第四章理想气体的热力过程
工程热力学课后答案--华自强张忠进高青(第四版)第4章
∆s
=
m⎜⎜⎝⎛ cp0
ln T 2 T1
−
Rg
ln
p2 p1
⎟⎟⎠⎞
=
mcp0
ln
T2 T1
=0.1×（0.561+0.188 9）ln 459.04 =0.036 1 kJ/K 300
4-2 有一气缸，其中氮气的压力为0.15 MPa、温度为300 K。 如果按两种不同的过程变化：(1)在定压下温度变化到450K；(2)
4-8 有一台内燃机的涡轮增压器，在涡轮机进口处工质的压 力为0.2 MPa、温度为650 ℃，出口处压力为0.1 MPa。涡轮机所产 生的功全部用于驱动压气机，在压气机入口处空气的压力为0.1 MPa、温度为27 ℃。设涡轮机及压气机中进行的过程为绝热过程， 并假设工质为空气，试求涡轮机输出的功和排气温度，以及压气 机输出的压缩空气的压力和温度。
由附表3用内插法求T2 及vr2, 得
T=380 K时, S 0 =1.940 01 kJ/(kg·K) , vr=343.4
T=390 K时, S 0 =1.966 33 kJ/(kg·K) , vr=321.5
T2 − 380
= 390 − 380
1.94695 −1.94001 1.96633 −1.94001
( ) w12s = −∆ u12s = u1 − u2s = cv0 T1 − T2
=0.741×（300－445.8）=－108.04 kJ/kg
( ) ws = −∆ h12 = h1 − h2s = cp0 T1 − T2
=1.038（300－445.8）=－151.34 kJ/kg （2） 若压缩过程为等温压缩，则有：
d(pv) = d (RgT ) = 0
工程热力学(第五版)第4章练习题
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1p =9.807bar,1t =300C ο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bar v v p p 961.151807.92112=⨯==按理想气体状态方程，得111p RT v ==0.1677kg m /3 125v v ==0.8385kg m /312T T ==573K 2t =300C ο气体对外作的膨胀功及交换的热量为1211lnV V V p Q W T T ===529.4kJ 过程中内能、焓、熵的变化量为12U ∆=0 12H ∆=0 12S ∆=1T Q T=0.9239kJ /K 或12S ∆=mRln12V V =0.9238kJ /K 对可逆绝热过程1-2′, 由可逆绝热过程参数间关系可得kv v p p )(211'2= 其中22'v v ==0.8385kg m /3 故 4.12)51(807.9'=p =1.03barRv p T '''222==301K '2t =28C ο气体对外所做的功及交换的热量为)(11)(11'212211T T mR k V p V p k W s --=--==390.3kJ 0'=s Q过程中内能、焓、熵的变化量为kJ T T mc U v 1.390)(1212''-=-=∆或kJ W U 3.390212'-=-=∆kJ T T mc H p 2.546)(1212''-=-=∆ '12S ∆=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。
热力学理想气体的等温和绝热过程的计算
热力学理想气体的等温和绝热过程的计算热力学是研究能量转换与能量传递规律的科学。
理想气体是热力学中常用的模型之一，其具有简单的性质和方程，能够方便地进行计算和分析。
在热力学中，等温过程和绝热过程是其中两个重要的概念。
本文将从理想气体的等温过程和绝热过程的计算角度出发，对其进行详细探讨。
一、等温过程的计算等温过程指的是在气体与外界保持恒定温度的条件下进行的过程。
对于理想气体的等温过程，其途径状态可以用以下的理想气体状态方程描述：PV = nRT其中，P表示气体的压强，V表示气体的体积，n表示气体的物质的量，R为气体常数，T为气体的温度。
在等温过程中，温度不变，因此方程可以简化为：PV = 常数根据上述的方程，我们可以进行等温过程的计算。
例如，假设气体初始状态为P1、V1，末态为P2、V2，可以得到等温过程的计算公式如下：P1V1 = P2V2根据上述公式，我们可以通过已知条件计算出等温过程中的其他参数，例如温度或者气体的物质的量。
二、绝热过程的计算绝热过程指的是在气体与外界不进行热交换的条件下进行的过程。
对于理想气体的绝热过程，其途径状态可以用以下的绝热方程描述：PV^γ = 常数其中，P表示气体的压强，V表示气体的体积，γ为绝热指数，取决于具体的气体性质。
在绝热过程中，热交换为零，因此方程可以简化为：PV^γ = 常数根据上述的方程，我们可以进行绝热过程的计算。
例如，对于绝热过程中的某一状态，我们假设初始状态为P1、V1，末态为P2、V2，可以得到绝热过程的计算公式如下：P1V1^γ = P2V2^γ根据已知条件，我们可以计算出绝热过程中的其他参数，例如压强、体积或者绝热指数。
总结：通过以上的讨论，我们了解了热力学理想气体的等温和绝热过程的计算方法。
在等温过程中，利用理想气体状态方程进行计算，通过已知条件可以得到等温过程中的各个参数。
而在绝热过程中，利用绝热方程进行计算，同样可以通过已知条件计算出绝热过程中的各个参数。
工程热力学理想气体
第四章 理想气体的性质第一节 理想气体的概念热能转变为机械能通常是借助于工质在热动力设备中的吸热、膨胀作功等状态变化过程而实现的。
为了分析研究和计算工质进行这些过程时的吸热量和作功量，除了以热力学第一定律为主要的基础和工具外，还需具备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膨胀作功实现，采用的工质应具有显著的涨缩能力,即其体积随温度、压力能有较大的变化。
物质的三态中只有气态具有这一特性，因而热机工质一般采用气态物质，且视其距液态的远近又分为气体和蒸气。
气态物质的分子持续不断地做无规则的热运动，分子数目又如此的巨大，因而运动在任何一个方向上都没有显著的优势，宏观上表现为各向同性，压力各处各向相同，密度一致。
自然界中的气体分子本身有一定的体积，分子相互间存在作用力，分子在两次碰撞之间进行的是非直线运动，很难精确描述和确定其复杂的运动，为了方便分析、简化计算,引出了理想气体的概念。
理想气体是一种实际上不存在的假想气体，其分子是些弹性的、不具体积的质点，分子间相互没有作用力。
在这两点假设条件下，气体分子的运动规律极大地简化了，分子两次碰撞之间为直线运动，且弹性碰撞无动能损失。
对此简化了的物理模型，不但可定性地分析气体某些热力学现象，而且可定量地导出状态参数间存在的简单函数关系。
众所周知，高温、低压的气体密度小、比体积大,若大到分子本身体积远小于其活动空间，分子间平均距离远到作用力极其微弱的状态就很接近理想气体。
因此，理想气体是气体压力趋近于零(p →0)、比体积趋近于无穷大(v →∞)时的极限状态。
一般来说，氩、氖、氦、氢、氧、氮、一氧化碳等临界温度低(参见附表2)的单原子或双原子气体，在温度不太低、压力不太高时均远离液态，接近理想气体假设条件。
因而，工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合空气、燃气、烟气等工质,在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理，误差一般都在工程计算允许的精度范围之内。
04理想气体的性质
用全微分来代 替偏微分，去 掉下标
du cV = dT
dh cp = dT
理想气体的cV 和cp也都只是温度的函数 小结：当温度一定时，理想气体的u， h，cV 和cp都是定值！
du cV = dT dh cp = dT
du = cV dT
dh = c p dT
Δu = u2 − u1 = ∫ cV (T ) dT
实际应用中，常见的气体如空气、氮气、氧 气、氢气、氦气、氩气、一氧化碳等均可视 为理想气体，在应用理想气体状态方程对这 些实际气体进行计算时，误差很小（一般在 1%以内）。 但是，对于火力发电厂装置中采用的水蒸气 或制冷装置中采用的工质氟利昂蒸汽等，不 能视为理想气体，即pv=RgT 不成立，需要借 助状态参数表（chapter9）
小结
⑴ pV = nRT (n mol) 状 ⑵ pV = mR T (m kg) g 态 方 ⑶ pv = R T (1 kg) g 程 dp dV dT dm + = + （变质量系统） ⑷ p V T m
使用状态方程时注意事项： 1、绝对压力 ，Pa 2、热力学温度 ， K 3、区分: 比体积v与体积V —— m3/kg, m3 气体常数Rg与通用气体常数R—— J /(kg⋅K), J/(mol ⋅K ) 气体常数Rg与气体种类有关，与状态无关； 通用气体常数R为恒量8.3145 J/(mol ⋅K )
若不加“可逆过程”条件，按吸热量计算—— cV = q = 0
关于cV 和cp的几点说明（5）
“热容”和“比热容”的概念也较为常用 物质在可逆过程中温度升高1 K（或1℃）所吸 收的热量称为热容，单位为J/K，符号为C； 单位质量的物质在可逆过程中温度升高1 K （或1℃）所吸收的热量称为比热容,单位为 J/(K·kg),符号为c
工程热力学第4章
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》教学课件第4-5章
工程热力学 Thermodynamics 二、摩尔气体常数及其他形式
由阿伏伽德罗定律知：在同温同压下任何气体的摩尔
体积都相等。
pVm 常数 R T
pVm RT
摩尔气体常数R，与气体种类和气体状态无关。
R 8.31431J/(mol K)
其他形式还有 pV mRgT 或 pV nRT
Rg
c t2
c
t2 0C
t2
c
t1 0C
t1
t1
t2 t1
工程热力学 Thermodynamics
（3）平均比热容的直线关系式：
c t2 t1
a bt
a b(t2
t1)
（4）定值比热容：
定值比热容表
工程热力学 Thermodynamics
三、理想气体的热力学能和焓及熵
du cVdT
；u
T2 T1
cV
dT
dh cpdT ；h
T2 T1
c
p
dT
真实比热容 平均比热容
u
T2 T1
cV
dT
u
cV
t2 t1
(t2
t1)
平均比热容（表）
u
cV
t2 0C
t2
cV
t1 0C
t1
定值比热容
u cV T cV t
h
T2 T1
c
p dThcpt2 t1(t2
t1 )
工程热力学 Thermodynamics
第四章 理想气体的热力性质
第一节 理想气体及其状态方程式 一、概述 二、状态方程：
pv RgT 称为克拉珀龙状态方程。
理想气体定义：凡是遵循克拉贝珀状态方程的气体
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。
理想气体的热力性质及基本热力过程
在p-v图中，绝热过程线比定温 过程陡，均为双曲线； 在T-s图中，定容过程线比定压 过程陡，均为指数曲线。
①n顺时针方向增大。两图的过 程线和区间一一对应。 ②dv>0, 功量为正。 ③ds>0, 热量为正。 ④dT>0→du>0，dh>0。
9
概念：定温过程是工质在变化过程中温度保持不 变的热力过程。对理想气体，定温过程也是定热 力学能过程和定焓过程。 u 0 1、过程方程式： T = 定值 h 0 2、基本状态参数间的关系式：
p1v1 p 2 v2 T1 T2
p1v1 p2v2
•定温过程中，压力与比容成反比
03-理想气体的热力性质及基本热力过 程--SCH
03-理想气体的热力性质及基本热力过 程--SCH
19
17
03-理想气体的热力性质及基本热力过 程--SCH
03-理想气体的热力性质及基本热力过 程--SCH
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理想气体概念与特点； 理想气体状态方程及应用，通用气体常数； 理想气体热力学能、焓、熵变化计算； 理想气体比热及类型，利用比热计算热量； 理想气体混合物的成分表示，分压力和分容积 定律； 四种典型热力过程的状态参数变化规律、在参 数坐标图的表示及特点； 四种典型热力过程的能量交换计算及特点。
03理想气体的热力性质及基本热力过程sch41理想气体的基本热力过程一研究热力过程的目的和方法一研究热力过程的目的和方法1研究目的过程中能量转换关系过程热量功量系统热力学能s图上的表示
4-1 理想气体的基本热力过程
一、研究热力过程的目的和方法
1、研究目的 ① 过程中能量转换关系（过程热量、功量，系统热力学能 和焓的变化）； Δu、Δh 和Δs 按前述的方法计算。 ② 状态参数的变化关系（p 、v 、T 、s）； ③ 过程曲线在p -v 图及T- s图上的表示。
工程热力学 第4章
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