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1、第三章 气体和蒸汽的性质,2,系统,工质,状态、状态参数,过程,循环,平衡,准静态、可逆,p-V 图、T-S 图,理想,实际,过程功、热量、熵,工程热力学的研究内容,能量转换的基本定律 工质的基本性质与热力过程 热功转换设备、工作原理 化学热力学基础,3,第一节 理想气体的概念,1、理想气体（ ideal gas）,实际上不存在的假想气体； 分子是些弹性的、不具体积的质点，分子相互间没有作用力压力趋于零、比体积趋近于无穷大； 可用简单的式子描述； 一般条件：温度不太低、压力不太高、远离液态,4,1. 分子之间没有作用力 2. 分子本身不占容积,但是, 当实际气体 p 很小, V 很大, T不太
2、低时, 即处于远离液态的稀薄状态时, 可视为理想气体。,理想气体模型 Model of ideal-gas,现实中没有理想气体,5,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,T常温，p7MPa 的双原子分子,理想气体,O2, N2, Air, CO, H2,三原子分子（H2O, CO2)一般不能当作理想气体,特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO2,如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等,6,2、实际气体（ real gas）,不能用简单的式子描述，不满足上述两点假设，真实工质 火力发电的水和水蒸气、制冷空调
3、中制冷工质等,7,3 理想气体状态方程式,Ideal-gas equation of state,四种形式的克拉贝龙方程：,R 与Rg,摩尔体积Vm,状态方程,统一单位,8,摩尔体积Molar specific volume (Vm),摩尔 摩尔质量：1mol气体的质量 M 摩尔体积：1mol气体的体积 Vm 阿伏伽德罗假说 Avogadros hypothesis: 相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积Vm相同,在标准状况下,下标“0”表示标准状态,标准立方米,VmMv103,9,R与Rg的区别,R通用气体常数,Rg气体常数,MMolar mass,例如,Universal Gas co
4、nstant,与气体种类无关,Gas constant,与气体种类有关,10,计算时注意事项,1、绝对压力,2、温度单位 K,3、统一单位（最好均用国际单位）,11,第二节 理想气体的(比)热容Specific Heats,计算内能, 焓, 热量都要用到热容,定义: 热容,物体的温度升高1K或1oC所需的热量,The energy required to raise the temperature of a substance by one degree.,单位: J/K或J/,12,Cm=Mc=0.0224141C,热容,单位: J/K,13,T,s,(1),(2),1 K,比热容是过程量还
5、是状态量?,c1,c2,用的最多的某些特定过程的比热容,定容比热容,定压比热容,T,14,定容比热容cv,任意准静态过程,Specific heat at constant volume,任意准静态过程,15,cv和cp的说明,1、 cv 和 cp ，过程已定, 可当作状态量 。,2、前面的推导没有用到理想气体性质,3、 h、u 、s的计算要用cv 和 cp 。,适用于任何气体。,cp物理意义： p 时1kg工质升高1K焓的增加量,cv物理意义： v 时1kg工质升高1K热力学能的增加量,16,cv和cp的关系,迈耶公式,17,cv和cp的关系,定义：比热容比,18,常见工质的cv和cp的数值
6、,0oC时：,cv,air = 0.716 kJ/(kgK) cp,air = 1.004 kJ /(kgK),cv,O = 0.655 kJ /(kgK) cp,O = 0.915 kJ/ (kgK),1000oC时：,cv,air= 0.804 kJ /(kgK) cp,air = 1.091 kJ /(kgK),cv,O = 0.775 kJ /(kgK) cp,O = 1.035 kJ /(kgK),25oC时：,cv,H O= cp,H2O= 4.1868 kJ /(kgK),2,2,2,2,2,19,真实比热容,理想气体的比热容是温度的复杂函数(附表4),平均比热容（附表5）,温度
7、由t1升高到t2所需的热量q除以温差(t2 t1),20,平均比热容的直线关系式（附表6）,定值比热容,假定比热容与温度成直线关系,i 分子运动自由度（运动方向的个数）,单原子分子：空间三个方向的平移；3 双原子分子：平移、垂直于原子连线轴的旋转。5,21,第三节 理想气体的热力学能、焓和熵,一、理想气体的u和h,积分,1 热力学能 u,定容过程吸收的热全部转化为热力学能,22,定压过程吸收的热全部转化为焓,2 焓 h,23,理想气体，任何过程,热力学能和焓的计算,24,（1）水蒸气三相态中的液态水的u为零 （2）一些制冷工质：20或40 饱和液态u为零 （3）理想气体：0K或0时h为零,关于
8、基准态热力学能或焓值为零,取热力学能或焓值为零的点作为计算的基准,25,二 状态参数熵 s,熵的定义:,仅可逆适用？,仅取决于初态和终态,26,三 理想气体熵变计算,27,左边除以pv 右边除以RgT,即,积分得,28,近似计算时，取cp、cv为定值，则,29,思考题,3. 气体吸热后热力学能一定升高？,1. 气体吸热后熵一定增大？,2. 气体吸热后温度一定升高？,4. 气体膨胀时一定向外做功？,5. 气体压缩时一定耗功？,30,第四节 水蒸气的饱和状态和相图,水蒸气?,水蒸气,蒸气,蒸汽,Steam,Vapor,Water Vapor,液体或固体因蒸发、沸腾或升华而变成的气体,水加热到沸点所
9、变成的水汽;气态的水。亦称“水蒸气”,31,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,32,物质三种聚集状态：固态、液态、气态,相图：由同一物质不同相之间的平衡曲线组成的图,水的三态：,冰、 水、 蒸汽,Solid,Liquid,Gas,Ice,Water,Steam,T,p,低温高压,高温低压,中温中压,固态,液态,气态,高温高压,33,纯物质的p-T相图,p,T,液,气,固,一般
10、物质,三相点,临界点,流体,升华线,凝固线,汽化线,Ttp273.16K，ptp=611.659Pa,34,思考题,没有。t 374.16 ,有,3. 有没有500C的水？,1. 溜冰冰刀,2. 北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相,4. 有没有-3 的蒸汽？,5. 一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加热，是否一定能变成蒸汽？,是,35,第五节 水的汽化过程和临界点,汽化： 由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化) 凝结：由气态变成液态的过程，汽化的反过程,沸腾(Boil)：表面和液体内部同时发生的汽化 (气体和液体均处在饱和状态下）,蒸发(Vaporization)：汽液表面上的汽化,
11、一 基本概念,36,二 饱和状态 Saturation state,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？,Ts,ps,ps=1.01325bar,ts=100 ,青藏 ps=0.6bar,ts=85.95 ,高压锅 ps=1.6bar,ts=113.32 ,Saturation temperature,Saturation pressure,37,三 水蒸气的定压发生过程,t ts,t = ts,t = ts,t = ts,t ts,v v,v = v,v = v,v v v,v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热
12、蒸汽,h h,h = h,h = h,h h h,h h,s s,s = s,s = s,s s s,s s,液体热ql,汽化潜热,过热热qsup,38,s,p-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程,一点：临界点； 二线：饱和水线、饱和蒸汽线； 三区：过冷水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区； 五态：过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽,干度x：1kg湿蒸汽中含有xkg的饱和蒸汽，余下的为饱和水。,39,第六节 水和水蒸气的状态参数,关注变化值，故原则上可任取零点。 国际上统一规定：,但 原则上不为0， 对水：,一 焓、热力学能、熵零点的规定,水的三相点,40,水和水蒸气状态参数确定的原则,
13、1、未饱和水及过热蒸汽,确定任意两个独立参数，如：p、T,2、饱和水和干饱和蒸汽,确定 p 和 T,3、湿饱和蒸汽,除p或T外，其它参数与两相比例有关,干度x：如果有1kg湿蒸气，干度为x, 即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,41,过程量：终态与初态的差值,如：沿第一条曲线。确定0，1，1和1点的状态，就可计算过程量。,二 状态参数的确定,温度为0.01、压力为p的过冷水,温度为t、压力为p的饱和水,温度为t、压力为p的干饱和蒸汽,温度为t、压力为p的湿饱和蒸汽,压力为p的过热蒸汽,42,0 温度为0.01、压力为p的过冷水,1 温度为t、压力为p的饱和水,43,1 温度为t、压力为
14、p的干饱和蒸汽 以表示,11 温度为t、压力为p的湿饱和蒸汽 需用到干度x,44,压力为p的过热蒸汽,过热度：超过 ts 之值,过热量: 不宜工程使用,45,第七节 水蒸气表和图,一 水蒸气表 有两类,2、未饱和水和 过热蒸汽表,1、饱和水和干 饱和蒸汽表,五种状态：未饱和水、饱和水、湿蒸汽、饱和蒸汽、过热蒸汽,按温度排列：,按压力排列：,实际上由饱和参数计算获得,46,二 水蒸气图,1、T-s 图,确定状态参数，曲线下的面积表示热量，并用于其他量的变化的计算,2、h-s 图,可由线的长度表示热量，使用方便,47,1）、零点：h=0，s=0；,2）、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）,C点为分界点，不在极值点上,焓熵图的画法,h,s,C,x=1,x=0,48,斜直线,向上翘的发散的形线,h,s,C,x=1,x=0,49,气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体,h,s,C,x=1,x =0,50,h,s,C,x=1,x =0,51,在x=0, x=1之间，从C点出发的等分线,h,s,C,x=1,x =0,第三章 完 End of Chapter three,
