3-气体和蒸汽的性质.ppt

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1、第三章第三章 气体和蒸气的性质气体和蒸气的性质Properties of gas and vapor1 3-1 理想气体理想气体一、一、理想气体与实际气体理想气体与实际气体 工质通常采用气态物质：工质通常采用气态物质：气体气体或或蒸气蒸气。气体气体：远离液态，不易液化。：远离液态，不易液化。蒸气蒸气：离液态较近，容易液化。：离液态较近，容易液化。工程热力学工程热力学按描述方法来分按描述方法来分，分为两大类，分为两大类 1 1、理想气体（理想气体（ideal gasideal gas）可可用用简单简单的式子描述。的式子描述。如汽车发动机和航空发动机以空气为主的如汽车发动机和航空发动机以空气为主的

2、燃气燃气、空调中的空调中的湿空气湿空气等。等。2、实际气体（、实际气体（real gas）不不能用能用简单简单的式子描述，真实工质。火力发电的的式子描述，真实工质。火力发电的水水和和水蒸气水蒸气、制冷空调中、制冷空调中制冷工质制冷工质等等2二、理想气体二、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设的基本假设（1 1）理想气体分子的体积忽略不计；理想气体分子的体积忽略不计；理想气体的基本假设理想气体的基本假设：（2 2）理想气体分子之间无作用力；理想气体分子之间无作用力；（3 3）理理想想气气体体分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁壁的的碰碰撞撞都都是是弹弹

3、性性碰碰撞。撞。理想气体在自然界并不存在，但常温下，压力不超过5 MPa的O2、N2、H2、CO等实际气体及其混合物都可以近似为理想气体。另外，大气或燃气中少量的分压力很低的水蒸气也可作为理想气体处理。3三三.理想气体状态方程式理想气体状态方程式 又又称称克克拉拉贝贝龙龙方方程程式式(Clapeyron equation)。Rg为为气气体体常常数数，单单位位为为J/(kgK)，其其数数值值取取决决于于气气体体的的种种类，与气体状态无关。类，与气体状态无关。对质量为对质量为m 的理想气体的理想气体:1.1.理想气体状态方程理想气体状态方程(ideal-gas equation)PaKm3/kgJ

4、/(kgK)m3kg4物质的量物质的量与与摩尔质量摩尔质量的关系：的关系：1 1kmol物质的质量数值与气体的物质的质量数值与气体的相对分子质量相对分子质量的数值相同。的数值相同。摩尔质量摩尔质量与气体的与气体的相对分子量相对分子量之间的关系：之间的关系：物质的量：物质的量：n，单位：单位：mol（摩尔）。摩尔）。摩尔质量：摩尔质量：M ，1 mol物质的质量，物质的质量，kg/mol。2.2.摩尔质量和摩尔体积摩尔质量和摩尔体积5摩尔体积：摩尔体积：Vm ，1 mol物质的体积，物质的体积，m3/mol。在在标准状态（标准状态（p01.01325105Pa，T0273.15K）下，下，1mo

5、l任意气体的体积同任意气体的体积同为0.0224141m36令令，则得，则得R 称为称为摩尔气体常数摩尔气体常数。根根据据阿阿佛佛伽伽德德罗罗定定律律，同同温温、同同压压下下任任何何气气体体的的摩摩尔尔体体积积Vm都都相相等等，所所以以任任何何气气体体的的摩摩尔尔气气体体常常数数R都都等等于于常常数数，并并且与气体所处的具体状态无关。且与气体所处的具体状态无关。3.摩尔气体常数摩尔气体常数7气体常数气体常数Rg 与与摩尔气体常数摩尔气体常数R的关系：的关系：可得可得物质的量为物质的量为 n 的的理想气体的状态方程式理想气体的状态方程式由式由式8不同物理量时理想气体状态方程：不同物理量时理想气体

6、状态方程：1kg气体：气体：1mol气体：气体：质量为质量为m的气体：的气体：物质的量为物质的量为n的气体的气体9理想气体状态方程的应用 1 1、求、求平衡态下平衡态下的参数；的参数；2 2、两平衡状态间两平衡状态间参数的计算；参数的计算；3 3、标准标准状态与状态与任意任意状态密度间的换算；状态密度间的换算；4 4、求气体、求气体体积膨胀系数。体积膨胀系数。运用理想气体状态方程时，应注意：运用理想气体状态方程时，应注意：p必须采用绝对压力，不能用表压力；必须采用绝对压力，不能用表压力；T必须采用热力学温度必须采用热力学温度K，不能用摄氏温度，不能用摄氏温度；理想气体状态方程描述平衡状态下的参

7、数之间的关系；理想气体状态方程描述平衡状态下的参数之间的关系；注意各单位的协调统一。注意各单位的协调统一。1032 理想气体的比热容理想气体的比热容一、比热容一、比热容(specific heat)定义和分类定义和分类定义：定义：c与过程有关与过程有关c是温度的函数是温度的函数分类：分类：按按物量物量质量热容质量热容（比热容）比热容）c J/(kgK)(specific heat capacity per unit of mass)体积热容体积热容 C J/（Nm3K）(volumetric specific heat capacity)摩尔热容摩尔热容 Cm J/（molK）(mole sp

8、ecific heat capacity)注：注：Nm3为为非法定表示法，标准表示法为非法定表示法，标准表示法为“标准标准m3”。11按过程按过程质量定压热容（比定压热容）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）质量定容热容（比定容热容）(constant volume specific heat capacity per unit of mass)及及二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式1.比热容一般表达式比热容

9、一般表达式122.cV定容过程定容过程 dv=0若为若为理想气体理想气体温度的函数温度的函数代入式（代入式（A）得）得比热容的一般表达式比热容的一般表达式133.cp据一般表达式据一般表达式若为理想气体若为理想气体cp是是温度函数温度函数144.cp-cV迈耶公式（迈耶公式（Mayers formula）5.讨论讨论1)cp与与cV均均为为温度函数温度函数,但但cpcV恒恒为为常数：常数：Rg152)(理想气体理想气体)cp恒恒大于大于cV物理解释物理解释:16定容定容0定压定压b与与c温度相同，均为温度相同，均为(T+1)K而而17c)气体常数气体常数Rg的的物理意义物理意义Rg是是1 kg

10、某种理想气体定压升高某种理想气体定压升高1 K对外作的功。对外作的功。三、理想气体的比热容比三、理想气体的比热容比 (specific heat ratio；ratio of specific heat capacity)注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数(adiabatic exponent;isentropic exponent)1833 理想气体热力学能、焓和熵理想气体热力学能、焓和熵1.理想气体热力学能和焓仅是理想气体热力学能和焓仅是温度温度的函数的函数2)一、理想气体的热力学能和焓一、理想气体的热力学能和焓1)因理想气体分子间无作用力因理想气体分子间

11、无作用力19讨论讨论：如图如图：0020若为若为任意工质任意工质?对于对于理想气体理想气体一切同温限之间的过程一切同温限之间的过程u及及h相同相同,且均可用且均可用cV T及及cp T计算计算;对于对于实际气体实际气体u及及h不仅与不仅与T 有关有关,还与过程有关且只有还与过程有关且只有定容过程定容过程u=cVT,定压过程定压过程h=cp T。2.热力学能和焓零点的规定热力学能和焓零点的规定 可任取参考点可任取参考点,令其热力学能为零令其热力学能为零,但通常取但通常取 0 K。21二、利用气体热力性质表计算热量二、利用气体热力性质表计算热量22三、三、理想气体的熵理想气体的熵(entropy)

12、1.定义定义2.理想气体的熵是状态参数理想气体的熵是状态参数23因为：因为：24定比热定比热25强调：强调：（1 1）理理想想气气体体比比熵熵的的变变化化完完全全取取决决于于初初态态和和终终态态，与与过过程程所所经经历的路径无关。理想气体的比熵是一个状态参数。历的路径无关。理想气体的比熵是一个状态参数。（2 2）虽虽然然以以上上各各式式是是根根据据理理想想气气体体可可逆逆过过程程的的热热力力学学第第一一定定律律表达式导出，但适用于计算理想气体在任何过程中的熵的变化。表达式导出，但适用于计算理想气体在任何过程中的熵的变化。(3)零点规定零点规定:通常取通常取基准状态基准状态下气体的熵为零下气体的

13、熵为零263-4 理想气体混合物理想气体混合物 1.理想气体混合物理想气体混合物的定义的定义 由由相相互互不不发发生生化化学学反反应应的的理理想想气气体体组组成成混混合合气气体体，其其中中每每一一组组元元的的性性质质如如同同它它们们单单独独存存在在一一样样，因因此此整整个个混混合合气气体体也也具具有有理理想想气气体体的的性性质质。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。2.理想气体混合物的基本定律理想气体混合物的基本定律（1）分压力与分压力与道尔顿定律道尔顿定律 分压力：分压力：某某组组元元i单单独独占占有有混混合合气气体体体体积积V并并处处于于混混合合

14、气气体体温温度度T 时时的的压压力力称称为为该该组组元元的的分压力。用分压力。用 pi 表示。表示。27道尔顿定律：道尔顿定律：混混合合气气体体的的总总压压力力等等于于各各组组元元分分压压力之和（仅适用于理想气体）。力之和（仅适用于理想气体）。分体积：分体积：（2）分体积与分体积相加定律分体积与分体积相加定律混混合合气气体体中中第第i种种组组元元处处于于与与混混合合气气体体压压力力和和温温度度时时所所单单独独占占据据的的体体积积称称为为该该组元的分体积，用组元的分体积，用Vi 表示。表示。分体积相加定律分体积相加定律：理理想想混混合合气气体体的的总总体体积积等等于于各各组元的分体积之和，即组元

15、的分体积之和，即 283.理想气体混合物的成分理想气体混合物的成分成分成分指各组元在混合气体中所占的数量份额。指各组元在混合气体中所占的数量份额。（1）成分的分类成分的分类1）质量分数）质量分数：某某组组元元的的质质量量与与混混合合气气体体总总质质量量的比值称为该组元的质量分数。的比值称为该组元的质量分数。2）摩尔分数）摩尔分数：某某组组元元物物质质的的量量与与混混合合气气体体总总物物质的量的比值。质的量的比值。293）体积分数）体积分数：某某组组元元分分体体积积与与混混合合气气体体总总体体积积的比值称为该组元的体积分数。的比值称为该组元的体积分数。组元组元i:（2）各成分间的关系）各成分间的

16、关系混合气体：混合气体：混混合合气气体体的的成成分分表表示示法法实实际际上上只只有有两两种种：质质量量分数分数wi和摩尔分数和摩尔分数xi，二者之间的关系为二者之间的关系为304理想气体理想气体混合物的平均摩尔质量和平均气体常数混合物的平均摩尔质量和平均气体常数（1）理想气体）理想气体混合物的平均摩尔质量混合物的平均摩尔质量315理想气体理想气体混合物的比热容混合物的比热容（2）理想气体）理想气体混合物平均气体常数混合物平均气体常数摩尔热容摩尔热容:比比热热容容:326.理想气体混合物的热力学能、焓理想气体混合物的热力学能、焓(1)热力学能热力学能(2)焓焓(3)热力学能和焓的变化热力学能和焓

17、的变化337.理想气体混合物的熵理想气体混合物的熵 理想气体混合物中各组成气体处于互不干扰的情况，各组成气体的熵相当于温度T下单独处在体积V的熵值。这时压力为分压力Pi，故：混合物的熵等于各组成气体熵的总和混合物的熵等于各组成气体熵的总和341 kg第i种气体在微元过程中的熵变为：理想气体混合物理想气体混合物(无化学反应无化学反应)过程熵变过程熵变理想气体混合物总熵变为：理想气体混合物总熵变为：35水蒸气水蒸气36基本要求基本要求掌握蒸气的各种术语及其含义：汽化、凝结、掌握蒸气的各种术语及其含义：汽化、凝结、饱和状态、饱和蒸气、饱和液体、饱和压力、饱和状态、饱和蒸气、饱和液体、饱和压力、三相点

18、、临界点、汽化潜热等。三相点、临界点、汽化潜热等。了解蒸气定压发生过程及其在了解蒸气定压发生过程及其在p-v图和图和T-s图上图上的一点、二线、三区和五态。的一点、二线、三区和五态。了解水蒸气图表的结构，并掌握其应用。了解水蒸气图表的结构，并掌握其应用。37水蒸气是实际气体水蒸气是实际气体!水蒸气水蒸气在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体一般情况下，为一般情况下，为实际气体实际气体，使用图表，使用图表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质目前仍是火力

19、发电、核电、供暖、化工的工质优点优点:便宜，易得，无毒，便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好膨胀性能好，传热性能好383-5饱和温度和饱和压力饱和温度和饱和压力一、汽化与凝结一、汽化与凝结汽化汽化物质由物质由液态转变为气态的过程的过程39汽化方式汽化方式蒸发：汽化过程在蒸发：汽化过程在液体表面液体表面发生发生沸腾：汽化过程在沸腾：汽化过程在液体表面及内部液体表面及内部同时发生同时发生凝结凝结物质由气态转变为液态的过程。凝结的速度取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。决于空间蒸气的压力。40二、饱和状态二、饱和状态饱和状态饱和状态液体分子脱离其表面的汽化速度气体分子回

20、到液体中的凝结速度这时液体与蒸气处于动态平衡状态，称为饱和状态饱和液体饱和蒸气41饱和温度和饱和压力饱和温度和饱和压力处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱和温度和温度ts，蒸气的压力称为饱和压力，蒸气的压力称为饱和压力ps ts上升，上升，ps上升；上升；ps上升，上升，ts上升。上升。结论：结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。反之也成立，即两者间存在单值关系。42三相点三相点 定义：定义：固、液、气三相共存的状态固、液、气三相共存的状态 分析：分析：1)当压力低于当压力低于ptp时

21、，液相不可能存在，而只时，液相不可能存在，而只 可能是气相或固相。可能是气相或固相。ptp称为三相点压力，称为三相点压力，对应的饱和温度对应的饱和温度ttp称为三相点温度。称为三相点温度。2)三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱 和压力。和压力。3)各种物质在三相点的温度与压力分别为定值，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、气但比体积则随固、液、气 三相的混合比例不同而异。三相的混合比例不同而异。水的三相点温度和压力值：水的三相点温度和压力值：43 思考题思考题有有1.1.北方冬天晾在外边的衣服，北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相？

22、是否经过液相？2.有没有有没有-3的蒸气的蒸气？443-6水的定压加热汽化过程水的定压加热汽化过程 工业上所用的水蒸气都是在定压加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：热设备中产生的。一般经过三个阶段：预热阶段预热阶段汽化阶段汽化阶段过热阶段过热阶段45水蒸气定压发生过程图46预热阶段预热阶段饱和水饱和水未饱和水（过冷水）未饱和水（过冷水）状态及状态参数：状态及状态参数：这个阶段所需的热量称为液体热这个阶段所需的热量称为液体热 ql47汽化阶段汽化阶段干饱和蒸气饱和水湿(饱和)蒸气湿饱和蒸气：饱和水与饱和湿饱和蒸气：饱和水与饱和蒸气混合物蒸气混合物这个这个阶段所需的热

23、量称为汽化潜热阶段所需的热量称为汽化潜热 g g48干度干度x：湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。49过热阶段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50水的定压汽化水的定压汽化过程过程t tsv vv=vv=vv v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽h hh=hh=hh h hs ss=ss=ss s s预热阶段预热阶段汽化阶段汽化阶段过热阶段过热阶段51sp-v图，图，T-s图上的水蒸气定压加热过程图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态一点，二线

24、，三区，五态52分析：分析：(p-v图图)影响影响v的主要是的主要是P和和T1)对液态而言，对液态而言，T对对v的影响比的影响比P的影响大，因的影响大，因而当而当P增加时，对应的饱和温度增加，则饱增加时，对应的饱和温度增加，则饱和液体的比体积增大；和液体的比体积增大；2)对汽态而言，正好相反，因而，随着对汽态而言，正好相反，因而，随着P的增的增加，饱和蒸汽的比体积减小；加，饱和蒸汽的比体积减小；3)饱和液体线与饱和蒸汽线必相交于一点饱和液体线与饱和蒸汽线必相交于一点C(临界点临界点)53一点一点：临界点：临界点 二线二线：上界线和下界线：上界线和下界线三区三区：液态区、湿蒸气区及过热区：液态区

25、、湿蒸气区及过热区五态五态：未饱和水、饱和水、湿蒸气、：未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸气及过热蒸气干饱和蒸气及过热蒸气54临界点临界点：当：当ttttcrcr时，无论压力如何增加都时，无论压力如何增加都不可不可能使蒸汽液化能使蒸汽液化。水的临界。水的临界参数：参数：553-7 水和水蒸汽的状态参数水和水蒸汽的状态参数一、零点规定一、零点规定 水及水蒸气的参数计算中不必求其绝对值，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，故可规定一任意起点。仅求其增量或减少量，故可规定一任意起点。国国际际水水蒸蒸气气会会议议规规定定，水水的的三三相相点点即即273.16K的的液液相相水水作作

26、为为基基准准点点，规规定定其其热热力力学学能能及及熵熵为为0，即即对对于于t0=ttp=0.01C、p0=ptp=611.659 Pa的的饱饱和和水水有：有：56二、温度为二、温度为0.01、压力为、压力为P的过冷水的过冷水忽略水的压缩性，即比体积忽略水的压缩性，即比体积v不变，不变，温度不变，则温度不变，则:uo=u0=0,w=0 q=0 so=so=0,h0=uo+p0 v0=057三、温度为三、温度为t、压力为、压力为P的未饱和水的未饱和水 饱和水状态：58四、压力为四、压力为P的干饱和蒸汽的干饱和蒸汽五、压力为五、压力为P的湿饱和蒸汽的湿饱和蒸汽59六、六、压压力力为为P的的过热过热蒸

27、汽蒸汽过热度：t ts603-8水蒸气表和图水蒸气表和图水与水蒸气的状态参数水与水蒸气的状态参数p、v、t、h、s均均可从水蒸气图表中查到，图表中没有的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参数，可根据参数间的一般关系计算得到，如到，如u按按u=h-pv计算。计算。61一、水蒸气表一、水蒸气表饱和水及干饱和蒸气表（饱和水及干饱和蒸气表（表表36）未饱和水及过热蒸气表（未饱和水及过热蒸气表（表表37）查表查表蒸气蒸气表表判断工质所处的状态判断工质所处的状态查相应的表或进行相应的计算查相应的表或进行相应的计算626364未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表未饱和水

28、和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）注意下划线）注意下划线）注意下划线）65情况一：已知（情况一：已知（p,t）查饱查饱和表得已知和表得已知压压力（或温度）下的力（或温度）下的饱饱和温和温度度ts(p)（或（或饱饱和和压压力力ps(t)）：）：在在湿蒸气区，湿蒸气区，p、t不是两个独立的不是两个独立的变变量，量，因此不能由因此不能由p、t确定状确定状态态点。点。66情况二：已知情况二：已知p（或（或t）及某一比参数）及某一比参数y（v或或s或或h）查饱和表得已知压力（或温度）下的查饱和表得已知压力（或温度）下的y、y：在湿蒸气区干度及其它参数的的计算：在湿蒸气区干度及其它参数的的计算

29、：67二、蒸气的热力性质图二、蒸气的热力性质图如何在图上表示功和热？如何在图上表示功和热？p-v图（示功图）图（示功图）：面积代表功：面积代表功能否用线段表示热和功能否用线段表示热和功T-s图（示热图）图（示热图）：面积代表热：面积代表热68 h-s图图二、蒸气的热力性质图二、蒸气的热力性质图697071焓熵图的画法焓熵图的画法(1)1 1、零点：、零点：h h=0=0，s s=0=0；2 2、饱和汽线（、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线上界线）、饱和液线（下界线）3、等压线、等压线群群：p两相区两相区pT=Const 斜直线斜直线单相区单相区 sT向上翘的发散的形线向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上点为分界点，不在极值点上72焓焓 熵熵 图图hsCpx=1x=0pC73焓熵图的画法焓熵图的画法(2)气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：两相区：T、p一一对应，一一对应，T 线即线即 p 线线在在x=0,x=1之间，从之间，从C点出发的等分线点出发的等分线同理想气体一样，同理想气体一样，v 线比线比 p 线陡线陡4、定温线定温线 T5、等容线等容线v6、等干度线等干度线x74焓焓 熵熵 图图hsCx=1x=0pvTx75