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1、1,第三章 气体和蒸气的性质Properties of gas and vapor,3-1 理想气体,3-2 理想气体的比热容,3-3 理想气体的热力学能、焓和熵,3-4 饱和状态、饱和温度和饱和压力,3-5 水的定压加热汽化过程,3-6 水和水蒸气状态参数,3-7 水蒸气图表和图,2,3-1 理想气体,分子为不占体积的弹性质点,除碰撞外分子间无作用力,理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。,一、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设,Pa,m3,kg,气体常数,单位为J/(kgK),K,R=MRg=8.314 5 J/(molK),二、理想气体的状态方程(id
2、eal-gas equation),3,考察按理想气体状态方程求得的空气在表列温度、压力条件下的比体积v，并与实测值比较。空气气体常数Rg=287.06 J/(kgK),计算依据,相对误差=,4,（1）温度较高，随压力增大，误差增大;,（2）虽压力较高，当温度较高时误差还不大，但温度较低，则误差极大;,（3）压力低时，即使温度较低误差也较小。,本例说明：低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。,例A411133,讨论理想气体状态方程式,5,32 理想气体的比热容,一、比热容(specific heat)定义和分类,定义：,c与过程有关c是温度的函数,分类：,按物量,质量热容（比热容）c J/(
3、kgK)(specific heat capacity per unit of mass)体积热容 C J/（Nm3K）(volumetric specific heat capacity)摩尔热容 Cm J/（molK）(mole specific heat capacity),注：Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”。,6,按过程,质量定压热容（比定压热容）(constant pressure specific heat capacity per unit of mass)质量定容热容（比定容热容）(constant volume specific heat capacity p
4、er unit of mass),及,二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式,1.比热容一般表达式,7,2.cV,定容过程 dv=0,若为理想气体,温度的函数,代入式（A）得,比热容的一般表达式,8,3.cp,据一般表达式,若为理想气体,cp是温度函数,9,4.cp-cV,迈耶公式（Mayers formula）,5.讨论,1)cp与cV均为温度函数,但cpcV恒为常数：Rg,10,2)(理想气体)cp恒大于cV,物理解释:,11,定容,0,定压,b与c温度相同，均为(T+1)K,而,12,c)气体常数Rg的物理意义,Rg是1 kg某种理想气体定压升高1 K对外作的功。,三、理想气体的比
5、热容比(specific heat ratio；ratio of specific heat capacity),注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数(adiabatic exponent;isentropic exponent),例A902355,13,三、利用比热容计算热量,原理:,对cn作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法:真实比热容积分 利用平均比热表 利用平均比热直线 定值比热容,14,1.利用真实比热容(true specific heat capacity)积分,2.利用平均比热容表(mean specific heat capacity),T1,T2均为变量,制表太繁复,=
6、面积amoda-面积bnodb,附表4,15,而,由此可制作出平均比热容表,附表5,16,附:线性插值,17,3.平均比热直线式,令cn=a+bt,则,即为,区间的平均比热直线式,1)t 的系数已除过2 2)t 需用t1+t2代入,注意:,附表6,18,4.定值比热容(invariable specific heat capacity)据气体分子运动理论，可导出,多原子误差更大,19,单原子气体 i=3,双原子气体 i=5,多原子气体 i=6,20,33 理想气体热力学能、焓和熵,1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数,2),一、理想气体的热力学能和焓,1)因理想气体分子间无作用力,21,三、
7、理想气体的熵(entropy),1.定义,2.理想气体的熵是状态参数,22,定比热,23,3.零点规定:通常取标准状态下气体的熵为零,4.理想气体变比热熵差计算,令,则,制成表则,附表7,例A9101331,例A4111551,例A4111552,24,34 饱和状态、饱和温度和饱和压力,一、汽化和液化(vaporization and liquefaction),汽化：由液态到气态的过程,蒸发：在液体表面进行的汽化过程,液化：由气相到液相的过程,沸腾：在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。,25,二、饱和状态(Saturated state),当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上
8、气、液两相保持一定的相对数量饱和状态。,饱和状态的温度饱和温度，ts(Ts)(Saturated temperature)饱和状态的压力饱和压力，ps（Saturated pressure）,加热，使温度升高如 t，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps。,所以,一一对应，只有一个独立变量，即,如,26,27,三、几个名词 饱和液(saturated liquid)处于饱和状态的液体：t=ts 干饱和蒸汽(dry-saturated vapor;dry vapor)处于饱和状态的蒸汽：t=ts 未饱和液(unsaturated liquid)温度低于所处压力下饱和温度的液体：t
9、ts,t ts=d 称过 热度(degree of superheat)。湿饱和蒸汽(wet-saturated vapor;wet vapor)饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts,使未饱和液达饱和状态的途径：,28,干度（dryness）,（湿度 y=1x）,x,0,1,饱和液,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w 或 x 表示。,29,四、饱和状态压力和温度的关系,1.吉布斯相律,对于多元（如k个组元）多相（如f个相）元化学反应的热力系，其独立参数，即自由度 n=k f+2,例：水在液相（或固相、气相）k=1，F=1，故n=1-1+2，此时压力，温度均可独立变
10、化。水在汽液共存时k=1，f=2，故n=1，此时压力和温度中仅有一个可自由变化。三相点：k=1，f=3 故n=0,水的三相点(triple pint)：,?,30,2.克拉贝隆方程,分别为汽化潜热(heat of vaporization)、熔解热(heat of fusion)和升华热(heat of sublimation)。,分析：1）因、为“+”；T为“+”；故相平衡线 斜率正负由体积差决定；2）三相点处不光滑。,31,35 水定压加热汽化过程,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,v v,v=v,v=v,v v v,v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸
11、汽,h h,h=h,h=h,h h h,h h,s s,s=s,s=s,s s s,s s,32,二、水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图,一点临界点Critical point,两线,上界限线下界限线,三区,液,汽液共存,汽,五态,未饱和水,饱和水,湿蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,33,各种工质均具有类似水的性质,34,37 水蒸气表和图,状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量,未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可,饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或T,湿饱和蒸汽，p和T不独立，汽液两相,35,水和水蒸气状态参数确定的原则,1、未饱和水及过热蒸汽,确定任意两个独立参数，如：p、T,2、饱和水
12、和干饱和蒸汽,确定p或T,3、湿饱和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例有关,36,两相比例由干度x确定,定义,干饱和蒸汽,饱和水,对干度x的说明：,0 x 1,在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,37,湿饱和蒸汽区状态参数的确定,如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度x,h,v,s,38,水和水蒸气表,两类,2、未饱和水和过热蒸汽表,1、饱和水和干饱和蒸汽表,39,饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）,饱和水和饱和水蒸气表（按压强排列）,40,未饱和水和过热蒸汽表（节录）,41,表的出处和零点的规定,原则上可任取零点，
13、国际上统一规定。,但 原则上不为0，对水：,表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。,焓、内能、熵零点的规定：,水的三相点,42,查表举例（1）,查表时先要确定在五态中的哪一态。,例.1 已知：p=1MPa,试确定t=100,200 各处于哪个状态？,ts(p)=179.88,t=100 ts,未饱和水,t=200 ts,过热蒸汽,43,查表举例（2）,已知 t=250,5kg 蒸气占有0.2m3容积,试问蒸气所处状态?h=?,t=250,湿蒸汽状态,44,查表举例（2）,已知 t=250,5kg 蒸气占有0.2m3容积,试问蒸气所处状态?h=?,t=250,湿蒸汽状态,
