第三章热能转换物质的热力性和热力过程PPT讲稿.ppt

第三章热能转换物质的热力性和热力过程第1页，共77页，编辑于2022年，星期二第三章第三章 热能转换物质的热力性和热力过程热能转换物质的热力性和热力过程一一 理想气体理想气体1、宏观定义、宏观定义 若基本状态参数若基本状态参数 p、v、T 满足方程满足方程这样的气体称为理想气体。这样的气体称为理想气体。2、微观定义、微观定义假定：假定：(1)气体分子是些弹性的、不占体积的质点；气体分子是些弹性的、不占体积的质点；(2)气体分子间没有相互作用力。气体分子间没有相互作用力。理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力趋理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力趋近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程中很近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。第一节第一节 理想气体的热力性质理想气体的热力性质第2页，共77页，编辑于2022年，星期二二二 理想气体状态方程理想气体状态方程根据理想气体宏观定义根据理想气体宏观定义:令常数为令常数为Rg单位：单位：pPa；vm3/kg;TK;RgJ/(kg.K)Rg为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常数为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常数请看请看p250附录附录A-2 若若物质的质量物质的质量m以以kg为单位，为单位，物质的量物质的量n以以mol为单位，用为单位，用M表表示物质的摩尔质量，则示物质的摩尔质量，则1mol气体的体积以气体的体积以Vm表示，表示，第3页，共77页，编辑于2022年，星期二对式（对式（32）两边同乘以）两边同乘以M得得对于各种气体的气体常数的对于各种气体的气体常数的 所以所以MRg与物质的种类无关与物质的种类无关。（。（也与状态无关也与状态无关）令）令R MRg，R 称为摩尔气体常数。取标准状态参数得称为摩尔气体常数。取标准状态参数得由于由于1摩尔的任何气体在压力摩尔的任何气体在压力 p,温度温度 T 的状态下的摩尔体积相等。的状态下的摩尔体积相等。第4页，共77页，编辑于2022年，星期二理想气体状态方程可有以下四种形式理想气体状态方程可有以下四种形式：第5页，共77页，编辑于2022年，星期二三三 理想气体的比热容理想气体的比热容1、比热容的定义、比热容的定义物体升高物体升高1K所需的热量称为热容，以所需的热量称为热容，以C表示，表示，1kg物质升高物质升高1K所需的热量称为比热容，单位所需的热量称为比热容，单位J(kg.K),以以c表示，表示，1mol物质的比热容称为摩尔热容，单位物质的比热容称为摩尔热容，单位J(mol.K)，符号为，符号为Cm 比热比热 c 应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常用的应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常用的有比定容比热容和比定压比热容。有比定容比热容和比定压比热容。第6页，共77页，编辑于2022年，星期二2、理想气体的定压比热容和定容比热容、理想气体的定压比热容和定容比热容应用第一定律，并假定过程可逆则有：应用第一定律，并假定过程可逆则有：热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作用力，热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作用力，所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度有关，所以所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度有关，所以理理想气体的热力学能是温度的单值函数想气体的热力学能是温度的单值函数,即即u=u(T),而而h=u+pvu+RgT,所以所以理想气体的焓也是温度的单位函数理想气体的焓也是温度的单位函数，即，即h=h(T).第7页，共77页，编辑于2022年，星期二3、理相气体定压比热容与定容比热容的关系、理相气体定压比热容与定容比热容的关系即：即：上式乘摩尔质量上式乘摩尔质量M，则有：则有：式（式（316）和（）和（316a）称为）称为迈耶公式迈耶公式。(1)、迈耶公式、迈耶公式*(2)、比热容比、比热容比第8页，共77页，编辑于2022年，星期二4、理想气体比热容的计算、理想气体比热容的计算(1)、真实比热容、真实比热容 附录附录A-3(p250)中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方经验关系式。中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方经验关系式。第9页，共77页，编辑于2022年，星期二(2)、平均比热容表、平均比热容表对于一个定压过程，如果要计算过程的吸热量，则对于一个定压过程，如果要计算过程的吸热量，则称为平均定压比热容。称为平均定压比热容。第10页，共77页，编辑于2022年，星期二(3)、平均比热容直线关系、平均比热容直线关系 上式称为比热容的线性上式称为比热容的线性关系。附录关系。附录A-5p252给出了一给出了一些常用气体的平均比热容些常用气体的平均比热容直线关系式。直线关系式。第11页，共77页，编辑于2022年，星期二4、定值比热容、定值比热容 由分子运动论也可导出由分子运动论也可导出1mol理想气体的热力学能理想气体的热力学能由些得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。由些得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。第12页，共77页，编辑于2022年，星期二i 是分子运动的自由度，单原子是分子运动的自由度，单原子 i 3，双原子，双原子 i5，多原子取，多原子取i71.291.401.67多原子气体（i7）双原子气体（i5）单原子气体（i3）理想气体定值摩热容和比热容比理想气体定值摩热容和比热容比R8.3143J(mol.K)第13页，共77页，编辑于2022年，星期二四四 理想气体的热力学能、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵由上式可得由上式可得1、热力学能与焓、热力学能与焓当比热容取定值时当比热容取定值时若取若取0 K作为零点则作为零点则第14页，共77页，编辑于2022年，星期二2、状态参数熵、状态参数熵熵的定义式为（以后要证明）熵的定义式为（以后要证明）下标下标rev表示可逆，可逆时有表示可逆，可逆时有当比热容取定值时当比热容取定值时(不讲变比热容熵差计算不讲变比热容熵差计算)第15页，共77页，编辑于2022年，星期二五五 理想气体混合物理想气体混合物1、理想气体的分压力定律、理想气体的分压力定律 及分容积律及分容积律p1、p2、p3称为分压力，并有称为分压力，并有上式称为道尔顿分压力定律。上式称为道尔顿分压力定律。由质量守恒得：由质量守恒得：状态方程状态方程(1)、分压力定律、分压力定律第16页，共77页，编辑于2022年，星期二(2)、理想气体的分容积定律、理想气体的分容积定律V1、V2、V3称为分容积，并有称为分容积，并有上式称为亚美格分容积定律。上式称为亚美格分容积定律。质量守恒质量守恒状态方程状态方程第17页，共77页，编辑于2022年，星期二2、混合物的成分、混合物的成分(1)质量成分质量成分(2)摩尔成分摩尔成分(3)容积成分容积成分由式（由式（b)、(d)及及(f)可得：可得：第18页，共77页，编辑于2022年，星期二3、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数由式（由式（f）可知，理想气体混合物也满足状态方式）可知，理想气体混合物也满足状态方式pV=nRT。对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式Meq称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得：称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得：折合气体常数折合气体常数Rg,eq式（式（a)或式（或式（c）求得）求得折合气体常数折合气体常数Rg,eq可写成可写成第19页，共77页，编辑于2022年，星期二4、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵1kg混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即定压比热容和定容比热容可写成：定压比热容和定容比热容可写成：根据比热容的定义式得根据比热容的定义式得(1)、比热容、比热容混合气体吸收的总热量混合气体吸收的总热量第20页，共77页，编辑于2022年，星期二(2)、热力学能和焓、热力学能和焓第21页，共77页，编辑于2022年，星期二(3)、混合气体的熵、混合气体的熵第22页，共77页，编辑于2022年，星期二请看思考题第23页，共77页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程一一 研究热力过程的目的及一般方法研究热力过程的目的及一般方法1、目的、目的2、一般方法、一般方法(1)、对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为几对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为使问题，种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为使问题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可逆过程。暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可逆过程。揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，进而找出影响转化的主要因素。进而找出影响转化的主要因素。(2)、用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。(3)、考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。第24页，共77页，编辑于2022年，星期二本章分析理想气体热力过程的具体方法本章分析理想气体热力过程的具体方法1)、根据过程特点确定过程方程式，得到、根据过程特点确定过程方程式，得到 p=f(v).2)、用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。、用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。3)、在、在p-v、T-s图上画出过程曲线。图上画出过程曲线。4)、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。5)、计算过程中膨胀功、技术功和过程热量。、计算过程中膨胀功、技术功和过程热量。本节研究理想气体的可逆过程。本节研究理想气体的可逆过程。第25页，共77页，编辑于2022年，星期二二二 四个基本热力过程分析四个基本热力过程分析1、定容过程、定容过程(1)、过程方程、过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系(3)、在、在p-v、T-s图图第26页，共77页，编辑于2022年，星期二(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量第27页，共77页，编辑于2022年，星期二2、定压过程、定压过程(1)、过程方程、过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系(3)、在、在p-v、T-s图图第28页，共77页，编辑于2022年，星期二(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量第29页，共77页，编辑于2022年，星期二3、定温过程、定温过程(1)、过程方程、过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系(3)、在、在p-v、T-s图图第30页，共77页，编辑于2022年，星期二(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量第31页，共77页，编辑于2022年，星期二4、定熵过程、定熵过程定熵过程绝热过程定熵过程绝热过程+可逆过程可逆过程对于理想气体可逆绝热过程（对于理想气体可逆绝热过程（定熵过程定熵过程），由第一定律得：），由第一定律得：第32页，共77页，编辑于2022年，星期二 令令，称为过程指数。定熵过程的过程指数等于比热比。称为过程指数。定熵过程的过程指数等于比热比。对于一般气体的可逆绝热过程（定熵过程）有对于一般气体的可逆绝热过程（定熵过程）有(1)、定熵过程方程、定熵过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系第33页，共77页，编辑于2022年，星期二(3)、在、在p-v、T-s图图第34页，共77页，编辑于2022年，星期二(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量对于可逆过程，还可得：对于可逆过程，还可得：第35页，共77页，编辑于2022年，星期二技术功技术功对于可逆过程，可得：对于可逆过程，可得：第36页，共77页，编辑于2022年，星期二三三 多变过程分析多变过程分析1、多变过程方程、多变过程方程2、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系第37页，共77页，编辑于2022年，星期二3、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化4、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量第38页，共77页，编辑于2022年，星期二技术功技术功第39页，共77页，编辑于2022年，星期二过程热量过程热量cn 称为多过程的比热容称为多过程的比热容第40页，共77页，编辑于2022年，星期二5、在、在p-v、T-s图图 多变过程方程式为多变过程方程式为 pvn=常数，这里常数，这里n为变量，为变量，n取不同的可得到取不同的可得到不同的过程。不同的过程。当当n0时，时，p常数，则为定压过程常数，则为定压过程当当n1时，时，pv常数，则为定温过程常数，则为定温过程当当n时，时，pv 常数，则为定熵过程常数，则为定熵过程当当n时，时，v 常数，则为定容过程常数，则为定容过程 因此，把多变过程表示在因此，把多变过程表示在p-v图上时，要选画出四个基本热力过程，图上时，要选画出四个基本热力过程，然后再根据然后再根据 n 值的大小画出相应的多变过程。值的大小画出相应的多变过程。第41页，共77页，编辑于2022年，星期二四个基本热力过程四个基本热力过程第42页，共77页，编辑于2022年，星期二多变过程多变过程 在在p-v、T-s图上用图上用 T 的正负判断的正负判断u、h的正负，的正负，用用s正负判正负判断断 q 的正负；用的正负；用v的正负判断的正负判断 w 的正负。的正负。第43页，共77页，编辑于2022年，星期二热力过程计算公式表热力过程计算公式表第44页，共77页，编辑于2022年，星期二第45页，共77页，编辑于2022年，星期二请看思考题第46页，共77页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 水水 蒸蒸 气气一一 水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程第47页，共77页，编辑于2022年，星期二五个状态五个状态a点点:过冷和水过冷和水(未饱和液体未饱和液体)b点点:饱和水饱和水(液体液体)c点点:湿饱和蒸气湿饱和蒸气 d点点:干饱和蒸气干饱和蒸气 e点点:过热蒸气过热蒸气(过热度过热度t=t ts)两条线两条线饱和液体线饱和液体线A饱和气体线饱和气体线临界点临界点(一个点一个点)pcr=22.064MPa Tcr=647.14K vcr=0.003106m3/kg一点、两线、三区、五个状态一点、两线、三区、五个状态三三 相相 线线第48页，共77页，编辑于2022年，星期二二二 水和水蒸气的状态参数水和水蒸气的状态参数pcr=22.064 MPa Tcr=647.14K vcr=0.003106 m3/kg1、临界点参数、临界点参数2、三相点参数、三相点参数3、零点的规定、零点的规定ttp=0.01 ptp=611.659 Pa 以水的三相点状态下的饱和液体为基准点，并规定：以水的三相点状态下的饱和液体为基准点，并规定：第49页，共77页，编辑于2022年，星期二饱和压力与饱和温度饱和压力与饱和温度饱和压力饱和压力 ps 与饱和温度与饱和温度 ts 一一对应，即一一对应，即ps=f(ts)称为蒸气压方程称为蒸气压方程 临界现象临界现象实实 验验 装装 置置第50页，共77页，编辑于2022年，星期二降温法测量现象降温法测量现象第51页，共77页，编辑于2022年，星期二 物质的相图物质的相图(p)第52页，共77页，编辑于2022年，星期二第53页，共77页，编辑于2022年，星期二三三 水和水蒸气的表和图水和水蒸气的表和图1、水和水蒸气表、水和水蒸气表(1)、饱和水与饱和蒸汽热力性质表表 在饱和线上，只有一个独立变量，可以饱和温度或饱和压力为自变量来设计表格。这样就有两种形式的饱和水与饱和蒸汽热力性质表。饱和液体的参数用饱和液体的参数用 表示；饱和气体的参数用表示；饱和气体的参数用 表示。表示。第54页，共77页，编辑于2022年，星期二（1）饱和水与饱和蒸汽表（以温度排列）第55页，共77页，编辑于2022年，星期二（2）饱和水与饱和蒸汽表（以压力排列）第56页，共77页，编辑于2022年，星期二在湿饱和蒸气区在湿饱和蒸气区,定义干度定义干度 xmg饱和蒸气的质量,mv饱和水的质量湿饱和蒸气的状态参数为:第57页，共77页，编辑于2022年，星期二(2)、未饱和水与过热蒸汽热力性质表表未饱和水与过热蒸汽热力性质表表 在未饱和区和过热区，有两个独立变量，可以温度和压力为自变量来设计表格。第58页，共77页，编辑于2022年，星期二第59页，共77页，编辑于2022年，星期二第60页，共77页，编辑于2022年，星期二2、水蒸气的图、水蒸气的图(1)p-v图(定性分析)(2)T-s图(定性分析)三三 相相 线线等压线等压线第61页，共77页，编辑于2022年，星期二(3)h-s图(定量分析)hsx=1tpxx=0v第62页，共77页，编辑于2022年，星期二基本方程可逆过程四四 水蒸气基本热力过程水蒸气基本热力过程1、定容过程2、定压过程3、定温过程4、定熵过程第63页，共77页，编辑于2022年，星期二第四节第四节 湿湿 空空 气气湿空气湿空气:干空气干空气:干空气干空气 +水蒸气水蒸气氧气氧气 +氮气氮气湿空气可作为理想气体混合物，所以，它具有理想气体混合物的所湿空气可作为理想气体混合物，所以，它具有理想气体混合物的所有特性。有特性。如：状态方程；分压力；各种成分表示方法等。如：状态方程；分压力；各种成分表示方法等。第64页，共77页，编辑于2022年，星期二一湿空气的状态参数一湿空气的状态参数1、温度：、温度：t,T 2、压力：、压力：总压力：总压力：p ,干空气的分压力干空气的分压力 pa，水蒸气的分压力，水蒸气的分压力 pv p=pa+pv饱和湿空气饱和湿空气:湿空气中的水蒸气处于饱和状态湿空气中的水蒸气处于饱和状态.s未饱和湿空气未饱和湿空气:湿空气中的水蒸气处于过热状态湿空气中的水蒸气处于过热状态.vv vs=v 第65页，共77页，编辑于2022年，星期二第66页，共77页，编辑于2022年，星期二3、露点温度、露点温度水蒸气分压力下的饱和温度称为湿空气的露点温度。水蒸气分压力下的饱和温度称为湿空气的露点温度。td=f(pv)第67页，共77页，编辑于2022年，星期二4、相对湿度、相对湿度湿空气的湿空气的绝对绝对湿度湿度定定义为义为：v 同一温度下，饱和湿空气的绝对湿度为同一温度下，饱和湿空气的绝对湿度为 s=相对湿度定义为：相对湿度定义为：值的大小反映了湿空气干燥的程度，同时也反映了湿空气吸收水值的大小反映了湿空气干燥的程度，同时也反映了湿空气吸收水分有能力分有能力第68页，共77页，编辑于2022年，星期二5、湿空气的含湿量、湿空气的含湿量 若湿空气中的干空气质量为若湿空气中的干空气质量为 ma，水蒸气的质量为，水蒸气的质量为mv，则含，则含湿量的定义为湿量的定义为第69页，共77页，编辑于2022年，星期二6、湿空气的焓、湿空气的焓湿空气的总焓为湿空气的总焓为 H，干空气污染的焓为，干空气污染的焓为 a，水蒸气的焓为，水蒸气的焓为 Hv,则则第70页，共77页，编辑于2022年，星期二二相对湿度的测量二相对湿度的测量湿空气的状态参数有湿空气的状态参数有 在在 p、t 确定之后，后五个参数只有一个独立变量，也就是五个中确定之后，后五个参数只有一个独立变量，也就是五个中只要知道一个参数，状态就确定了。只要知道一个参数，状态就确定了。用干湿球温度计可以测量相对湿度用干湿球温度计可以测量相对湿度第71页，共77页，编辑于2022年，星期二干湿球温度计测量相对湿度的原理干湿球温度计测量相对湿度的原理第72页，共77页，编辑于2022年，星期二干湿球温度计测量相对湿度的原理干湿球温度计测量相对湿度的原理第73页，共77页，编辑于2022年，星期二湿球温度湿球温度 tw 也是状态参数也是状态参数相对湿度越下，湿球温度越低。相对湿度越下，湿球温度越低。实际应用中，列出实际应用中，列出 t,t 的表格，可得到相对湿度的值。的表格，可得到相对湿度的值。第74页，共77页，编辑于2022年，星期二三湿空气的焓湿图三湿空气的焓湿图(hd)第75页，共77页，编辑于2022年，星期二四湿空气的热力过程四湿空气的热力过程1、加热过程、加热过程 2、冷却过程、冷却过程 3、冷却除湿过程、冷却除湿过程 4、绝热加湿过程、绝热加湿过程 5、绝热混合过程、绝热混合过程 第76页，共77页，编辑于2022年，星期二思考题思考题(97)第77页，共77页，编辑于2022年，星期二