体的状态方程式；•(3)比热容是常数，即比热容不随温度而变化。•(4)实际过程近似地看作是具有某一简单特征的一个特殊过程。•分析热力过程的主要内容是：•(1)建立工质在热力过程中状态参数的变化规律：•根据过程进行的特点，在符合状态方程及热力学定律解析式的条件下，求出状态参数之间变化关系——过程方程式。•(2)确定工质在热力过程中能量变换特性：•计算过程中内能的变化、焓的变化和工质与外界之间所交换的热量和功。§3—2等容过程•一、过程的定义•等容过程是指气体在容积不变或比容保持不变的条件下进行的热力过程。活塞式发动机和脉动式喷气发动机的燃烧过程就近似于等容过程。图1—3—1(a)表示等容加热过程，其中活塞不动。•二、过程特点•V=常数•或ν=常数•三、过程方程•或说明：在等容过程中，气体的压力与热力学温度成正比，当对气体加热时，温度升高，压力增大，气体放热，温度降低，压力减少。常数vRTP1212TTPP•四、过程曲线•图1—3—1（b）和图1—3—1（c）•即在P—v图上是一条与v轴相垂直的直线；在T—s图上是一条指数曲线，且斜率随温度的升高而增大，亦即温度越高，曲线的斜率在T—s图中越陡峭。•五、过程能量交换情况•1、容积功•V=0常数或dv=0，所以不论是加热或放热，气体对外均不做容功，即•2、内能的变化量•3、换热量02112Pdvw）（1212TTCuuv）（1212TTCuuqvv例：气缸内有0.002kg空气，温度为300℃，压力为8bar，定容加热后的压力为40bar，求加热后的温度，加给空气的热量，设空气的等容比热为0.718•解已知T=273＋300=573K,=8bar=40bar得加热后的空气温度为•加热量为KkgKJ/1P2PKTPPT2855738401122KJTTmCQv29.35732865718.002.012）（）（•例某完全气体的定压比热容为2.2，分子量为16.04。该气体8kg在等容条件下自17℃加热至187℃，求该气体的(1)容积功（2）焓的变化(3)换热量。•解：(1)因为V=常数•所以容积功•(2)焓的变化••(3)换热量正号表示对该气体加热。KKgKJ/02112pdvW21dTCmimIpKJ2990171872.28）（228717187682.18）（TmCQvv§3—3等压过程•一、过程的定义•气体在压力保持不变的条件下进行的热力过程。有些活塞式柴油机及涡轮喷气发动机的燃烧过程，压力变化很小，近似于定压加热。图1—3—2(a)。•二、过程特点•P=常数•三、过程方程式••说明：•在定压过程中，气体的比容与热力学温度成正比；对气体加热，温度升高，比容增大，气体放热，温度降低，比容减小。‘常数PRTV1212TTVV•四、过程曲线•P—V图如图1—3—2(b)所示；•T—s图如图1—3—2(c)所示。•即在P—v图上是一条与P轴相垂直的直线；在T—s图上是一条指数曲线，且斜率随温度的升高而增大，亦即温度越高，曲线的斜率在T—s图中越陡峭。•五、能量交换情况•1、容积功•2、内能的变化量••3、换热量•）（122112VVPPdvW）（121212TTCuuuV1212iiTTCqpp）（•例压力为8bar，温度为327℃的空气进入燃烧室内定压加热，使其温度升高到927℃。设燃气的定压比热容•燃气的气体常数，求(1)燃烧前后气体的比容(2)每千克气体的加热量(3)膨胀功(4)内能的变化量•解(1)燃烧前的比容KKgKJCp/157.1KkgJR/287kgmPRTv/2153.010827332728735111）（•(2)燃烧后的比容•(3)每千克气体的加热量•(4)每千克气体的容积功•(5)每千克气体的内能变化量=（1.157－0.287）（1200－600）=522kgmTTvv/4305.02733272739272153.031212kgkJTTCqpp/2.6946001200157.112）（）（kgKJTTRvvPW/2.172600287.0121212）（）（））（（12TTRCTCupvkgKJ/•例开始时活塞汽缸的体积为0.1m，其中有压力为1.15bar的空气0.1kg,若在压力不变的情况下,体积缩小为原来的75%,求终点的温度,变化过程中换热量的大小和方向。•解开始时，空气的温度由完全气体方程可得•终了时，空气的温度按定压过程的关系式可得•取=常数，即，故••负号表示对外界放热。3KmRVPT4097.281000314.81.01.01015.15111KVVVTVT30175.0401111122PCKkgJCp/1004KJTTmCQPP04.1040130110041.012）（）（§3—4等温过程•一、过程的定义•气体在温度保持不变的条件下进行的加热或放热过程。•在充分冷却，并且运转速度比较慢的压气机的压缩过程是接近等温过程的。在研究发动机循环的经济性及理解其它过程的有关性质时，等温过程具有一定的指导意义。•二、过程特点•T=常数••三、过程方程•对于完全气体，根据状态方程式，得等温过程的方程式为•或•说明：•在等温过程中，气体的压力和比容成反比。等温膨胀过程，比容增大，压力降低；等温压缩过程，比容减小，压力升高。RTPv常数Pv2112vvPP•四、过程曲线•P—v图为双曲线；如图l—3—3(a)•五、能量交换情况•1、容积功•2、内能•du=0或u1=u2•di=0或i1=i2•3、换热量21111211122121PPInvPvvInvPvvRTInvduRTPdvWT12110vvInvPWWuqTTT•例压力为lbar，温度为290K的1kg空气，在气缸内进行定温压缩，设终了状态的压力为6bar，求起始和终了的比容，气体与外界交换的热量。•解起始状态的比容•终了状态的比容•因•故•负号表示气体向外界放热。kgmPRTv/832.01012902873511kgmPPVv/139.061832.03211221TT0u12111211PPInvPvvInvPWqTTkgKJIn/14961832.01015图1-3-3（b）