实际气体的热力性质课件.ppt

现在学习的是第1页，共32页 理想气体为永久气体，不存在气理想气体为永久气体，不存在气-液相变的问题液相变的问题 理想气体有较为简单的状态方程和热力性质理想气体有较为简单的状态方程和热力性质:理想气体遵循状态方程理想气体遵循状态方程Pv=RgT；理想气体的热力学能、焓和比热容都仅为温度的函数理想气体的热力学能、焓和比热容都仅为温度的函数)(Tfu)(Tfh TcuvTchpTucddvThcdd P理想气体遵循迈耶公式理想气体遵循迈耶公式 cp cv=Rg，且有，且有 1gvkRcgP1Rkkc现在学习的是第2页，共32页理想气体有下列熵变表达式：理想气体有下列熵变表达式：PPRTTcsdddgPvvRTTcsdddgvPPcvvcsdddvP现在学习的是第3页，共32页已得出的对理想气体和实际气体均适用的一些结论已得出的对理想气体和实际气体均适用的一些结论:wuqtwhq热力学第一定律热力学第一定律 定容比热和定压比热的定义定容比热和定压比热的定义 vv)(TucPP)(Thc焓的定义式焓的定义式 Pvuh可逆定容过程可逆定容过程 uTcqvv0vwvv)(cTsT可逆定压过程可逆定压过程 hTcqpp0twpp)(cTsT绝热过程绝热过程 uwhwt；（无论可逆与否）（无论可逆与否）现在学习的是第4页，共32页纯物质纯物质系统：化学成分均匀一致的物质系统系统：化学成分均匀一致的物质系统相相：物质内部性质均匀一致的某种聚集体：物质内部性质均匀一致的某种聚集体 相与相之间存在着相与相之间存在着相界面相界面，界面两边的物质的物理性质或化，界面两边的物质的物理性质或化学性质各不相同学性质各不相同 纯物质的纯物质的汽汽、液液、固固三相在一定条件下可以平衡共存，也三相在一定条件下可以平衡共存，也可以在外界的作用下相互转化可以在外界的作用下相互转化 通常物质发生相变时通常物质发生相变时体积体积要发生要发生变化变化；伴有；伴有相变潜热。相变潜热。相变相变时的体积变化和相变潜热的大小与发生相变时的具体条件时的体积变化和相变潜热的大小与发生相变时的具体条件有关有关 对于一种物质，对于一种物质，压力一定，相变潜热一定压力一定，相变潜热一定 就同一物质而言，就同一物质而言，不同集态将形成不同的相不同集态将形成不同的相现在学习的是第5页，共32页汽化：汽化：指物质由液态转变为气态的过程指物质由液态转变为气态的过程 汽化过程包括蒸发和沸腾两种现象：汽化过程包括蒸发和沸腾两种现象：蒸发蒸发特指发生在液体表面上的汽化过程，可在特指发生在液体表面上的汽化过程，可在任何温任何温度下度下发生发生 沸腾沸腾在液体内部发生并产生大量气泡的汽化过程。沸在液体内部发生并产生大量气泡的汽化过程。沸腾过程腾过程只在沸点下只在沸点下才会发生；才会发生；一定压力对应一定的沸点一定压力对应一定的沸点 物质的汽化潜热随压力增大而减少物质的汽化潜热随压力增大而减少凝结：凝结：指物质由气态转变为液态的过程，也称液化指物质由气态转变为液态的过程，也称液化汽化潜热：汽化潜热：汽化过程中汽化过程中1 kg液态物质（饱和液）完全汽化所液态物质（饱和液）完全汽化所需的热量需的热量现在学习的是第6页，共32页 沸腾时，系统中汽、液两相随时都沸腾时，系统中汽、液两相随时都是能够是平衡共存的，即系统时刻处是能够是平衡共存的，即系统时刻处于于饱和饱和状态状态饱和现象：饱和现象：系统中液化和汽化过程达到动态平系统中液化和汽化过程达到动态平衡，汽、液两相平衡共存，各自质量不变衡，汽、液两相平衡共存，各自质量不变 沸点即饱和温度沸点即饱和温度汽化汽化液化液化现在学习的是第7页，共32页1v111”Pvv”1 安德鲁用安德鲁用CO2进行定温压缩试验进行定温压缩试验，很好地说明了物质气，很好地说明了物质气-液相变过液相变过程的特点，人称安德鲁试验程的特点，人称安德鲁试验 CO2气体在气体在T1下定温压缩至下定温压缩至对应的对应的一定压力一定压力P1（比体积（比体积v”1）时开始液化）时开始液化 T1P1 继续定温压缩只是液体增多，不再升继续定温压缩只是液体增多，不再升压，过程既压，过程既定温又定压定温又定压 从起始到完全液化的整个过程中，除起始状态为气态，终了从起始到完全液化的整个过程中，除起始状态为气态，终了时为液态外，系统内一直处于时为液态外，系统内一直处于气气-液两相平衡液两相平衡的状态的状态饱和饱和状态，其中液相的质量份额从状态，其中液相的质量份额从0逐渐增大到逐渐增大到1，而汽相的质，而汽相的质量份额则从量份额则从1降到降到0 最终最终CO2气体完全压缩成为液体（比体积气体完全压缩成为液体（比体积v1）开始液化时为开始液化时为饱和蒸汽饱和蒸汽；液化结束时为液化结束时为饱和液体饱和液体现在学习的是第8页，共32页1v111”Pvv”1T1P1 继续对继续对CO2液体液体进行定温压缩，结进行定温压缩，结果压力急剧升高，不再保持与温度对应果压力急剧升高，不再保持与温度对应的关系，比体积减少极小的关系，比体积减少极小液体近液体近似为不可压缩似为不可压缩 1L 提高温度至提高温度至T2，重复上述压缩过程重复上述压缩过程T2 气体要到气体要到对应对应较高的压力较高的压力P2，较小的比体积较小的比体积v”2 时才开始液化时才开始液化 P2v”2 液化完成时的比体积液化完成时的比体积v2则较大则较大 v2 液体的压缩与前述过程一样液体的压缩与前述过程一样 现在学习的是第9页，共32页1v111”Pvv”1T1P11LT2 对对CO2气体，若在气体，若在304.19K下定温下定温压缩，过程进行到压缩，过程进行到Pc=7.382 MPa，vc=0.00213675m3/kg时将发生从气体到时将发生从气体到液体的连续过渡，不再出现定温液体的连续过渡，不再出现定温-定定压的过程段，过程曲线在该处出现一压的过程段，过程曲线在该处出现一拐点拐点 该点称为临界点。临界参数是该点称为临界点。临界参数是物质的重要特性物质的重要特性c 超过临界温度后，再不可能把气体压缩成液体，气体将超过临界温度后，再不可能把气体压缩成液体，气体将一直保持为气态，其定温压缩线随温度升高愈来愈接近于一直保持为气态，其定温压缩线随温度升高愈来愈接近于等腰双曲线（表现出理想气体特性）等腰双曲线（表现出理想气体特性）联结液化开始和结束的各点，成为上界限线和下界限线联结液化开始和结束的各点，成为上界限线和下界限线，交汇于临界点，交汇于临界点c上界限线下界限线 原则上认为气体一旦压缩到临界点原则上认为气体一旦压缩到临界点c立即全部液化立即全部液化现在学习的是第10页，共32页1v111”Pvv”1T11Lc上界限线下界限线 普遍说来，实际气体在普遍说来，实际气体在P-v图上图上显现出来的所有状态，按不同类型显现出来的所有状态，按不同类型汇集起来可用汇集起来可用“1点、点、2线、线、3区、区、5态态”一语概括：一语概括：5态态：过热蒸汽、（干）饱和：过热蒸汽、（干）饱和蒸汽、湿蒸汽、饱和液体、未饱蒸汽、湿蒸汽、饱和液体、未饱和液体；和液体；2线线：饱和汽线（上界限线）、饱和液线（下界限线）：饱和汽线（上界限线）、饱和液线（下界限线）1点点：临界点：临界点c；3区区：过热汽区（临界等温线上段与上界限线以右区域）、：过热汽区（临界等温线上段与上界限线以右区域）、湿蒸汽区（上、下界限线之间的钟罩型区域）、湿蒸汽区（上、下界限线之间的钟罩型区域）、未饱和液区（临界等温线上段与下界限线以左区域）未饱和液区（临界等温线上段与下界限线以左区域）Tc过热汽未饱和液湿蒸汽现在学习的是第11页，共32页 临界参数临界参数是物质的一种重要特性。临界状态下物质的汽、是物质的一种重要特性。临界状态下物质的汽、液两相没有区别液两相没有区别(v=v”)，相界面消失；不存在温度超过，相界面消失；不存在温度超过Tc而能而能够处于稳定平衡态的液体。在超临界压力的情况下，原则上液够处于稳定平衡态的液体。在超临界压力的情况下，原则上液体被加热到临界温度时立刻全部汽化体被加热到临界温度时立刻全部汽化液体的温度不可能超过临界温度液体的温度不可能超过临界温度T Tc c 按饱和温度与饱和压力相对应，并且随压力增大而提高的按饱和温度与饱和压力相对应，并且随压力增大而提高的关系说来，上述实际气体从气态转变到液态时所经历的关系说来，上述实际气体从气态转变到液态时所经历的5种状种状态可作如下定义：态可作如下定义：过热蒸汽过热蒸汽：一定压力下温度高于对应饱和温度的蒸汽一定压力下温度高于对应饱和温度的蒸汽 湿蒸汽湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液的机械混合物（平衡共存）饱和蒸汽与饱和液的机械混合物（平衡共存）饱和蒸汽饱和蒸汽：一定压力下温度等于对应饱和温度的蒸汽一定压力下温度等于对应饱和温度的蒸汽 饱和液体饱和液体：一定压力下温度等于对应饱和温度的液体一定压力下温度等于对应饱和温度的液体 未饱和液未饱和液：一定压力下温度低于对应饱和温度的液体一定压力下温度低于对应饱和温度的液体。或说，或说，一定温度下压力低于对应的饱和蒸汽压的气体一定温度下压力低于对应的饱和蒸汽压的气体 现在学习的是第12页，共32页BCAPtD汽态tc固态液态6.4 三相点三相点(triple point)在纯物质的在纯物质的P-v-T 关系中，存在一关系中，存在一个称为个称为三相点三相点的汽、液、固三相平的汽、液、固三相平衡共存的特殊状态衡共存的特殊状态 三相点是物质的一种容易复现的具有唯一性的状态三相点是物质的一种容易复现的具有唯一性的状态 表明物质汽表明物质汽-液液-固三相相互转换固三相相互转换关系的关系的P-t 图称作三相图图称作三相图 图中图中AD升华曲线升华曲线 AC汽化曲线汽化曲线 AB熔解曲线熔解曲线 A 为三相点为三相点 由于只在临界温度以下才存在液态物质，所以汽化线由于只在临界温度以下才存在液态物质，所以汽化线AC止于临界等温线处止于临界等温线处 升华熔解汽化线上两相平衡共存线上两相平衡共存现在学习的是第13页，共32页水的三相点参数为：水的三相点参数为：Ptri=611.2 Pa Ttri=273.16 K vtri=0.00100022 m3/kg 现在学习的是第14页，共32页关于水的熵和热力学能的起算零点关于水的熵和热力学能的起算零点 国际会议国际会议约定：对约定：对H2O，取，取三相点三相点(0.01，611.659Pa)下下液液态水态水的的熵熵和和热力学能热力学能为零为零 按此约定，三相点下液态水的按此约定，三相点下液态水的焓焓近似等于零近似等于零 水的三相点接近为水的三相点接近为0，所以进一步更粗略地可以认为：，所以进一步更粗略地可以认为：0下液态水的焓、熵、热力学能均为零下液态水的焓、熵、热力学能均为零同温度而压力不同的液态水其熵相同，热同温度而压力不同的液态水其熵相同，热力学能相同，焓相差很小力学能相同，焓相差很小 液态水液态水近似为近似为不可压缩不可压缩流体流体 锅炉及各种蒸汽发生器中产生水蒸气的过程，绝大多数可理想锅炉及各种蒸汽发生器中产生水蒸气的过程，绝大多数可理想化为化为定压过程定压过程；这些装置一般属于；这些装置一般属于开口系统开口系统现在学习的是第15页，共32页水的定压汽化过程水的定压汽化过程未饱和水未饱和水定压加热定压加热沸腾（汽化）沸腾（汽化）产生饱和蒸汽产生饱和蒸汽系统中为系统中为饱和水饱和水+饱和蒸汽饱和蒸汽饱和水饱和水升温至沸点升温至沸点（饱和温度）（饱和温度）继续加热继续加热温度不变温度不变继续加热继续加热（湿蒸汽）（湿蒸汽）全部饱和水汽全部饱和水汽化完毕化完毕干饱和蒸汽干饱和蒸汽继续加热继续加热升温，超过饱升温，超过饱和温度和温度过热蒸汽过热蒸汽水蒸气的水蒸气的T-s图图 将上述未饱和水定压汽化过将上述未饱和水定压汽化过程表示到程表示到T-sT-s图上图上 将未饱和水（一定压力，常温）在定压下进行加热：将未饱和水（一定压力，常温）在定压下进行加热：sT饱和温度饱和温度现在学习的是第16页，共32页 将将T-sT-s图上各定压汽化过图上各定压汽化过程中水所经历的全部状态程中水所经历的全部状态分类型联结起来，亦显示分类型联结起来，亦显示出出1 1点、点、2 2线、线、3 3区、区、5 5态特征态特征的（所有物质均如此）的（所有物质均如此）sT临界等温线临界等温线下界限线下界限线(饱和水饱和水)上界限线上界限线(饱饱和汽和汽)临界点临界点cTc湿蒸汽区湿蒸汽区过热蒸汽区过热蒸汽区未饱和未饱和水区水区 水的临界温度水的临界温度Tc=373.99 临界压力临界压力Pc=22.064MPa 名义上虽然临界等温线上段与下界限线以左区域为未饱和水区名义上虽然临界等温线上段与下界限线以左区域为未饱和水区，不过，受液态水的不可压缩性影响，未饱和水的状态几乎都集，不过，受液态水的不可压缩性影响，未饱和水的状态几乎都集中在下界限线上中在下界限线上下界限线上的点实际上既是饱和水的状态，下界限线上的点实际上既是饱和水的状态，近似地也是未饱和水的状态近似地也是未饱和水的状态（不同资料有出入）（不同资料有出入）现在学习的是第17页，共32页未饱和水的状态参数未饱和水的状态参数 未饱和水的压力与温度可以独立变化未饱和水的压力与温度可以独立变化 对对0的未饱和水近似有的未饱和水近似有s0=0，u0=0，h0=0 压力一定时，未饱和水的参数压力一定时，未饱和水的参数v、h、s均均随温度升高而增大随温度升高而增大 温度一定时，未饱和水的参数温度一定时，未饱和水的参数v、s均均随压力升高而减小；焓随压力升高而减小；焓h则随压力升高而增大则随压力升高而增大不过，它们的变化都很微小不过，它们的变化都很微小现在学习的是第18页，共32页 温度与压力有着对应的关系，压力愈高对应的饱和温度愈高温度与压力有着对应的关系，压力愈高对应的饱和温度愈高，Ts,max=Tc饱和水及饱和水蒸气的状态参数饱和水及饱和水蒸气的状态参数 习惯上对饱和水的参数符号加上标（习惯上对饱和水的参数符号加上标（），对饱和水蒸汽，对饱和水蒸汽的参数符号加上标（的参数符号加上标（”）以示区别以示区别 汽化时，定压过程实际上也是定温过程，因此汽化时，定压过程实际上也是定温过程，因此 r 汽化潜热汽化潜热 h”=h+Ts(s”s)=h+r 仅凭温度或压力即可确定饱和水或饱和汽的状态仅凭温度或压力即可确定饱和水或饱和汽的状态 汽化潜热随压力升高而减小，汽化潜热随压力升高而减小，至临界压力时至临界压力时rc=0 饱和水的参数饱和水的参数v、h、s均随压力升高而增大均随压力升高而增大 饱和水蒸汽则相反，其饱和水蒸汽则相反，其v”、s”随压力升高而减小；随压力升高而减小；h”先是先是随压力升高而增大，因受汽化潜热随压力升高而增大，因受汽化潜热r下降的影响，当压力升至下降的影响，当压力升至约约3MPa后，反随压力升高而减少后，反随压力升高而减少现在学习的是第19页，共32页湿蒸气的状态参数湿蒸气的状态参数 湿蒸汽的干度湿蒸汽的干度(x)：系统中饱和汽所占有的质量份额：系统中饱和汽所占有的质量份额 若系统中饱和水及饱和汽的质量分别为若系统中饱和水及饱和汽的质量分别为mw和和mv，则，则wvvmmmx 不同干度下的湿蒸汽参数，只能按压力或温度查得对应的饱和不同干度下的湿蒸汽参数，只能按压力或温度查得对应的饱和水及饱和水蒸汽的参数利用干度计算求得：水及饱和水蒸汽的参数利用干度计算求得：vx=xv”+(1 x)v=v+x(v”v)x v”hx=xh”+(1 x)h=h+x(h”h)=h+x rsx=xs”+(1 x)s=s+x(s”s)=s+sTrx由以上各式可得以下干度表达式：由以上各式可得以下干度表达式：xxxhhhhssssvvvvx现在学习的是第20页，共32页过热水蒸气的状态参数过热水蒸气的状态参数 过热汽的温度和压力可以独立变化，通常其状态常以过热汽的温度和压力可以独立变化，通常其状态常以(P,t)形式给定形式给定 当压力一定而温度提高时，过热汽的当压力一定而温度提高时，过热汽的h、s、v均提高；均提高；当温度一定而压力提高时，过热汽的当温度一定而压力提高时，过热汽的h、s、v均降低；均降低；就相同压力而比较，过热汽的就相同压力而比较，过热汽的t、h、s、v均较饱和汽的大均较饱和汽的大现在学习的是第21页，共32页水和水和水蒸气热力性质表水蒸气热力性质表 饱和水与饱和饱和水与饱和水蒸气热力性质表水蒸气热力性质表、按压力排列、按压力排列 饱和水及饱和水蒸汽的热力性质表分有按压力排列和按温饱和水及饱和水蒸汽的热力性质表分有按压力排列和按温度排列两种，实质上它们是一样的度排列两种，实质上它们是一样的现在学习的是第22页，共32页 按温度排列按温度排列现在学习的是第23页，共32页未饱和水与过热未饱和水与过热水蒸气热力性质表水蒸气热力性质表 未饱和水未饱和水过热蒸汽过热蒸汽现在学习的是第24页，共32页水蒸气焓水蒸气焓-熵图熵图 水蒸汽热力过程多可近似化水蒸汽热力过程多可近似化为绝热过程和定压过程。这两为绝热过程和定压过程。这两种过程的技术功和吸热量均为种过程的技术功和吸热量均为过程的焓差，因此使用焓过程的焓差，因此使用焓-熵熵图求解过程时有其独特的方图求解过程时有其独特的方便之处性质表便之处性质表 焓焓-熵图上也有上、下界限线及临界点，但由于仅使用于过熵图上也有上、下界限线及临界点，但由于仅使用于过热汽及干度较高的湿蒸汽，因此通常印出的只是它的右上部热汽及干度较高的湿蒸汽，因此通常印出的只是它的右上部分，未包括下界限线和临界点分，未包括下界限线和临界点现在学习的是第25页，共32页定温线定温线湿蒸汽区内定压线即定温线；过热区内定温线凹向湿蒸汽区内定压线即定温线；过热区内定温线凹向下，斜向右上方，逐渐趋向成为水平线下，斜向右上方，逐渐趋向成为水平线定温线以上部的温度值为高定温线以上部的温度值为高定容线定容线凹向上，斜向右上方，斜率大于定压线。在图凹向上，斜向右上方，斜率大于定压线。在图中常套色印出中常套色印出定干度线定干度线汇集于临界点，凹向下，斜向左、右下方汇集于临界点，凹向下，斜向左、右下方 焓焓-熵图上给出各种定值线熵图上给出各种定值线群，计有：群，计有：定压线定压线在湿蒸汽区内为倾在湿蒸汽区内为倾斜向上的直线段斜向上的直线段定压线以上部的压力值为大定压线以上部的压力值为大在过热区则为凹向上的指数曲线在过热区则为凹向上的指数曲线 恒量Tshp)(现在学习的是第26页，共32页第第6次作业：次作业：7-4、7-12（提示：视为可逆绝热过程；沈书（提示：视为可逆绝热过程；沈书所附答案有误，正确值应为所附答案有误，正确值应为2.864MPa，-105.65kJ）完成作业所需的水蒸汽表可从网上下载，或查阅其他同类完成作业所需的水蒸汽表可从网上下载，或查阅其他同类教材教材现在学习的是第27页，共32页例例6-1（习题（习题7-6）1 kg水蒸气由水蒸气由P1=3 MPa、t1=450可逆绝可逆绝热膨胀至热膨胀至P2=0.004 MPa，试确定终点状态参数，试确定终点状态参数t2、v2、h2、s2，并求过程功，并求过程功w和技术功和技术功wt。附水蒸气表（节录）：附水蒸气表（节录）：饱和水与饱和蒸气表饱和水与饱和蒸气表 未饱和水与过热蒸气表未饱和水与过热蒸气表 现在学习的是第28页，共32页解：解：h1=3344.4 kJ/kg，v1=0.1078 m3/kgs1=7.0847 kJ/(kgK)因因 s1=s2=7.0847 kJ/(kgK)s s2 s”依依P2=0.004 MPa查饱和水蒸气表，知查饱和水蒸气表，知 故知终态为故知终态为湿蒸汽湿蒸汽状态。由此状态。由此 sT21t1P1P2S”S据终态湿蒸汽压力据终态湿蒸汽压力P2可查得其可查得其温度温度 t2=28.98 终态终态湿蒸汽湿蒸汽的的干度干度 由饱和水蒸气表知，由饱和水蒸气表知，3MPa时饱和温度为时饱和温度为233.84，故初态为，故初态为过热蒸汽过热蒸汽状态。状态。查过热水蒸气表，得查过热水蒸气表，得现在学习的是第29页，共32页终态湿蒸汽的终态湿蒸汽的比体积比体积v2=x2v”+(1 x2)v=0.8274 34.803+0.1726 0.001=28.796 m3/kg终态湿蒸汽的终态湿蒸汽的焓焓h2=x2 h”+(1 x2)h=0.8274 2554.1+0.1726 121.41=2134.28 kJ/kg 8274.04224.04747.84224.00847.722ssssx初态湿蒸汽的初态湿蒸汽的比热力学能比热力学能u1=h1P1v1=3344.430 105 0.1078 103=3021 kJ/kg过程功过程功w=u=30212019.1=1001.9 kJ/kg技术功技术功wt=h=3344.42134.28=1210.12 kJ/kg 终态湿蒸汽的终态湿蒸汽的比热力学能比热力学能u2=h2P2v2=2134.280.04 105 28.796 103=2019.1 kJ/kg现在学习的是第30页，共32页内储压力为内储压力为5MPa的饱和水和饱和蒸汽，的饱和水和饱和蒸汽，其中汽和水的质量之比为其中汽和水的质量之比为1 9。将饱和水。将饱和水通过阀门排出容器，使容器内蒸汽和水的通过阀门排出容器，使容器内蒸汽和水的总质量减为原来的一半。若容器内温度保总质量减为原来的一半。若容器内温度保持不变，试问容器内工质最终处于什么状持不变，试问容器内工质最终处于什么状态？剩余的质量是多少？态？剩余的质量是多少？例例6-2（习题（习题7-10改）改）解：解：按题意，容器内工质的初始状态为湿蒸汽，其干度按题意，容器内工质的初始状态为湿蒸汽，其干度 x1=1/(9+1)=0.1 查饱和水蒸气表，查饱和水蒸气表，5 MPa时，时，v=0.0012862 m3/kg；v”=0.039439 m3/kg 容器内工质的初始比体积容器内工质的初始比体积 图图7-14所示刚性容器的容积为所示刚性容器的容积为3 m3，现在学习的是第31页，共32页感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第32页，共32页