《工程热力学》教学课件new03(10-11)v11 newest

1Chap.3Thepropertiesofgasandsteam气体和蒸汽的性质2蒸汽动力装置流程Steampowerequipment简单蒸汽动力循环系统简图550C0过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水汽轮机发电机QQ12W20C0高温高压蒸汽Wp3Powerengine（动力机）1.

小体积2.大流速3.绝热q

0ws=-△h

=

h1-

h2>0轴功是由焓的变化转变而来的4Heatexchanger（换热器）Heatdischargeofhot没有做功的部分:HotflowColdflowh1h2h1’h2’Heatabsoptionofcold焓的变化5教学目标:

使学生能结合工程实际，熟练应用理想气体状态方程，解决工程实际问题,了解蒸汽的产生过程及蒸汽的性质。知识点：理想气体（包括理想气体混合物）概念；理想气体状态方程；理想气体比热；状态参数计算；水和水蒸气的性质。重点：理想气体状态方程的各种表述形式，利用状态方程及公式进行热力计算，理想气体比热的物理意义以及该参数在工程中的应用特点，水和水蒸气的热力性质图表。难点：理想气体状态方程在工程中的应用范围、特点，理想气体比热的计算公式。Chap.3Thepropertiesofgasandsteam6Chap.3Thepropertiesofgasandsteam3-1理想气体的概念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水蒸气的饱和状态和相图3-5水的汽化过程和临界点3-6水和水蒸气的状态参数3-7水蒸气表和图7一、Twotypesofsubstance

1.Idealgas（理想气体）

hypothesis(理想假设)：Themolecules(分子)ofidealgasareelastic(弹性)particlesthathavenovolume（无体积）;Thereisnoanyforceamongthemoleculesofidealgas（分子间无作用力）;U=u(T)（Nointernalpotentialenergy没有内位能）气体分子的运动规律极大地简化了，分子两次碰撞之间为直线运动，且弹性碰撞无动能损失。8Twotypesofsubstance

1.Idealgas（理想气体）Simplifiedgasmodel(简化模型)： Toanalyzethermodynamicprocess（定性分析热力过程）；Todeductsomesimplerelationbetweenstateproperties（定量推导参数间关系）.9

压力比较低，体积大，常温/高温，远离液态的稀薄气体Idealgasconditions（理想气体的条件）T>常温，p<7MPadiatomicmolecule(双原子分子)IdealgasO2,N2,Air,CO,H2Noidealgasinrealworld理想气体是不存在的

什么样的气体可以简化成理想气体？10Twotypesofsubstance2.Realgas（实际气体）Realgasdoesnotaccordwithidealgashypothesisandcannotbedescribedbysimplestateequation（不符合理想气体假设）.

steam(水蒸气)andrefrigerationsubstances（制冷工质）

aretreatedasrealgas（实际气体）。因为，这类物质临界温度较高，蒸气在通常的工作温度和压力下离液态不远。当空气中含有少量的水蒸气（湿空气）或者含有少量CO2的燃气，在温度不太低的时候，可以视为理想气体。Thereisonlyasmallquantityofsteaminwetairandcarbondioxide(CO2)infuelgas,sothemixedwetairormixedgascanbetreatedasidealgaswhentheirtemperatureisnotverylow.注意：12quiz理想气体是一种抽象模型，所有气体在压力很高时都不能简化为理想气体？

正确，但是压力的高低是相对的。如对于空气（2MPa以下）、水蒸气（湿空气中，几kPa）。13二、Ideal-gasequationofstate--理想气体状态方程式Thestateofgascanbeexpressedbystateproperty;空气的状态由状态方程确定。Threebasicproperties:P、V、T；基本状态参数Forequilibriumstate:Twobasicpropertiesdetermineastate,otherpropertycanbecalculatedbythetwoproperties,andthecalculateequationiscalledequationofstate.状态方程式是表征各基本状态参数间关系的函数。14二、Ideal-gasequationofstate--理想气体状态方程式Gasconstant气体常数EquationdeductionGetpressurebystatistics（统计方法得到的）MeasurementofT温度的度量Equationofstateforidealgas气体的压力：单个分子的动能：15Gasconstant气体常数:RgEquationofstateforidealgas：Clapeyronequation科拉贝隆方程波尔兹曼常数Rg：Relatetogastype与气体种类有关;notrelatetothestateofgas.与气体状态无关Unit:Relation：P、v、Tandstate.16Gasconstant气体常数:RgRgvalueforsomecommongas物质名称化学式相对分子质量

氢H22.0164124.0氦He4.0032077.0甲烷CH416.043518.3氨NH317.031488.2水蒸气H2O18.015461.5氮N228.013296.8一氧化碳CO28.011296.8二氧化碳CO244.010188.9氧O232.0259.8空气—28.97287.017三、Molarspecificmass(摩尔质量M)Definitionof1mol：物质中包含的基本单元数与0.012kg碳12的原子数目相等时物质的量。Moleculequantitycontainedin1molanysubstance（1mol任何物质的分子数）：6.0225×1023。Molarspecificmass(摩尔质量)Substancemassof1mol（一摩尔物质的质量），M，g/mol。Molarquantitycalculation(物质的量计算)：18Definition：Gasvolumeof1mol.1mol气体的体积。Molarspecificvolume(摩尔容积Vm)v：specificvolume,m3/kgM:摩尔质量，g/mol。19Molarspecificvolume(摩尔容积Vm)Avogadro’shypothesis（阿伏伽德罗假说）:

MolarspecificvolumeisidenticalforanygasundertheconditionsofsamePandT.Standardcondition：Vmisusuallyusedtodenotequantity.20UniversalGasconstant(摩尔气体常数)M:与气体状态无关Rg：与气体状态无关研究MRg的性质：对任意两个物质1、2MRg与气体种类无关！21UniversalGasconstant(摩尔气体常数)UniversalGasconstant--摩尔气体常数（通用气体常数）既与状态无关也与气体性质无关的普适恒量！22DifferencebetweenRgandRR—摩尔气体常数Rg—气体常数M---摩尔质量[g/mol]Example:与气体种类无关与气体种类有关23Equationsofstate不同形式的状态方程：Attention:

RgandRVandVm状态方程UnitP例3-1

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？设大气压力为Pa。解：氧气：例3-2

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R。后来加入了3kg的同种气体，压力变为p2、温度仍为T1。试确定容器的体积和原先的气体质量m1。解：26Ccanbeusedtocalculateinternalenergy(热力学能U),enthalpy（焓H）,quantityofheat（热量Q），entropy(熵S).Definition:Theheatrequiredtoraisethetemperatureofunitmassofasubstancebyonedegree(单位质量的物质升高1K或1oC所需的热量).3–2Specificheatcapacityofidealgas—理想气体的比热容27Typesofspecificheatcapacity比热容c:质量热容Cm:摩尔热容c’:体积热容Cm=1000M·c=22.414c’28过程量还是状态量?cofspecialprocessc1

atconstantvolume（定容）c2atconstantpressure（定压）Ts(1)(2)1

Kc1c229Specificheatatconstantvolume--气体定容比热容对于可逆过程定容比热容：可逆定容过程的比热容对于理想气体CV=f(T)30Specificheatatconstantpressure--气体定压比热容对于任何可逆过程定压比热容：可逆定压过程的比热容ForidealgasCp=f(T)31Detailexplanationofcvandcp1.cvandcp

：Fordeterminedprocess,theycanbetreatedasstateproperty确定的过程可看作是状参.2.Noidealgasconditionrequired:anygas3.Usecvand

cptocalculateh,u,s

.Physicalmeaningof

cV：Internalenergyincreasewhentemperatureofunitmassincrease1degreeatconstantvolume定容过程单位质量增加1度时的热力学能增量.Physicalmeaningof

cp：Enthalpyincreasewhentemperatureofunitmassincrease1degreeatconstantpressure.定压过程单位质量工质增加1度时焓的增量32Valueofcvandcpofsomesubstances0oC时：cv,air=

0.716kJ/kg.Kcp,air=

1.004

kJ/kg.Kcv,O2=

0.655kJ/kg.Kcp,O2=

0.915

kJ/kg.K1000oC时：cv,air=

0.804kJ/kg.Kcp,air=

1.091

kJ/kg.Kcv,O2=

0.775kJ/kg.Kcp,O2=

1.035

kJ/kg.K25oC时：cv,H2O=

cp,H2O=

4.1868

kJ/kg.K33RelationbetweencvandcpMayer’sformula（迈耶公式）Idealgas342.PhysicalmeaningofRg：Discussion3.Foridealgas:cp>cv。1.cp=f(T)andcV=f(T),butcp–cV=Rg(constant).35Constantv0ConstantPTb=Tc=(T+1)KSoDiscussion：cp>cvpvabcTT+1实验测定：CpCv36Specificheatcapacityratio—理想气体的比热比γ37Calculateheatusingc如何计算CPrinciple:Differentcalculationmethodsfordifferenterrorrequirement:Realc(真实比热容积分)Tableofmeanc(利用平均比热表)Lineofmeanc(利用平均比热直线)Constantc(定值比热容)38RealcIdealgas(1)曲线关系面积ABCDA=面积1BC01-面积1AD01ct012ABD(t1)C(t2)=q02-q01Tableofmeanspecificheatcapacity--利用平均比热容表见附表5，比热容的起始温度同为0°C，这时同一种气体的只取决于终态温度t求O2在100-500℃平均定压热容附:线性插值42Meanclinefunction平均比热容直线关系式Supposec=a+bt,soMeanclinefunctionbetweent1andt21)Coefficientoft：b’=b/22)tvalue:t=t1+t2Atention:43MoleculemotiontheoryConstantc--按定比热计算DegreeoffreedomSingleMDoubleMManyMCv,m[kJ/kmol.K]Cp,m[kJ/kmol.K]γ1.671.41.29443-3Internalenergy,enthalpyandentropy理想气体的等温线即等热力学能线、等焓线！

对于理想气体，任何一个过程的热力学能变化量都和温度变化相同的定容过程的热力学能变化量相等;任何一个过程的焓变化量都和温度变化相同的定压过程的焓变化量相等。45讨论1.对于理想气体，一切同温限之间的任何过程u和h相同，且均可用cVT及cpT计算；2.对于实际气体，u和h不仅与T有关，还与过程有关，且只有定容过程u=cV

T

，定压过程h=cpT。pvabcTd461.2.cv:realvalue3.cv:meanvalue

UofidealgasIdealgas,anyprocessT1u1T2u212471.

2.cp:realvalue3.cp:meanvalue

Hofidealgas4.Forair,lookupintable8T1h1T2h212Idealgas,anyprocess48ArbitrarilysetU0,usually0K.Zerovaluesetforinternalenergyandenthalpy热力学能和焓值0点的选取 Ifseth0℃=0kJ/k，thenu0℃=-273.15Rg，so可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取0K。49Entropy(状态参数熵)1.Definition(定义)：Idealgas,reversibleprocess1.以为参数ΔSofidealgasΔSofidealgas两边微分2.以为参数3.以为参数52ConstantcEntropydifference：idealgas状参！53ΔSofidealgas1.ConstantC：542.通过查表计算,根据下式计算:S0是如何确定的呢？ΔSofidealgas55

p0=101325Pa、T0=0K时，规定这时{

}=0，任意状态（T，p）时s值为：状态（T，p0）：S0仅取决于温度T，可依温度排列制表（见附表8）取基准状态：56

1kg空气从初态p1=0.1MPa，t1=100℃，经历某种变化后到终态p2=0.5MPa，t2=1000℃，变比热容,求：熵变解：A41115511查表

2kmol某种理想气体由127℃，5atm，冷却到

27℃，1atm，已知该气体的求上述过程的熵变解：A4111552因为是理想气体气体热容为温度的函数时过程的熵变计算，没有什么困难，多个积分而已。593-4水蒸气的饱和状态和相图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18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60饱和温度和饱和压力

SaturatedTemperatureandPressure1.汽化vaporization：物质由液态转变为汽态的过程。

汽化方式（vaporization

ways）： 蒸发（evaporation）：汽化过程在液体表面发生。 沸腾（Boil）：汽化过程在液体表面及内部同时发生。

蒸发和沸腾的异同点？汽化与液化(vaporizationandliquefaction)61饱和温度和饱和压力

SaturatedTemperatureandPressure2.液化liquefaction

：物质由汽态转变为液态的过程。液化的速度取决于空间蒸汽的压力。汽化与液化(vaporizationandliquefaction)62饱和温度和饱和压力液体分子脱离其表面的汽化速度汽体分子回到液体中的液化速度＝这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为饱和状态饱和液体饱和蒸汽饱和状态63饱和温度和饱和压力-SaturatedTandSaturatedP

处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱和温度ts，蒸汽的压力称为饱和压力psts上升，ps上升；

ps上升，ts上升。64SaturatedTandSaturatedPps=1.01325barTs=100℃青藏ps=0.6barTs=85.95℃高压锅ps=1.6barTs=113.32℃结论：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。6566SaturatedTandSaturatedP使未饱和液达饱和状态的途径：67定义：固、液、汽三相共存的状态分析：1)当压力低于ptp时，液相不可能存在，而只 可能是汽相或固相。ptp称为三相点压力， 对应的饱和温度ttp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和 压力。

3)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、汽三相的混合比 例不同而异。水的三相点温度和压力值：三相点683-5水的汽化过程和临界点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：预热阶段汽化阶段过热阶段水蒸气定压生成过程6970717273747576777879未饱和水状态饱和水状态湿饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态过热蒸汽状态过热阶段水蒸气的定压生成过程饱和水的汽化阶段水的预热阶段说明：在此可代表3-5水的汽化过程和临界点80预热阶段-Preheatedstage饱和水未饱和水（过冷水）状态及状态参数：这个阶段所需的热量称为液体热ql81汽化阶段-Vaporizationstage干饱和蒸汽饱和水湿(饱和)蒸汽湿饱和蒸汽：饱和水与饱和蒸汽混合物这个阶段所需的热量称为汽化潜热82湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。干度x（Dryness）：83过热阶段-Superheatedstage过热蒸汽干饱和蒸汽这个阶段所需的热量称为过热热qsup。t-ts称为过热度84StateofLiquidandvapor未饱和液，过冷液饱和液湿饱和蒸气干饱和蒸气过热蒸气Saturatedliquidt=tsdry-saturatedvapor;dryvaport=tswet-saturatedvapor;wetvapor t=tsSuperheatedvapor t>ts,t–ts=d称过热度(degreeofsuperheat)。

Subcooledliquidt<ts汽化潜热LatentheatofVaporization85水蒸气定压生成过程中热量的计算1.水的定压预热阶段1Ts液体热2.饱和水的定压汽化过程汽化潜热3.水蒸气的定压过热过程2过热热1kg水从1状态被加热到2状态所吸收的热量水蒸气定压生成过程中热量的计算各种工质均具有类似水的性质二、水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图一点临界点Criticalpoint两线上界限线下界限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89思考题没有。t>374.16℃有2.有没有500ºC的水？1.北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相3.有没有-3℃

的蒸气？903-6水和水蒸气的状态参数

stateproperty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。国际水蒸气会议规定，水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定其热力学能及熵为0，即对于t0=ttp=0.01℃、p0=ptp=611.659Pa的饱和水有：一、零点规定91

忽略水的压缩性，即比体积v不变，又温度不变，则:

uo=u0’=0,w=0q=0so=so’≈0,h0=uo+p0v0≈03-6水和水蒸气的状态参数stateproperty二、温度为0.01oC、压力为P的过冷水92饱和水状态：3-6水和水蒸气的状态参数stateproperty三、温度为t、压力为P的未饱和水T=0.01℃,Puo=u0’=0,w=0,q=0so=so’=0,h0=uo+p0,v0=093四、压力为P的干饱和蒸汽3-6水和水蒸气的状态参数94五、压力为p的湿饱和蒸汽3-6水和水蒸气的状态参数由ts（或ps）与x共同确定：95六、压力为P的过热蒸汽过热度：t–ts3-6水和水蒸气的状态参数963-7水蒸气表和图

水与水蒸气的状态参数p、v、t、h、s均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到，如u按u=h-pv计算。97一、水蒸气表饱和水及干饱和蒸汽表（表3－6）未饱和水及过热蒸汽表（表3－7）

查表

蒸汽表判断工质所处的状态查相应的表或进行相应的计算98一、水蒸气表t℃pMpav’m3/kgv’’m3/kgh’kJ/kgh’’kJ/kgrkJ/kgs’kJ/kg.Ks’’kJ/kg.K00.00061120.00100022206.154-0.052500.512500.6-0.00029.154450.00087250.00100008147.04821.022509.712488.70.07639.0236150.00170530.0010009477.91062.962528.072465.10.22488.7794250.00316870.0010030243.362104.772546.292441.50.36708.5560350.00562630.0010060525.22146.592564.382417.80.50508.3511700.0311780.001022765.0443293.012626.102333.10.95507.75401100.1432430.001051561.2106461.332691.262229.91.41867.23861500.475710.001090460.39286632.282746.352114.11.84206.83812001.553660.001156410.12732852.342792.471940.12.33076.4312(1).饱和水和干饱和蒸汽表(changewithtemperature（温度）)99一、水蒸气表(2).饱和水和干饱和蒸汽表

(changewithpressure（压力）)pMpat℃v’m3/kgv’’m3/kgh’kJ/kgh’’kJ/kgrkJ/kgs’kJ/kg.Ks’’kJ/kg.K0.0016.94910.0010001.129.18529.212513.292484.10.10568.97350.0145.79880.001010314.673191.762583.722392.00.64908.14810.199.6340.00104321.6943417.522675.142257.61.30287.35891.0179.9160.00112720.19438762.842777.672014.82.13886.58592.0212.4170.00117670.099588908.642798.591890.02.44716.33953.0233.8930.00121660.0666621008.22803.191794.92.64546.18545.0233.8930.00128620.0394391154.22793.641639.52.92015.9724100一、水蒸气表(2).未饱和水和过热蒸汽表p=0.01Mpap=0.1Mpat℃v(m3/kg)h(kJ/kg)s(kJ/kg.K)v(m3/kg)h(kJ/kg)s(kJ/kg.K)5014.8692591.88.17320.0010121209.40.70376015.3362610.88.23130.0010171251.220.83127015.8022629.98.28760.0010227293.070.95498016.2682648.98.3422