气体与蒸汽的热力性质.pptx

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1、本章重点 1理想气体的热力性质2理想气体状态参数间的关系3理想气体比热第1页/共99页3.1 理想气体状态方程：ideal-gasequationideal-gasequation一.理想气体的概念理想气体指分子间没有相互作用力、分子是不具有体积的弹性质点的假想气体实际气体是真实气体，在工程使用范围内离液态较近，分子间作用力及分子本身体积不可忽略，热力性质复杂，工程计算主要靠图表理想气体是实际气体p0的极限情况。理想气体与实际气体第2页/共99页提出理想气体概念的意义简化了物理模型，不仅可以定性分析气体某些热现象，而且可定量导出状态参数间存在的简单函数关系在常温、常压下H2、O2、N2、CO2

2、、CO、He及空气、燃气、烟气等均可作为理想气体处理，误差不超过百分之几。因此理想气体的提出具有重要的实用意义。第3页/共99页二.理想气体状态方程的导出：V：nKmol气体容积m3；V：质量为mkg气体所占的容积；P：绝对压力Pa；v：比容m3/kg；T：热力学温度K状态方程VM：摩尔容积m3/kmol；RM：通用气体常数，kJ/kmolK；第4页/共99页Rm与R的区别Rm通用气体常数(与气体种类无关)R气体常数(随气体种类变化)M-摩尔质量例如第5页/共99页 体积为V的真空罐出现微小漏气。设漏气前罐内压力p为零，而漏入空气的流率与（p0p）成正比，比例常数为，p0为大气压力。由于漏气过

3、程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终保持T0不变，试推导罐内压力p的表达式。题解例1:第6页/共99页例题1解:由题设条件已知 漏入空气的流率:罐内的状态方程dV=0;dT=0积分(P由0到p)得微分（2）（1）或或第7页/共99页3.2 热容，内能和焓：heatcapacity，internalenergyandenthalpy1kg物质温度升高1K所需的热量称为比热容：、比热容的定义 物体温度升高1K所需的热量称为热容：第8页/共99页1kmol物质的热容称为摩尔热容Cm，单位：kJ/(kmolK)标准状态下1m3物质的热容称为体积热容C，单位：kJ/(m3K)比热容、摩尔热容及体积热容三

4、者之间的关系：Cm=Mc=22.414 C第9页/共99页Ts(1)(2)1K比热容是过程量还是状态量?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定压比热容第10页/共99页、比定容热容和比定压热容1.定容比热容cv任意准静态过程u是状态量，设定容物理意义：v 时1kg工质升高1K内能的增加量物理意义：v 时1kg工质升高1K内能的增加量第11页/共99页2.定压比热容cp任意准静态过程h是状态量，设定压物理意义：p 时1kg工质升高1K焓的增加量第12页/共99页内能和焓内能：焓：第13页/共99页3.3 理想气体内能，焓和热容：、理想气体内能和焓的特性：气体的内能包括：内动能和内位能

5、对于理想气体由于分子间没有相互作用力由于理想气体的内能是温度的单值函数第14页/共99页带入上式得：注意：两个式子对于实际气体来说分别适用于定容过程和定压过程而对于理想气体适用于任何过程。根据焓的定义，可见理想气体焓也是温度的单值函数所以：带入上式：第15页/共99页对于理想气体来说，凡是温度相同的状态其内能或焓相等。1-2为定容过程，1-2为定压过程，1-2”为任意过程。第16页/共99页、理想气体的比热容：一.理想气体定压比热容与定容比热容之间的关系：第17页/共99页二.比热比：热工计算中，比定压热容与比定容热容的比值称比热比，理想气体的比热比等于绝热指数，第18页/共99页三.理想气体

6、比热容与温度之间的关系：比热容随状态而变化，实际气体的真实比热容是温度和压力的函数。而对于理想气体，可以认为比热容只随温度而变化，即：。将实验测得的不同气体的比热容随温度的变化关系，表达为多项式形式：第19页/共99页四.理想气体内能和焓的计算：在热力计算中，只是涉及气体在不同状态下之间的质量内能差和焓差根据这两个公式工程中一共有四种方法计算：1.按比定值热容计算 如果温度不高，温度变化范围较窄，计算精度要求不高，第20页/共99页2.按比热容的经验公式积分计算 第21页/共99页3.利用平均比热容表求出某一温度范围内的平均比热容。如图所示，当温度由t1升到t2时，吸收热量：q=面积0EABD

7、0-面积0EAC0=带入到上式：第22页/共99页4.利用气体热力性质表的h,u值进行计算 若能确定气体在各温度下的单位质量内能和焓值，既可方便的计算h，u，但由于质量内能和焓的绝对值难于确定，而实际热力计算中只需知道不同状态之间的差值，因此可以就相对某一基准点来确定h,u值，那我们就选定一个基准点T0,规定该温度下的质量内能值和焓值分别为h0,u0 第23页/共99页3.4 理想气体的熵熵的定义：或：准静态过程：因此有：由：以及：第24页/共99页对微元过程：1.当比热为定值时，可由下式求得第25页/共99页2.按比热容经验公式计算：3.利用气体性质表计算：第26页/共99页3.5 理想气体

8、的混合物 由相互不发生化学反应的理想气体组成混合气体，其中每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。理想气体混合物的特点：1 pv=RT 2 每一组分都充满容器，分布均匀。3 具有相同的温度。第27页/共99页、理想气体混合物成分：各组分在理想气体中的数量比率成为混合气体的成分，共三种表示法质量，摩尔，容积。一.质量成分 混合物的质量等于各组成气体质量之和：质量分数：第28页/共99页二.摩尔成分 混合物物质的量等于各组成气体物质的量之和：摩尔分数：第29页/共99页三.容积成分 各组分处于混合器的压力p，温度t的条件下，

9、单独占据的容积为该组分得分容积。分体积定律阿马伽(Amagat)分体积定律第30页/共99页 各组分的容积vi与总体积的比称为该组分的容积组分，用符号ri表示：三种成分之间的关系：由得由得由第31页/共99页道尔顿分压定律：分压力混合物中的某种组成气体单独占有混合物的容积V并具有与混合物相同的温度t时的压力。混合气体的总压力等于各组成气体分压力之和，称为道尔顿(Dalton)分压定律第32页/共99页理想气体混合物的密度，平均分子量和气体常数由密度的定义，混合物的密度为：即得：由：又得：第33页/共99页由摩尔质量的定义，混合物的摩尔质量为：由：即得：第34页/共99页混合物的折合气体常数为：

10、即得：以上二式还可写为：和：第35页/共99页理想气体混合物的比热容，内能，焓和熵一.比热容：1kg混合气体温度升高1所需的热量第36页/共99页由比热力学能与比热容之间的关系可得：由比焓与比热容之间的关系可得：第37页/共99页二.内能，焓和熵：在压力p,温度T 状态下的理想气体混合物中，任一组分所处的状态，相当于它在分压力pi,温度T状态下单独存在的状态。因而，可采用单一理想气体的关系式计算各组分在压力pi,温度T状态下的热力参数，而混合物的广度参数等于各组分相应参数的和。第38页/共99页1.内能：混合物的内能等于组成气体热力学能之和，即由：得：第39页/共99页2.焓：混合物的焓等于组

11、成气体焓之和，即由：即有：第40页/共99页3.熵：混合物的熵等于组成气体熵之和，即由：第41页/共99页3.6 实际气体与理想气体的偏离理想气体的实质是实际气体在压力趋于零，比体积趋于无穷大时的极限状态，故对于压力较低，温度较高，距液态较远的气体才可以近似按理想气体处理。以前所做的推导都是针对理想气体而言的，实际情况下，如水蒸气、氨气等都不满足理想气体假设。实际气体处于离液态不远的蒸气状态，还可能相变转变成液态，不能作为理想气体处理的气体。第42页/共99页压缩因子：按照理想气体状态方程：对理想气体状态方程式引入一个修正系数，则可将实际气体的状态方程表示为：即修正系数第43页/共99页 z与

12、1差别的大小，表示实际气体偏离理想气体的程度。z1表示相同的温度压力下实际气体体积大于理想气体，说明实际气体比理想气体难压缩。zTc时:只存在气体状态。ppc时:若TTc则为气体状态;若T1，且Z随P的增大而增大，反映了气体压缩性小的特点第69页/共99页当分子引力占主导地位时，分子的体积影响可以忽略可见，这时Z1，反映了气体压缩性大的特点2.液体的不可压缩性：范德华方程，考虑了分子的运动，故原则上既适用于气体也适用于液体。对于液体，v很小，a/v2很大，内压力远远大于外压力p,因此外压力对液体的体积影响很小。第70页/共99页3.实际气体等温线：可得出三个不等的实根、三个相等的实根或一个实根

13、两个虚根。第71页/共99页1）一个实根 两个虚根2）三个相等实根3）三个不等实根第72页/共99页3.8.3瑞里奇-邝（R-K）方程由于范德华方程的计算精度不高，故该对其进行改进。这是瑞利奇邝方程1949年在范德瓦尔方程基础上提出的含两个常数的方程，它保留了范德瓦尔方程关于比体积的三次方程的简单形式，第73页/共99页3.9 纯物质相变区的状态及参数坐标图3.9.1p-T-v 三维坐标图：根据纯物质在平衡状态下压力(p)体积(V)-温度（T）之间的相互关系绘制的三维坐标图。分为六个区：蒸汽区，液体区，固体区三个单项区，和固液，液气，气固三个处于平衡状态的两项共存区。第74页/共99页第75页

14、/共99页水的热力学面两相区单相区气液固pvT六个区：三个单相区、三个两相区液-气固-气固-液pvT第76页/共99页饱和线、三相线和临界点pv四个线：三个饱和线、一个三相线饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一个点：临界点第77页/共99页3.9.2p-T 图：把物质的p-T-v图投影到p-T面就是p-T图 在p-T图上饱和液体线和饱和蒸汽线重和为一条液化曲线，最高点为临界点，代表整个液气共存区。饱和固体线和饱和蒸汽线重和为一条升华线，他代表整个气固共存区；液固共存区投影为一条熔化线，这三条曲线把图分成三个相区，他们的焦点成为三相点。第78页/共99页实际气体的状态变化在实际气体的状态变化

15、在p-Tp-T图上的表示图上的表示 c点临界点。cTtp线气液两相转变的汽化曲线。曲线上每一点对应一个饱和状态，线上温度和压力表示相应的饱和温度及饱和压力。每一点可与其p-v图上的饱和状态区域相对应。整个cTtp线段则和整个气液两相转变的饱和区域相对应。Ttp点实现气相和液相转变的最低点，也是出现固相物质直接转变为气相物质的升华现象的起始点。第79页/共99页3.9.3p-v 图和T-s图 前面我们用CO2的定温实验已经得到了其p-v 图，其他的气体也类似。如果不进行定温试验而进行定压加热或冷却，也可得到同样的p-v 图。那么以水为例介绍一下水的定压气化过程。第80页/共99页 a-b未饱和水

16、ts饱和水。t，v。b-dts饱和水 ts干饱和水蒸汽。v，t和p均不变。其间为汽液混合的湿饱和蒸汽。d-ets干饱和水蒸汽 t过热水蒸汽。t，v。过热度D=t-ts第81页/共99页我们给变压力继续做实验在p-v 图和T-s图绘出多条曲线,在图上描诉物质的变化规律:一点:临界点二线:饱和液体线和干饱和蒸汽线三区:液体区蒸汽区和湿蒸汽区五态:未饱和液态,饱和液态,湿蒸汽态,干饱和蒸汽态和过热蒸汽态第82页/共99页sp-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态第83页/共99页纯物质的饱和压力和饱和温度是一一对应的水的饱和温度和饱和压力的关系可由下式确定:3.9.4湿蒸气状态

17、参数的确定:汽液共存区的湿蒸气区实质上是饱和液体和干饱和蒸气的混合物。湿蒸气的压力和温度是一一对应的，那么为了确定湿蒸气的状态，常引用湿蒸汽的干度x作为补充参数。第84页/共99页干度：定义干饱和蒸汽饱和液体对干度x的说明：x=0饱和水x=1干饱和蒸汽0 x 1在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义第85页/共99页湿蒸气状态参数的确定：可以按杠杆定律确定:如果有1kg湿蒸气，干度为x,即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。引入干度的关系式，可得 第86页/共99页3.9.5液体和蒸气图表 水蒸气的热力性质比较复杂，用水蒸气状态方程式计算比较困难。水蒸气的热力性质表和相应的图线，提供了计算所需的

18、各种状态下水蒸气参数的详尽数据。工程中只需计算水蒸气u、h、s的变化量，因此可任选一个基准点。国际会议规定，水蒸气热力性质表和图以三相点状态的液相水为基准点编制。水的三相点的参数为 p0.6112kPa，v0.00100022m3/kgT273.16K此状态下液相水的热力学能和熵被规定为零，即u0.010 kJ/kg，s0.010kJ/(kg K)而其焓值为 h0.01u0.01+pv0kJ/kg+0.6112kPa0.00100022m3/kg0.000611 kJ/kg0kJ/kg工程上视其为零。第87页/共99页3.10 湿空气 湿空气的一般概念：湿空气干空气和水蒸气的混合物。常温常压下

19、，由于空气的压力较低，湿空气中水蒸气的分压力很低，可看作理想气体，因而湿空气可看作理想气体混合物。压力和温度第88页/共99页 未饱和湿空气过热水蒸气干空气，如点A所示。保持T=const，mstpst (pstps)水蒸气达到饱和状态。即水蒸气的含量达到对应温度下的最大值。保持pst=const，T，当温度降至pst所对应的饱和温度时，水蒸气达到饱和状态，如C所示。如继续冷却，有露滴出现。饱和湿空气饱和水蒸气干空气，如点B所示第89页/共99页 这种通过定压降温达到饱和状态的温度叫做露点温度，简称露点。如果再降温也将有水滴析出，夏季玻璃上的水珠，水缸上的水珠，就是这个道理。露点可用露点计测量

20、。露点计是用乙醚在金属容器中蒸发使金属表面温度降低容器外面出现第一滴露滴时的温度。第90页/共99页湿度湿空气中所含水蒸汽的量称为空气的湿度，有三种表示方法：1.绝对湿度 绝对湿度每立方米湿空气中含有的水蒸气的质量。按理想气体状态方程式，有空气中的绝对湿度只能说明在某一温度下，1m3湿空气中所含水蒸汽的实际质量，不能准确说明空气的干湿程度，如是否达到饱和，不能反映吸湿和干燥能力的大小。第91页/共99页2.相对湿度 相对湿度是指湿空气中水蒸汽的实际含量接近最大可能的含量的程度。水蒸汽分压力，Pa饱和空气的绝对湿度饱和蒸汽压，Pa 说明了吸收水蒸气的能力。吸收水蒸气的能力，当100%（饱和湿空气

21、）吸收水蒸气的能力为零。第92页/共99页相对湿度的测量：干湿球温度计3.含湿量 对定量湿空气而言其状态无论如何变化，他所含的干空气的量是保持不变的 含湿量d单位质量干空气的湿空气所含有的水蒸气的质量。单位g/kg(干空气)。即第93页/共99页图5-9干湿球温度计第94页/共99页焓，熵，比体积以单位质量干空气为基准，理想混合气体kJ/kg干空气工程上，取0oC时干空气的焓水蒸气的焓温度t下饱和水的焓hv=0ha=0干空气的焓第95页/共99页同理也可，以1千克干空气为基准的熵为s=sa+0.001d sst第96页/共99页含1kg干空气的湿空气的比体积m3/kg分压定律第97页/共99页焓-湿图焓湿图的结构焓-含湿量图上有下述图线 定含湿量线。为一组垂直线。定焓线。一组与垂直线成135角的直线。定温线。当温度为定值时，焓h和含湿量d之间保存线性关系，故定温线为一组直线，但不同温度的定温线其斜率不同。定相对湿度线。一组曲线 100的曲线即为饱和曲线，100的区域则为未饱和湿空气区。含湿量与水蒸气分压力的换算关系线，即pstf(d)线。该线给出了pst与d的对应数值。第98页/共99页感谢您的观看。第99页/共99页