工程热力学课件：第三章 气体和蒸气的性质

1、第三章 气体和蒸气的性质为什么要研究气体和蒸气的性质？热能动力装置共同特点：热机高温热源低温热源Q1Q2W 1、热源，冷源 2、工质 3、容积变化功 4、循环 1.要求工质具有显著的涨缩能力;气态-气体和蒸汽2.要计算Q及W就必须了解工质热力性质工程热力学的两大类工质 1、理想气体（ ideal gas） 可用简单的式子描述 如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等2、实际气体（ real gas） 不能用简单的式子描述，真实工质 火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等1. 分子之间没有作用力 2. 分子不具体积的弹性质点1. 理想气体模型3-1 理想气体的概念理想气体概念是为方便分析，

2、简化计算而提出。现实中没有理想气体 当实际气体 p 很小, V 很大, T不太低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。 哪些气体可当作理想气体温度不太低，压力不太高的单、双原子分子理想气体O2, N2, Air, Ar,CO, H2工程应用中，如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等可按理想气体处理；三原子分子（H2O, CO2)一般不能当作理想气体2.理想气体状态方程 表示理想气体在任一平衡状态时（p,v,T)之间的关系；或称克拉贝龙方程四种形式的克拉贝龙方程：注意: Rm 与Rg 摩尔体积Vm状态方程统一单位摩尔体积Vm阿伏伽德罗假说: 相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔

3、体积Vm相同在标准状况下 Rm与R的区别Rm摩尔气体常数 (与气体种类无关) Rg气体常数 (随气体种类变化)M-摩尔质量例如计算时注意事项 1、绝对压力2、温度单位 K3、统一单位（最好均用国际单位）计算时注意事项实例 V=1m3的容器有N2，温度为20 ，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。1）2）3）4）3-2 理想气体的比热容计算气体在状态变化过程中吸（放）热量，引入比热容比热容定义:单位物量的物质温度升高1K或1oC所需的热量c : 质量比热容 (比热容) 摩尔比热容C: 体积比热容（标况下）Cm=Mc=22.414X10-3C比热容分类：比热容是过程量还是状态量

4、?Ts(1)(2)1Kc1c2热力设备中工质往往是在接近压力不变或体积不变的条件下吸热或放热，用的最多的是：定容比热容和定压比热容定容比热容cv可逆过程：u是状态量，设 （热一律）定容对理想气体定压比热容cph是状态量，设 定压可逆过程：对理想气体cv和cp的说明:1、 cv 和 cp是状态参数 ；迈耶公式:2、 (对理想气体) cp恒大于 cv 比热容比:0定压b与c温度相同，均为(T+1)K而利用比热容计算热量原理: 理想气体的比热容c是温度的复杂函数，对比热容c作不同的技术处理可计算得精度不同的热量: 真实比热容积分 利用平均比热表 利用平均比热直线关系式 定值比热容1、按真实比热计算根

5、据实验结果整理 理想气体附表42、按平均比热计算t t2 t1 c(cp ,cv) c=f (t) 附表53. 平均比热直线式 令c = a + bt, 则即为区间的平均比热直线式2) t 需用t1+t2代入注意:1) t 的系数已除过2附表6分子运动论4、按定值比热计算运动自由度单原子 3双原子 5多原子 7i 取值：1.理想气体热力学能和焓热力学能内动能内位能T, v 理想气体无分子间作用力，热力学能只决定于内动能? 如何求理想气体的热力学能 u和焓hT3-3 理想气体的u、h、s适用于理想气体任何过程理想气体热力学能和焓的计算讨论：ab、ad、ac过程的热力学能和焓的变化ab、ad、ac

6、过程的热力学能和焓的变化相同；注：在热工计算中，通常只需计算热力学能、焓的变化量。即人为规定某一状态下的焓值( 或热力学能值 )为零。一般取0K或 0 0C时的 h , u 值为零。说明： 对于理想气体一切同温限之间过程的u及h均相同,且均可用cV T及cp T计算;热力学能和焓零点的规定：熵的定义: 可逆过程 理想气体2. 理想气体的熵变计算pv = RgT仅可逆适用若定比热理想气体s的计算适用于理想气体任何过程理想气体小结1、什么样的气体是理想气体？2、理想气体状态方程的正确使用3、理想气体比热、内能、焓、熵的特点和计算水蒸气在空气中含量极小，当作理想气体一般情况下，为实际气体，使用图表1

7、8世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点: 便宜，易得，无毒， 膨胀性能好，传热性能好是其它实际气体的代表3-4 水蒸气的饱和状态和相图锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器因固相不流动，更关心汽液两相物质有三种聚集状态：固态、液态、气态水的三态：冰、水、蒸汽汽化与饱和沸腾：在液体表面和液体内部同时发生的强烈汽化汽化: 由液态变成气态的过程 (不涉及化学变化，是个物理过程)蒸发：液体表面上进行的汽化 凝结：由气态变成液态的过程饱和状态饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度Ts饱和压力ps一一对应放掉一些水，Ts不变， ps？Tspsp

8、s=1.01325barTs=100 青藏ps=0.6barTs=85.95 高压锅ps=1.6barTs=113.32 (气体和液体均处在饱和状态下)使未饱和液达饱和状态的途径： 将水的气、液饱和状态推广到所有纯物质，并进一步推广到固-液相，固-气相；饱和温度饱和压力一一对应克拉贝隆方程P-T相图纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水纯物质三相点三相点临界点临界点流体流体汽化线汽化线相平衡曲线、三相点、临界点三相点与临界点水的临界点状态饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的pmax,Tmax临界点水的三相点3-5 水的汽化过程和临界点t tsv vv = vv = vv v v未饱和水饱和

9、水湿饱和蒸气干饱和蒸气过热蒸气h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s s水预热汽化过热“水蒸气的定压发生过程”水蒸气定压发生过程说明(1)理想气体实际气体汽化时，TTs不变，但h增加汽化潜热(2) 未饱和水过冷度过冷水过热蒸汽过热度水蒸气定压汽化过程的p-v图，T-s图s一点，二线，三区，五态一点临界点两线上界限线(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一点，二线，三区，五态 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

10、中水蒸气不宜利用理想气体性质计算3-6 水和水蒸气状态参数水和水蒸气状态参数确定的原则:1、未饱和水及过热蒸气确定任意两个独立参数，如：p、T2、饱和水和干饱和蒸气确定p或T3、湿饱和蒸气除p或T外，须有其它参数确定两相比例状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量1875年，吉布斯提出了吉布斯相律P229 “相平衡系统中每一单独相独立状态参数的个数”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压力为p,温度为0.01oC过冷水状态参数: 可认为是由三相点液态水压缩得到,忽略水的压缩性,热力学能及熵为零;压力不高时焓值也可近似为零.过冷水(未饱和水):压力为p,温度为t的过冷水状态参数:查

11、图表或由专用程序计算压力不太高时，可近似压力为p的饱和水和饱和蒸汽状态参数:查图表或由专用程序计算获得;vhsv饱和水:干饱和蒸气:hss压力为p的湿饱和蒸汽状态参数确定 如果有1kg湿蒸气，干度为x, 即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度xh ,v ,s两相比例由干度x确定定义干饱和蒸气饱和水对干度x的说明：x = 0 饱和水x = 1 干饱和蒸气0 x 1在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义压力为p温度为t过热蒸汽状态参数确定原则上可任取零点，国际上统一规定。但 原则上不为0， 对水： 表是依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编

12、制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。表中焓、内能、熵零点的规定：水的三相点3-7 水及水蒸气表和图水及水蒸气表分两类:2、未饱和水和过热蒸汽表1、饱和水和干饱和蒸气表按温度排列表按压力排列表以压力和温度为独立变数排列表饱和水和饱和水蒸气表饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）查表举例（1）查表时先要确定在五态中的哪一态。例.1 已知 ：p=1MPa,试确定t=100, 200 各处于哪个状态, 各自h是多少？ts(p)=179.88t=100 ts, 过热蒸汽h=2827.5kJ/kg查表举例（2）已知 t=2

13、50, 5kg 蒸气占有0.2m3容积, 试问蒸气所处状态? h=?t=250 , 湿蒸汽状态查表举例（2）已知 t=250, 5kg 蒸气占有0.2m3容积, 试问蒸气所处状态? h=?t=250 , 湿蒸汽状态查表举例（3）已知 t=85, p=0.015MPa , 试确定状态? h=?ts=54.0 , 过热状态p=0.015MPa内插法p=0.01MPat=85p=0.02MPat=85p=0.015MPat=85饱和参数未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）水蒸气的T s图: 图中:定压线定温线定容线定干度线已知任意两个状态参数就可求得其他参数;如何在图上表示功和热p-v图（示功图）：面积代表功能否用线段表示热和功T-s图（示热图）：面积代表热水蒸气的h s图水蒸气的h s图 (莫里尔图) : 定压线定温线定容线定干度线焓 熵 图hsCx=