第四章 理想气体的热力过程
概 述
热能机械能的相互转化是靠工质在热力设备中吸热、膨胀、压缩等状态变化的过程来实现的，这个状态变化的过程就是热力过程，那么，在前面第一章研究的平衡状态，第二章研究理想气体的性质以及第三章研究分析开、闭口系热力状态变化的工具——热力学第一定律都是为这一章打基础。前面第三章已提到过相同的工质在相同的温度下，不同的热力过程，能量转化的状况是不同的。PVqq，00vpww膨技，，因此工程上实际过程多种多样、复杂、多变，不是可逆过程，据传递能量的工质不一不可能一一加以研究，何况逐个研究不总结规律性的知识用途也不大。因此，我们仍采用热力学常用的方法，对复杂多样的热力过程进行合理化的假设。认为是理想气体的可逆过程，这就是我们下面要研究的理想气体○V○P○T○S。
○P：例如各种环热设备，工质一面流动一面被加热，流动中克服阻力的压力降与其压力相比小很多，故认为压力不变。
○V：汽油机工作时，火花塞一点火，气缸内已被压缩的可燃混合气即燃烧，在一瞬间烧完，这期间气缸与外界无质量交换，活塞移动极微，可近似定容过程。
○T：如往复式压气机，气体在气缸中被压缩时温度升高，为了省功气缸周围有冷却水套，若冷却效果好，气缸中温度几乎不变，可近似定温过程。
○S：例气缸中燃烧产物在气缸中膨胀对外作功过程，由于工质与外界交换的热量很少可略去不计，认为是定熵过程。上述过程实际上是略去次要因素后的一个等同特征，就是过程中有一个状态参数不变，对理想气体()uft ()hft这研究起来就方便很多，而且只有实际意义。
4—1 研究热力过程的目的及方法
一． 目的
1．实现预期的能量转化，合理安排热力过程，从而来提高功力装置的热经济性。
2．对确定的过程，也可预计热功之多少。
二．解决的问题
1．根据过程特点，寻找过程方程式
2．分析状态参数在过程中的变化规律
3．确定热功转化的数量关系，及过程中,,uhs的变化
第四章 热力学第一定律(题号有所不同)
5－1.0.020Kg的氦气温度由 升为 ，若在升温过程中：（1）体积保持不变；（2）压强保持不变；（3）不与外界交换热量，试分别求出气体内能的改变，吸收的热量，外界对气体所作的功，设氦气可看作理想气体，且 ，
解：理想气体内能是温度的单值函数，一过程中气体温度的改变相同，所以内能的改变也相同，为：
热量和功因过程而异，分别求之如下：
（1）等容过程：
V=常量 A＝0
由热力学第一定律，
（2）等压过程：
由热力学第一定律，
负号表示气体对外作功，
（3）绝热过程
Q＝0
由热力学第一定律
5－2.分别通过下列过程把标准状态下的0.014Kg氮气压缩为原体积的一半；（1）等温过程；（2）绝热过程；（3）等压过程，试分别求出在这些过程中气体内能的改变，传递的热量和外界对气体所作的功，设氮气可看作理想气体，且 ，
解：把上述三过程分别表示在P-V图上，
（1）等温过程 理想气体内能是温度的单值函数，过程中温度不变，故
由热一、
负号表示系统向外界放热
（2）绝热过程
由 或
得
由热力学第一定律
另外，也可以由
及
先求得A
（3）等压过程，有
或 而
所以 ＝
＝
＝
由热力学第一定律，
也可以由 求之
另外，由计算结果可见，等压压缩过程，外界作功，系统放热，内能减少，数量关系为，系统放的热等于其内能的减少和外界作的功。
5－3 在标准状态下的0.016Kg的氧气，分别经过下列过程从外界吸收了80cal的热量。（1）若为等温过程，求终态体积。（2）若为等容过程，求终态压强。（3）若为等压过程，求气体内能的变化。设氧气可看作理想气体，且
解：（1）等温过程
则
故
（2）等容过程
（3）等压过程
5－4 为确定多方过程方程 中的指数n，通常取 为纵坐标， 为横坐标作图。试讨论在这种图中多方过程曲线的形状，并说明如何确定n。
工程热力学 第四章 热力学第二定律
1 第四章 热力学第二定律
4-1 设有一卡诺热机，工作在温度为1 200 K和300 K的两个恒温热源之间。试问热机每作出1
kW·h功需从热源吸取多少热量?向冷源放出多少热量?热机的热效率为若干?
解：卡诺热机效率%75120030011121,TTQWCt
吸收热量kJkJWQCt4800%753600,1
放出热量kJkJkJWQQ12003600480012
4-2 以空气为工质，在习题4一l所给的温度范围内进行卡诺循环。已知空气在定温吸热过程中压力由8 MPa降为2 MPa。试计算各过程的功和热量及循环的热效率(按空气热力性质表计算)。
解：（1）室温吸热过程1→2
kgkJMPaMPaKKkgkJppTRwwqgTtTT/606.47728ln1200)/(2871.0ln2111,11
（2）定熵膨胀过程2→3
kgkJkgkJkgkJuuws/26.719/07.214/33.93332
kgkJkgkJkgkJhhwst/6.977/19.300/79.127732,
0sq
（3）定温放热过程3→4
kgkJKKkgkJTTqwwqTTtTT/402.1191200300/606.4771222,22
（4）定熵压缩过程4→1
kgkJuuws/26.71914
kgkJhhwst/6.97714,
0sq
%7512003001112,TTCt
工程热力学 第四章 热力学第二定律
2
4-3 以氩气为工质，在温度为1200 K和
300 K的两个恒温热源之间进行回热卡诺循环(图4-
第四章多组分系统热力学
4.1有溶剂A与溶质B形成一定组成的溶液。此溶液中B的浓度为c
B，质
量摩尔浓度为b
B，此溶液的密度为。以M
A，M
B分别代表溶剂和溶质的摩尔
质量，若溶液的组成用B的摩尔分数x
B表示时，试导出x
B与c
B，x
B与b
B之间
的关系。
解：根据各组成表示的定义
4.3在25℃，1 kg水（A）中溶有醋酸（B），当醋酸的质量摩尔浓度bB介于
和之间时，溶液的总体积
求：（1）把水（A）和醋酸（B）的偏摩尔体积分别表示成b
B的函数关系。
（2）时水和醋酸的偏摩尔体积。
解：根据定义
当时
4.4
60℃时甲醇的饱和蒸气压是
84.4 kPa，乙醇的饱和蒸气压是
47.0 kPa。
二者可形成理想液态混合物。若混合物的组成为二者的质量分数各
50 %，求
60℃时此混合物的平衡蒸气组成，以摩尔分数表示。
解：甲醇的摩尔分数为
58980
0494650
04232500423250
.
...
x
B=
+=
4.5
80℃时纯苯的蒸气压为
100 kPa，纯甲苯的蒸气压为
38.7 kPa。两液体
可形成理想液态混合物。若有苯
-甲苯的气
-液平衡混合物，
80℃时气相中苯的摩
尔分数，求液相的组成。 解：
4.7
20℃下HCl溶于苯中达平衡，气相中HCl的分压为101.325 kPa时，溶液
中HCl的摩尔分数为0.0425。已知20℃时苯的饱和蒸气压为10.0 kPa，若20℃
时HCl和苯蒸气总压为101.325 kPa，求100 g苯中溶解多少克HCl。
解：设HCl在苯中的溶解符合亨利定律
HClHCl,xHClxkp
=
Pa.Pa.xp
k
HClHCl
HCl,x6
10×3842=04250101325
==
HCl,xHCl,x*HCl,x*
HClHCl,x*
HCl
kxkpxkxpxkxpppp
+1+=+
苯
苯苯苯
苯苯
苯苯总
）－＝（）－（＝＋＝
960
10×38421000010×3842101325
66
.
..
kpkp
x
HCl,x*HCl,x
