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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,热能机械能是通过工质在热能动力装置中的一系列状态变化实现的。,对工质的要求:,物质三态中气态最适宜。,1）显著的涨缩能力,2）流动性,3）热容量,根据距液态的远近：,气态,气体,蒸气,3,3-1 理想气体,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
2、线运动，难以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。,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,实际气体就是不符合上述两点假设的气态物质。,4,3-1 理想气体,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(ideal-gas equation),通过理想气体状态方程计算的比体积,相对误差=,例如：已知P=1atm，T=300K，实测该条件下空气比体积0.849
3、25，,5,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),（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。,6,在真实的环境中，哪些可以看作理想气体？,一般来说，氩、氖、氦、氢、氧、氮、一氧化碳等临界温度低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，工程上常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体，如空气、燃气、烟
4、气等工质，在通常使用的温度、压力下都可以作为理想气体处理。而火力发电厂动力装置中采用的水蒸气、制冷装置的工质氟利昂蒸气、氮蒸气等，临界温度较高，蒸气在通常的工作温度和压力下离液态不远，就不能看作理想气体。地球大气（空气）中虽然含有少量水蒸气，但分子浓度度、分压力小，在温度不太低时，可视作理想气体。,7,32 理想气体的比热容,一、比热容(specific heat)定义和分类,定义：,分类：,按物量,质量热容（比热容）c J/(kgK)(specific heat capacity per unit of mass)体积热容 C J/（m3K）(volumetric specific heat
5、 capacity)摩尔热容 Cm J/（molK）(mole specific heat capacity),注：体积热容是指在标准状态下的体积。,物体温度升高1K或1所需热量叫热容,单位质量（1kg）物体温度升高1K或1所需热量,8,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 per 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
6、式,由于热量是过程量，因此比热容也是过程量，与经历的热力过程有关。,代入式（A）得,9,2.cV,定容过程 dv=0,若为理想气体,即定容比热仅是温度的函数,比热容的一般表达式,10,3.cp,据一般表达式,若为理想气体,Cp也仅是温度的函数,11,4.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,Cv不易测量，通过测量Cp，根据上式即可算出Cv,12,2)(理想气体)cp恒大于cV,物理解释:,13,定容,0,定压,b与c温度相同，均为(T+1)K,而,14,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
7、1 K对外作的功。,三、理想气体的比热容比(specific heat ratio；ratio of specific heat capacity),15,三、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,16,1.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,=面积amoda-面积bnodb,附表4,17,而,由此可制作出平均比热容表,附表5,18,附:线性
8、插值,19,例1 某燃气轮机动力装置的回热器中，空气从150C定压加热到350C，求每千克空气的加热量。,已知 T1=（150+273.15）K=423.15 K T2=（350+273.15）K=623.15 K,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,推论：对于理想气体，任何一个过程的热力学能（或焓）变化量都和温度变化相同的定容过程（或定压过程）热力学能（或焓）变化量相等。,21,0,0,对于定容过程膨胀功为0,对于定压过程技术功为0,对于理想气体，根据热力学第一定律解析式,22,若为任意
9、工质,?,?,对于理想气体一切同温限之间的过程u及h相同,且均可用cV T及cp T计算;对于实际气体u及h不仅与T 有关,还与过程有关且只有定容过程u=cVT,定压过程h=cp T。,23,2.热力学能和焓零点的规定 热工计算中只要求确定过程中热力学能或焓值的变化量，对无化学反应的热力过程，物系的化学能不变，可人为定义基准点，令其热力学能为零，但通常取 0 K。,如以0C时的焓值为起点，此时,则,24,附表7,其中各温度下的比焓h，就是取得出的。,25,三、理想气体的熵(entropy),1.定义,2.理想气体的熵是状态参数,其中：为1kg工质在微元可逆过程中与热源交换的热量；T是传热时工质
10、的热力学温度；ds是此微元过程中1kg工质的熵变，称为比熵变。,26,定比热,27,4.理想气体变比热熵差计算,附表7,3.零点规定:通常取基准状态（P0=101325Pa、T0=0K）下气体的熵,选定基准状态后，状态（T，p0）时的熵值为,任意状态（T，P）时s值为,则 数值仅取决于温度T，可依温度排列制表，如,即 比熵变,列出了1kg空气的S0,28,附表7,返回,29,34 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
11、行 的强烈汽化过程。,30,二、饱和状态(Saturated state),当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量饱和状态。,处于饱和状态下的蒸汽称为饱和蒸汽，液体称为饱和液体；此时气、液的温度相同饱和温度，Ts；蒸汽的压力饱和压力，ps。,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,饱和蒸汽的特点：在一定容积下不能再含有更多的蒸汽。,31,32,三、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;
12、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 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：,33,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。,34,四、饱和状态压力和温度的关系,表示饱和压力和饱和温度关系的状态参数图（P-T图）称相图。,水
13、的三相点(triple pint)：,相图中，气固、液固和气液相平衡曲线只表示饱和压力和饱和温度的对应关系，在某确定饱和压力（饱和温度）两相成分可自由变化。,三条相平衡曲线的交点称为三相点，即物质气、液、固三相平衡共存的状态。,液相比体积,35,预热,汽化,过热,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,35 水定压加热汽化过程,一、水定压加热汽化过程,过冷水（未饱和水）,饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,36,二、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(饱和水线)下界限线(饱和蒸汽线),三区,液,汽液共存,汽,五态,未饱
14、和水,饱和水,湿蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,水的状态可归纳为,饱和水和饱和蒸汽没有区别,37,各种工质均具有类似水的性质,38,36 水和水蒸气状态参数,水和水蒸气的状态参数可按不同区域，由给出的独立状态参数通过实际气体状态方程及其他一般关系式计算（通常由计算机计算）或查图表确定。,在动力工程中水蒸气不宜利用理想气体性质计算,水蒸气的参数均为实验和分析方法获得，列出数据表，并制图工工程计算使用。,39,一、零点规定,规定：三相点液态水 热力学能及熵为零,可近似为零,40,二、未饱和水（t，p）,查图表或由专用程序计算,三、饱和水和饱和水蒸气(ps和ts)查图表或由专用程序计算,压力不太高时，可
15、近似,四、过热蒸汽（p，t）,注意：过热蒸汽不可用类似未饱和 水的近似式，因cp变化复杂。,查图表或由专用程序计算。,41,五、湿饱和蒸汽,由ts（或ps）与x共同确定：,x较大时,未饱和水,过热蒸汽,湿饱和蒸汽,汽化潜热，即汽化过程加入的热量,42,37 水蒸气表和图,一、水蒸气表 1.饱和水和干饱和蒸汽表,43,2.未饱和水和过热蒸汽表,44,二、水蒸气的图,水蒸气的t s图,定压线,定容线,定干度线,从图上根据任意两个已知状态参数可求得其他各参数。,45,焓熵h s图,定压线斜率,定压线定温线定容线定干度线,湿蒸汽区，T=Ts，倾斜直线,过热蒸汽区，斜率随T增大而增大。,46,例：150 的液态水放在一密封容器内，试问水可能处于什么压力？,解：,查饱和蒸汽表，表 t1=150时 ps=0.475 71 MPa。,t1=150 ps=0.475 71 MPa,p 0.475 71 MPa,p 0.475 71 MPa,ts 150,ts150,因此,水可能处于p 0.475 71 MPa，若p 0.475 71 MPa则容器内150的水必定要变成过热蒸汽。,若压力分别为1MPa和0.2MPa，试问水的状态？,47,返回,48,返回,
