气体和蒸汽的性质

1、气体和蒸汽的性质第1页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四QW 膨胀中的燃气刚性容器W=0要实现能量转换：内因工质的热力性质（本章）外因工质的热力过程（下一章）缺一不可。第2页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第三章第一部分： 理想气体的性质第一节 理想气体的定义第二节 理想气体的比热容第三节 理想气体的热力学能、焓和熵第3页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第一节 理想气体的定义一、理想气体(perfectgas、idealgas、permanentgas)理想气体的基本假设1、分子为不占体积的弹性质点2、除碰撞外分子间无作用力 理想

2、气体是实际气体在低压高温时的抽象第4页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四理想气体与实际气体定义：热力学中，把完全符合 及热力学能仅为温度的函数 的气体，称为理想气体；否则称为实际气体。理想气体：氧气、氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、空气、 燃气、烟气（在通常使用的温度、压力下）实际气体：氨、氟里昂、蒸汽动力装置中的水蒸气第5页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四Pam3kg气体常数,单位为J/(kgK)KR=MRg=8.314 5 J/(molK)二、理想气体的状态方程(ideal-gas equation)第6页，共56页，2022年，5月20日，7点4

3、4分，星期四不同物量下理想气体的状态方程式m kg 理想气体1 kg 理想气体n mol 理想气体1 mol 理想气体第7页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四三、为什么要讨论不存在的理想气体? 在工程中具有很重要的实用价值和理论意义。 在通常的工作参数范围内，按理想气体性质来计算气体工质的热力性质具有足够的精确度，其误差在工程上往往是允许的。对于一般的气体热力发动机和热工设备中的气体工质，在无特殊精确度要求的情况下，多可按理想气体性质进行热力计算。 第8页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四 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

4、，并与实测值比较。空气气体常数Rg=287.06 J/(kgK)计算依据相对误差=第9页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四（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。理想气体是实际气体在低压高温时的抽象.第10页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四 例1 已知氧气瓶的容积 ，瓶内氧气温度为20，安装在瓶上的压力表指示的压力为15Mpa，试求瓶内氧气的质量是多少？解：氧气注意：1、单位换算 2、表压力与绝对

5、压力的关系。第11页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四例2 刚性容器中原先有压力为p1、温度为T1的一定质量的某种气体，已知其气体常数为Rg。后来加入了3kg的同种气体，压力变为p2、温度仍为T1。试确定容器的体积V和原先的气体质量m1。解：第12页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第二节 理想气体的比热容一、比热容及其分类 定义：单位物量物体在准静态过程中温度升高1K（或1C）所需要的热量称为“比热容”。千摩尔比热容：质量比热容：体积比热容：三者的换算关系：第13页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四 比定容热容：定容过程 理想气体第

6、14页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四 比定压热容： 定压过程第15页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四机械喷射式柴油机理想循环的P v 图1-2：绝热压缩； 2-3：定容吸热； 3-4：定压吸热； 4-5：绝热膨胀； 5-1：定容放热 q1=q1v+q1p而：q1v=cv(T3 -T2 ) q1p=cp(T4 - T3 )另外：q2=cv(T5 -T1)为什么要提出比热容的概念？ Q=mcT为什么又要进一步提出比定压热容、比定容热容的概念？第16页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四二、工程计算中比热容的三种处理方法：作为温度的函数

7、，用于精确计算。平均比热容，用于较精确的计算。作为常数，用于近似计算，在常温下比较符合。曲线关系直线关系第17页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四1、真实比热容作为温度的函数，用于精确计算。 理想气体的比热不仅与过程有关，而且随温度变化。通常根据实验数据将其表示为温度的函数：利用真实比热容计算热量：真实比热适用于大温差、计算精度要求高的场合。ct012ABD(t1)C(t2)cp0=a0+a1T+a2T2+ 第18页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四2、平均比热容(1) 曲线关系 面积ABCDA=面积1BC01-面积1AD01ct012ABD(t1)C(

8、t2)c=b0+b1t+b2t2+ =q02-q01第19页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四(2)直线关系 ctc=a+bt t1 t2第20页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四3. 定值比热容单原子气体:双原子气体：三原子气体：第21页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第三节 理想气体的热力学能、焓和熵第22页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四一、理想气体的热力学能和焓pvT=常数sT温度相同的状态点（可能压力和比体积不同）其热力学能和焓相同。理想气体的等温线即为等热力学能线、等焓线。2p2pP=常数112v2

9、vv=常数22同温度范围内所有过程初、终状态热力学能变化量相同，焓变化量都相同。第23页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四理想气体前面已经得到的结果：所以有：第24页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四理想气体可逆过程第25页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四二、迈耶方程迈耶方程：或比定压热容大于比定容热容第26页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四前面提到：考虑到Q与W有共同点：1 都是传递的能量；2 可以互相转换。所以，可以进行以下类比：第27页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第28页，共56

10、页，2022年，5月20日，7点44分，星期四三、理想气体的熵 熵的定义：第29页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第30页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第31页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四例： 试求空气在自由膨胀中比熵的变化量，已知初态空气的温度为 ，体积为 ，膨胀终了的容积 。解：取整个容器内的空气为孤立系统（系统与外界无功、热及物质交换）即：第32页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第3章第一部分作业第4版：P94-96 习题：1（M=28.01不是28.1，教材搞错了）、5、10第33页，共56页

11、，2022年，5月20日，7点44分，星期四第三章第二部分： 水蒸气的性质 水蒸气是人类使用最早、应用最广（汽车、火车、轮船、发电）的工质。为什么它受到人们的特别喜爱呢？是因为水分布广，价格便宜，无毒无臭，而水蒸气的获得又特别容易（在常压下只要加热到100以上就产生），而在常温下就以液态水的情况存在，便于我们的循环使用。第34页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四 从工程中使用的参数范围来看，水蒸气离液态水不远，工作过程有集态变化。且水蒸气分子间不仅存在作用力，分子占有容积，而且水蒸汽是由一个分子、二个、三个、四个分子机械结合成复合体的混合物，而且随着参数的变化，结合与分裂现

12、象不断发生，因此水蒸气的性质不同于一般的气体，更不同于理想气体。 第35页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四 第四节 水的定压汽化过程和 水蒸气的p-v图及T-s图 第五节 水蒸气表 第六节 水蒸气的 h-s 图第36页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第四节 水的定压汽化过程、 水蒸气的p-v图及T-s图第37页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四汽化和液化(vaporizationandliquefaction)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。 沸腾：在液体表面及内部进行的强烈汽化过程。液化：由气相到液相

13、的过程。第38页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四饱和状态液体分子脱离其表面的汽化速度气体分子回到液体中的凝结速度 这时液体与蒸气处于动态平衡状态，宏观上气、液两相保持一定的相对数量称为饱和状态饱和液体饱和蒸气第39页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四饱和蒸汽饱和水 相应的温度和压力称为饱和温度（ts）和饱和压力（Ps），两者一一对应。 ts =f(Ps )，只有一个独立变量。一、饱和温度和饱和压力在饱和状态(Saturatedstate)下： 第40页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度Ts饱和压

14、力ps一一对应Tspsps=1.01325barts=100 青藏 ps=0.6barts=85.95 高压锅 ps=1.6barts=113.32 第41页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四二、水的定压汽化过程容器中装有1kg水，0pvTs100abab100100cddc100ee第42页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第43页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd五个状态：（1）a：未饱和水（过冷水），t ts , 过热度t = t- ts , p、T 是独立的状态参

15、数，单相均匀系= f ( p , T )。第45页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四三个阶段：1）定压预热阶段a-b：未饱和水变为饱和水。比液体热：2）定压汽化阶段b-c-d：饱和水变为干饱和蒸汽，既是定压又是定温的相变加热过程。比汽化潜热：3）定压过热阶段d-e：饱和蒸汽变成过热蒸汽，比过热热：ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavcd第46页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四三、水蒸气的p-v图和T-s图CCx=0 x=0 x=1x=1p0vsT0湿蒸汽区湿蒸汽区过热蒸汽区过热蒸汽区未饱和水区未饱和水区1、一点二线三区五态。2、

16、当压力升高时，饱和温度随之升高，汽化过程缩短，比汽化潜热减少，预热过程变长，比液体热增加。 3、 饱和水的比体积随压力的升高略有增加，而饱和蒸汽的比体积则随压力的升高明显的减小。 4、临界点上的比汽化潜热为零，即汽化在一瞬间完成。第47页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第五节 水蒸气表饱和水与饱和水蒸气表、未饱和水与过热蒸汽表 一、饱和水与饱和水蒸气表1. 按温度排列tps, v，h，s， v”，h”，s”2. 按压力排列pts, v，h，s， v”，h”，s”湿蒸汽：v，h，s v”，h”，s”x二、未饱和水与过热水蒸气表t，p v， h， s u=h-pv第48页，共

17、56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四饱和水及干饱和蒸汽表 第49页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第50页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四三、计算步骤1、确定状态已知（p，t）tst ts 过热蒸汽 t ts 未饱和水 已知（p，v）v,v”vv v” 湿蒸汽 v v” 过热蒸汽 xSx，hx2、根据状态查相应的图或表，湿蒸汽查饱和水与饱和蒸汽表，再利用干度公式求出。3、热力学能利用公式u=h-pv求得。第51页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四例 P=0.5Mpa，v=0.36m3/kg，确定状态，并求出温度、比焓、比热力学能和比熵。 查饱和水与饱和蒸汽表 ts=151.85C，v=0.0010928m3/kg，v”=0.37481m3/kg解：湿蒸汽h=640.1kJ/kg，h”=2748.5kJ/kgs=1.8604kJ/(kgK)，s”=6.8215kJ/(kgK)第52页，共56页，2022年，5月20日，7点44分，星期四第四节 水蒸气的h-s图 我们用过p-v 图、T-s 图。这在热力过程的分析中常用，一个叫示功图，一个叫示热图，但功和热都是一块面积，不直接，而用h-s 图可用线段来表示功和热.由上界线、下界线及定压线群，定温线群，定容线群、定干度线群组成。注意此时临界点的位置。第5