石油热工学第三章-理想气体

石油热工学第三章--理想气体第1页，课件共66页，创作于2023年2月工质

内部条件—

能量转换

外部条件—热力过程第2页，课件共66页，创作于2023年2月第一节概述物质的三态及相变过程第3页，课件共66页，创作于2023年2月【本节基本要求】(1)掌握工质p-v-T热力学面的意义，了解物质的三种集态及其相变过程。(2)了解工质的p-T图、三相点及其特点。(3)掌握实现热能和机械能转换的工质的特点。第4页，课件共66页，创作于2023年2月一、物质的三态及相变过程集态形式：

固态、液态、气态相：

热力系中物理性质和化学组分完全均匀的部分。相变过程（或集态变化）：

在一定条件下相与相之间可以互相转化。第5页，课件共66页，创作于2023年2月二、热力学面—

在简单可压缩系中，由状态方程F(p,v,T)=0可知，工质的全部热力学状态在三维直角坐标系中构成的一个曲面，称为p-v-T热力学面。—

清晰地反映了物质的三种集态和相变过程。单相区域：S、L、V两相共存区域：S-L、L-V、S-V固S液L气V

液态凝固时体积缩小的物质

液态凝固时体积膨胀的物质三相线——固、液、气三相平衡共存的状态点的集合。第6页，课件共66页，创作于2023年2月三、p-T图（相图）—p-v-T热力学面在p-T坐标面上的投影。—p-T图清楚地反映了固、液、气三相间的关系，称为相图。p-v图—

p-v-T热力学面在p-v坐标面上的投影；—描述热力状态及热力过程的重要状态参数坐标图。水第7页，课件共66页，创作于2023年2月水的变化融解过程：一定压力下，固态冰液态水；（融点温度与压力的关系为融解曲线）汽化过程：一定压力下，液态水气态水蒸气；（沸点温度与压力的关系为汽化曲线）升华过程：压力低于三相点，固态冰气态水蒸气

只有固态、气态存在，液相不再存在。（升华点温度与压力关系为升华曲线）固、液、汽三态共存的状态为三相态，三相点。

第8页，课件共66页，创作于2023年2月四、三相点——在p-T图上，融解线S-L、气化线L-V和升华线S-V的交点是热力学面中三相线的投影。——对于确定的物质，其三相点的压力和温度是确定的；其比体积是否确定？（否！其液相比体积不确定）第9页，课件共66页，创作于2023年2月升华线纯物质的p-T相图ppTT液液气气固固水一般物质三相点三相点临界点临界点流体流体升华线融解线融解线汽化线汽化线凝固时体积膨胀凝固时体积缩小第10页，课件共66页，创作于2023年2月五、工质及其热力性质热能和机械能的相互转换是通过物质的体积变化实现的；能迅速、有效实现体积变化的是气(汽)相物质。因此，工质仅指气相物质（气体）。主要针对：理想气体、实际气体、蒸气。本课程对工质热力性质的讨论仅限于理想气体、水蒸气和湿空气。原则上，固、液、气三态物质均可作为热能与机械能相互转换所凭借的物质。第11页，课件共66页，创作于2023年2月第12页，课件共66页，创作于2023年2月第二节

理想气体的热力性质和热力过程第13页，课件共66页，创作于2023年2月【本节基本要求】(1)掌握理想气体的状态方程式。(2)掌握理想气体的各种比热容，并正确运用比热容计算理想气体的热力学能、焓和熵的变化。(3)了解理想气体混合物的热力性质特点及基本计算。(4)掌握理想气体各热力过程的过程方程和基本状态参数间的关系，能进行热力过程的功量和热量计算。

(5)能够将理想气体的各热力过程表示在p-v图和T-s图上，并进行正确的分析。第14页，课件共66页，创作于2023年2月理想气体的热力性质第15页，课件共66页，创作于2023年2月一、理想气体及其状态方程

1、理想气体的概念——凡是遵循克拉贝龙方程的气体称为理想气体。——对分子模型进行两点假设：

(1)分子是不占据体积的弹性质点;

(2)气体分子相互之间没有任何作用力。——从微观上讲，凡是符合上述假设的气体称为理想气体。第16页，课件共66页，创作于2023年2月工程中常用的O2、N2、H2、CO等，以及空气、燃气、烟气等工质，在通常使用温度、压力下都可作为理想气体处理。水蒸气、氟里昂蒸气、氨蒸气等工质临界温度较高，在通常的工作温度和压力下离液态不远，不能看作理想气体。理想气体是实际气体、时的极限状态。大气中所含的少量水蒸气；燃气和烟气中含有的水蒸气和CO2等，因分子浓度低、分压力甚小，在温度不太低时仍可视为理想气体。第17页，课件共66页，创作于2023年2月假设：①气体分子是不占据体积的弹性质点；理想气体的概念②分子相互之间没有任何作用力。实际气体：不符合上述两点假设的气态物质。第18页，课件共66页，创作于2023年2月工程热力学的两大类工质1、理想气体（idealgas）可用简单的式子描述；例如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等。2、实际气体（realgas）不能用简单的式子描述，真实工质；例如火力发电的水蒸气、制冷空调中制冷工质等。第19页，课件共66页，创作于2023年2月2、理想气体状态方程克拉贝龙状态方程1kg气体mkg气体nmol气体1mol气体第20页，课件共66页，创作于2023年2月状态方程的应用

1求解平衡状态下的某参数；2计算两平衡状态间某参数的变化量；3标准状态与任意状态间的换算；4求气体体积膨胀系数。1）必须采用绝对压力；2）必须使用热力学温度【K】；3）各物理量单位必须统一。注意事项第21页，课件共66页，创作于2023年2月Rg与R的区别R——通用气体常数(与气体种类无关)

Rg——气体常数(随气体种类变化)第22页，课件共66页，创作于2023年2月第23页，课件共66页，创作于2023年2月例l

把空气压送到体积为3m3的贮气罐内，初始时表压力为3kPa，温度为20℃；压送终了时压力表读数为300kPa，温度为50℃。试求压送到贮气罐内的空气质量。解：设大气压力为0.1MPa，空气Rg=0.287kJ/(kg·K)表压力第24页，课件共66页，创作于2023年2月

讨论(1)计算中使用绝对压力。实际工程中可以直接测到的是表压力或真空度，应根据实测值计算出绝对压力；(2)由于贮气罐体积已知，充气前后的压力、温度已定，故可由理想气体状态方程求充入气体的质量。本题是利用状态方程求气体质量的典型题。仔细阅读教材例3-1（p63）第25页，课件共66页，创作于2023年2月

例2

某锅炉每小时燃煤500kg，估计燃烧1kg煤产生烟气约10m3(标准状态)。若烟囱出口烟气的压力为p=0.1MPa，温度为T=480K，设烟气流速为c=3m/s，烟囱截面为圆形，求烟囱出口处的内直径。标准状态与任意状态间的换算第26页，课件共66页，创作于2023年2月

例3：容器内盛有一定量的理想气体，如果将气体放出一部分后达到了新的平衡状态，问放气前、后两个平衡状态之间参数能否按状态方程表示为下列形式：（a）（b）因为气体放出一部分后，容器中气体质量发生了变化：根据、，而可证。解×√放气前、后两个平衡状态之间参数：不能用方程式（a）描述，可按（b）形式描述。第27页，课件共66页，创作于2023年2月第28页，课件共66页，创作于2023年2月二、理想气体的比热容（一）比热容的定义

1、热容：物体温度升高一度（1K或1℃）所需要的热量，用C表示。

热容的大小不仅与物体的种类及其质量有关，还与过程有关，因为热量是过程量。

第29页，课件共66页，创作于2023年2月2、比热容——单位物量的物质升高1K或1℃所需的热量。质量比热容c：单位质量物质的热容，J/(kg·K)

摩尔比热容Cm

：1mol物质的热容，J/(mol·K)

体积比热容C’:

单位体积物质的热容，J/(Nm3·K)Cm=Mc=22.4135C’第30页，课件共66页，创作于2023年2月Ts(1)(2)1K比热容是过程量！c1c2用得最多的某些特定过程的比热容。第31页，课件共66页，创作于2023年2月（二）比定容热容和比定压热容气体的比热容是过程量。在热能与机械能的转换过程中，定容过程和定压过程是两种常见且重要的热力过程。第32页，课件共66页，创作于2023年2月据热力学第一定律，对于微元可逆过程，

热力学能u是状态参数，

定容过程，

比定容热容1、比定容热容cV物理意义：

定容过程的比热容，等于工质温度升高1K时比热力学能的增量。第33页，课件共66页，创作于2023年2月焓是状态参数，

定压过程，

比定压热容2、比定压热容据热力学第一定律，对微元可逆过程，

物理意义：

定压过程的比热容，等于工质温度升高1K时比焓的增量。第34页，课件共66页，创作于2023年2月cV和cp的说明1、过程已定，cv和cp可当作状态量。2、由定义式导出的推导式，适用于一切气体。第35页，课件共66页，创作于2023年2月

（三）理想气体的比热容1、理想气体的比定容热容理想气体的热力学能不含分子间内位能，仅有与温度有关的分子内动能，故仅是温度的单值函数。第36页，课件共66页，创作于2023年2月

2、理想气体的比定压热容对于理想气体，根据焓的定义理想气体的焓h也是温度的单值函数。第37页，课件共66页，创作于2023年2月=cV+Rg

两边同乘摩尔质量M：

摩尔定压热容

摩尔定容热容

3、理想气体的cp与cV之间的关系迈耶公式第38页，课件共66页，创作于2023年2月第39页，课件共66页，创作于2023年2月

1）真实比热容理想气体的cV

和cp

是温度的单值函数。真实比热容的形式：查阅附录A-3或手册表格形式多项式形式第40页，课件共66页，创作于2023年2月称为工质在t1~t2温度范围内的平均比热容2）平均比热容附录A-4a、附录A-4b必要时用线性插值公式第41页，课件共66页，创作于2023年2月3）平均比热容的直线关系式系数a和b在附录A-5查取计算精度满足一般要求第42页，课件共66页，创作于2023年2月4）定值比热容单原子气体双原子气体多原子气体cV

(CV,m)cp

(Cp,m)第43页，课件共66页，创作于2023年2月

根据气体分子运动论及能量按自由度均分原则，原子数目相同的气体，其摩尔热容相同，且与温度无关，称为定值摩尔热容。

对于单原子气体，在相当大的温度范围内，表中定值摩尔热容数值与实际热容非常吻合；

对于双原子气体，在0℃－200℃温度范围内，定值摩尔热容数值与平均比热容数值相当接近；

对于多原子气体，定值摩尔热容数值与平均比热容数值相差较大。第44页，课件共66页，创作于2023年2月第45页，课件共66页，创作于2023年2月应用：例题3-2（P67-68）取不同的比热容计算过程吸热量。按平均比热容计算的结果较准确计算过程复杂【必须掌握线性插值公式】；按定值比热容计算的误差最大计算过程简单【必须掌握定值比热容计算】。第46页，课件共66页，创作于2023年2月第47页，课件共66页，创作于2023年2月三、理想气体的热力学能，焓和熵（一）理想气体的热力学能与焓理想气体的热力学能与焓都是温度的单值函数。

适用范围：理想气体、任何过程。变化量真实比热容：第48页，课件共66页，创作于2023年2月理想气体的∆u和∆h的计算定值比热容：平均比热容：理想气体，任何过程第49页，课件共66页，创作于2023年2月

（二）理想气体的熵

变化量

根据熵的定义式、热力学第一定律表达式和理想气体状态方程：理想气体，任何微元过程理想气体的比熵是一个状态参数。第50页，课件共66页，创作于2023年2月定值比热容：

理想气体，任何过程第51页，课件共66页，创作于2023年2月结论：（1）理想气体比熵的变化完全取决于初态和终态，与过程所经历的路径无关。

理想气体的比熵是一个状态参数。

（2）以上公式适用于理想气体任何过程中熵变量的计算。

第52页，课件共66页，创作于2023年2月作业习题：3-33-43-8相关思考题第53页，课件共66页，创作于2023年2月第54页，课件共66页，创作于2023年2月四、理想气体的混合物

由相互不发生化学反应的理想气体组成混合气体。当每一组元（或组分）为理想气体时，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。第55页，课件共66页，创作于2023年2月理想气体混合物：

第56页，课件共66页，创作于2023年2月（一）分压力与分体积定律各组元的温度相等，但压力、体积不同。分压力：—某组元i