工程热力学课件第三章.ppt

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0.84925，,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 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; 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