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1、第三章 气体和蒸汽的性质,第三章 气体和蒸汽的性质,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律 2、工质的,工程热力学的两大类工质,1、理想气体（ ideal gas）,可用简单的式子描述 如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等,2、实际气体（ real gas）,不能用简单的式子描述，真实工质 火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等,工程热力学的两大类工质 1、理想气体（ ideal gas）,1. 分子之间没有作用力 2. 分子本身不占容积,
2、但是, 当实际气体 p 很小, V 很大, T不太低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。,理想气体模型,现实中没有理想气体,1. 分子之间没有作用力 但是, 当实,当实际气体 p 很小, V 很大, T不太低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。,哪些气体可当作理想气体,T常温，p7MPa的双原子分子,理想气体,O2, N2, Air, CO, H2,如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等,三原子分子（H2O, CO2)一般不能当作理想气体,特殊，如空调的湿空气，高温烟气的CO2 ，可以,当实际气体 p 很小, V 很大, T不太,3-1 理想气体状态方程,理
3、想气体定义：,凡遵循克拉贝龙(Clapeyron)方程的气体,四种形式的克拉贝龙方程：,R 与Rg,摩尔容积Vm,状态方程,统一单位,3-1 理想气体状态方程 理想气体定义：凡遵循克拉贝龙(,摩尔容积Vm,阿伏伽德罗假说: 相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积Vm相同,在标准状况下,Vm常用来表示数量,摩尔容积Vm阿伏伽德罗假说:在标准状况下Vm常用来表示数量,R与Rg的区别,R通用气体常数 (与气体种类无关),Rg气体常数 (随气体种类变化),M-摩尔质量,例如,R与Rg的区别R通用气体常数 (与气体种类无关,计算时注意事项,1、绝对压力,2、温度单位 K,3、统一单位（最好均用国际单位
4、）,计算时注意事项 1、绝对压力2、温度单位 K3、统一单位（,计算时注意事项实例,V=1m3的容器有N2，温度为20 ，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。,1）,2）,3）,4）,计算时注意事项实例 V=1m3的容器有N2，温度,3-2 比热容,计算内能, 焓, 热量都要用到热容,定义: 比热容,单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量,c : 质量比热容,Cm: 摩尔比热容,C: 容积比热容,Cm=Mc=22.414C,3-2 比热容计算内能, 焓, 热量都要用到热容定义:,T,s,(1),(2),1 K,比热容是过程量还是状态量?,c1,c2,用的最多的某些特定过程
5、的比热容,定容比热容,定压比热容,Ts(1)(2)1 K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的,定容比热容cv,任意准静态过程,u是状态量，设,定容,物理意义： v 时1kg工质升高1K内能的增加量,定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设 定容物理意,定压比热容cp,任意准静态过程,h是状态量，设,定压,物理意义： p 时1kg工质升高1K焓的增加量,定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设 定压物理意,cv和cp的说明,1、 cv 和 cp ，过程已定, 可当作状态量 。,2、前面的推导没有用到理想气体性质， 所以,3、 h、u 、s的计算要用cv 和 cp 。,适用于任何气体。,cv
6、和cp的说明1、 cv 和 cp ，过程已定, 可当作,常见工质的cv和cp的数值,0oC时：,cv,air= 0.716 kJ/kg.K cp,air= 1.004 kJ/kg.K,cv,O2= 0.655 kJ/kg.K cp,O2= 0.915 kJ/kg.K,1000oC时：,cv,air= 0.804 kJ/kg.K cp,air= 1.091 kJ/kg.K,cv,O2= 0.775 kJ/kg.K cp,O2= 1.035 kJ/kg.K,25oC时：,cv,H2O= cp,H2O= 4.1868 kJ/kg.K,常见工质的cv和cp的数值0oC时：cv,air= 0.71,3-
7、3 理想气体的u、h、s和热容,一、理想气体的u,1843年焦耳实验，对于理想气体, v T 不变,3-3 理想气体的u、h、s和热容一、理想气体的u,理想气体的内能u,理气绝热自由膨胀 p v T 不变,理想气体u只与T有关,理想气体的内能u理气绝热自由膨胀 p v T 不变,理想气体内能的物理解释,内能内动能内位能,T, v,理想气体无分子间作用力，内能只决定于内动能,? 如何求理想气体的内能 u,T,理想气体内能的物理解释内能内动能内位能T, v,理想气体内能的计算,理想气体,实际气体,理想气体内能的计算理想气体，任何过程理想气体 实际气体,理想气体的焓,理想气体,实际气体,理想气体h只
8、与T有关,理想气体的焓理想气体实际气体理想气体h只与T有关理想气体，任,熵的定义:,可逆过程,理想气体,理想气体的熵,pv = RgT,仅可逆适用？,熵的定义: 可逆过程 理想气体理想气体的熵pv = R,一般工质:,理想气体：,迈耶公式,理想气体的热容,令,比热比,一般工质: 理想气体：迈耶公式理想气体的热容令比热比,1、按定比热,2、按真实比热计算,3-4 理想气体热容、u、h和s的计算,3、按平均比热法计算,理想气体热容的计算方法：,h、u 、s的计算要用cv 和 cp,1、按定比热 2、按真实比热计算3-4 理想气体热容、,分子运动论,1、按定比热计算理想气体热容,运动自由度,单原子,
9、双原子,多原子,Cv,mkJ/kmol.K,Cp,m kJ/kmol.K,k,1.67,1.4,1.29,分子运动论1、按定比热计算理想气体热容运动自由度单原子双原子,2、按真实比热计算理想气体的热容,根据实验结果整理,理想气体,2、按真实比热计算理想气体的热容根据实验结果整理 理想气体,3、按平均比热计算理想气体的热容,t,t2,t1,c(cp ,cv),附表 5,c=f (t),摄氏,求O2在100-500平均定压热容,3、按平均比热计算理想气体的热容t t2 t1,1.,2. cv 为真实比热,3. cv 为平均比热,理想气体 u的计算,4. 若为空气，直接查 附表7,1. 2. cv
10、为真实比热3. cv 为平均,1.,2. cp 为真实比热,3. cp 为平均比热,理想气体 h的计算,4. 若为空气，直接查 附表7,1. 2. cp 为真实比热3. cp 为平均,1、若定比热,理想气体s的计算,1、若定比热理想气体s的计算理想气体，任何过程,理想气体 s的计算,2、真实比热(经验式),选择精确的真实比热容经验式,算得熵变,理想气体 s的计算2、真实比热(经验式)选择精确的真实比热,理想气体 s的计算,2、真实比热(查表),取基准温度 T0=0K, P0=101325Pa,若为空气，查 附表7得,状态(T, P0)时,查 附表8,理想气体 s的计算2、真实比热(查表)取基准
11、温度 T0=0,例1:某种理想气体作自由膨胀，求：s12。,解：1）因容器刚性绝热， 气体作自由膨胀,即T1=T2,0,理想气体 s计算举例,例1:某种理想气体作自由膨胀，解：1）因容器刚性绝热，即T1,又因为是闭口系，m不变，而V2=2V1,0,上述两种结论哪一个对？为什么？,为什么熵会增加？,既然,?,又因为是闭口系，m不变，而V2=2V10上述两种结论哪一个对,结论： 1）,必须可逆,2）熵是状态参数，故用可逆方法推出的公式也 可用于不可逆过程。,3）不可逆绝热过程的熵变大于零。,理想气体 s计算举例,结论：必须可逆2）熵是状态参数，故用可逆方法推出的公式也3）,例2: 1kg空气从初态
12、p1=0.1MPa，t1=100c，经历某种变化后到终态 p2=0.5MPa，t2=1000c, 求：熵变。(1) 取定比热。（2）用查表法。,解：（1）,例2: 解：,2）,查表,2）查表,3-4 水蒸气的饱和状态和相图,一、汽化与凝结汽化物质由液态转变为气态的过程,3-4 水蒸气的饱和状态和相图一、汽化与凝结,汽化方式 蒸发：汽化过程在液体表面发生沸腾：汽化过程在液体表面及内部同时发生凝结物质由气态转变为液态的过程。凝结的速度取决于空间蒸气的压力。,汽化方式,二、饱和状态,饱和状态,二、饱和状态液体分子脱离其表面的汽化速度气体分子回到液体中的,饱和温度和饱和压力处于饱和状态的气、液温度相同
13、，称为饱和温度ts，蒸气的压力称为饱和压力ps,饱和温度和饱和压力,三相点ptp称为三相点压力，对应的饱和温度ttp称为三相点温度。三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱和压力。三相点是固、液、气三相共存的状态，各种物质在三相点的温度与压力分别为定值，但比体积则随固、液、气三相的混合比例不同而异。,水的三相点温度和压力值：,三相点水的三相点温度和压力值：,3-5 水的汽化过程和临界点,工业上所用的水蒸气都是在定压加热设备中产生的。一般经过三个阶段：,预热阶段汽化阶段过热阶段,3-5 水的汽化过程和临界点工业上所用的水蒸气都是在定压,水蒸气定压发生过程图,水蒸气定压发生过程图,预热阶段,饱和水,未
14、饱和水（过冷水）,状态及状态参数：,这个阶段所需的热量称为液体热 ql,预热阶段饱和水未饱和水（过冷水） 状态及状态参数： 这个阶,汽化阶段,干饱和蒸气,饱和水,湿饱和蒸气,湿饱和蒸气：饱和水与饱和蒸气混合物,这个阶段所需的热量称为汽化潜热 g,汽化阶段干饱和蒸气饱和水湿饱和蒸气湿饱和蒸气：饱和水与饱和蒸,干度x：湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。,干度x：,过热阶段,过热蒸气,干饱和蒸气,这个阶段所需的热量称为过热热 qsup。 t-ts称为过热度,过热阶段过热蒸气干饱和蒸气 这个阶段所需的热量称为过热热,相变图,一点：临界点 二线：上界线和下界线三区：液态区、湿蒸气区及过热区五态：未饱和水
15、、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸气及过热蒸气,相变图一点：临界点 二线：上界线和下界线,当温度超过一定值tc时，液相不可能存在，而只可能是气相。 tc称为临界温度，对应的饱和压力pc称为临界压力。临界参数是物质的固有常数，如水的临界参数：,临界点,当温度超过一定值tc时，液相不可能存在，而只可能是气相。,36水和水蒸气的状态参数,水与水蒸气的状态参数p、v、t、h、s均可从水蒸气图表中查到，图表中没有的参数，可根据参数间的一般关系计算得到，如u按u=h-pv计算。,36水和水蒸气的状态参数水与水蒸气的状态参数p、v、t、,一、零点规定水及水蒸气的参数计算中不必求其绝对值，仅求其增量或减少量，故可规定
16、一任意起点。国际水蒸气会议规定，水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定其热力学能及熵为0，即对于t0=ttp=0.01C、p0=ptp=611.659 Pa的饱和水有：,一、零点规定,忽略水的压缩性，即比体积v不变，又温度不变，则: uo=u0=0, w=0 q=0 so=so=0, h0= uo+p0 v0=0,二、温度为0.01oC、压力为P的过冷水,忽略水的压缩性，即比体积v不变，又温度不,饱和水状态：,三、温度为t、压力为P的饱和水,三、温度为t、压力为P的饱和水,四、压力为P的干饱和蒸汽,五、压力为p的湿饱和蒸汽,四、压力为P的干饱和蒸汽五、压力为p的湿饱和蒸汽,一、蒸气
17、表,饱和水及干饱和蒸气表(表3-6)未饱和水及过热蒸气表(表3-7),查表,蒸气表,判断工质所处的状态查相应的表或进行相应的计算,36水蒸气表和图,一、蒸气表饱和水及干饱和蒸气表(表3-6)查表蒸气表判断,水蒸气表 1.饱和水和干饱和蒸汽表,水蒸气表,2.未饱和水和过热蒸汽表,2.未饱和水和过热蒸汽表,情况一：已知（p,t） 查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度ts(p)（或饱和压力ps(t) ）：,在湿蒸气区，p、t不是两个独立的变量，因此不能由p、t确定状态点。,情况一：已知（p,t）在湿蒸气区，p、t不是两个独立的变量，,情况二：已知p（或t）及某一比参数y（v或s或h）：查饱和表得
18、已知压力（或温度）下的y、y”：,在湿蒸气区干度及其它参数的的计算：,情况二：已知p（或t）及某一比参数y（v或s或h）：在湿蒸气,例题,利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确定其h,s值：(1) t=45.8C，v0.00101m3/kg(2) t=200C, x=0.9(3) p=0.5 MPa, t=165C(4) p=0.5 MPa,v0.545m3/kg,参见P85例题,例题利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确定其h,s值：参见P,二、蒸气的热力性质图,h-s图,-v图及T-s图,二、蒸气的热力性质图 h-s图 p-v图及T-s图,水蒸气的焓熵（h-s）图,定压线群,湿蒸汽区，T=Ts，直线,过热蒸汽区，斜率随T增大而增大,0,水蒸气的焓熵（h-s）图定压线群湿蒸汽区，T=Ts，直线过,工程热力学第三章气体和蒸汽的性质课件,
