《工程热力学―3-气体和蒸气的性质与过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学―3-气体和蒸气的性质与过程（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020 6 11 ETP SMM NEU 1 3气体和蒸汽的性质与过程 3 1理想气体状态方程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理想气体混合物3 5水和水蒸气的相变3 6水和水蒸气的热力性质3 7理想气体的热力过程3 8理想气体热力过程综述3 9水蒸气的热力过程 2020 6 11 ETP SMM NEU 2 3 1理想气体状态方程 3 1 1经验定律所谓理想气体 idealgas 是一种假想的实际上不存在的气体 其分子是一些弹性的 不占体积的质点 分子间无相互作用力 理想气体也称为完全气体 perfectgas 理想气体的分子运动规律大为简化 分子间只能进行对中碰
2、撞 且碰撞为完全弹性 无动能损失 碰撞前与碰撞后分子均进行不受任何影响的匀速直线运动 一般地 物质都有固 液 气三态 当气体距离液态比较远时 此时分子间的距离相对于分子的大小非常大 气体的性质与理想气体相去不远 可以当作理想气体 2020 6 11 ETP SMM NEU 3 十七 十八世纪之间 人们通过大量实验 发现在平衡状态 平衡状态是指 一定范围内的气体 在不受该范围以外的物质的影响的条件下 其压力 温度 比容等参数保持不变的状态 下 气体的压力 温度和比容 单位质量气体所占的容积 之间存在着一定的依赖关系 从而建立了一系列经验定律 波义耳 马略特 波义耳 RobertBoyle 162
3、7 1686 Englishman 马略特 EdmeMariotte 1620 1684 Frenchman 定律指出 在温度不变的条件下 气体的压力和比容成反比 即p1v1 p2v2 pv 常数 3 1 盖 吕萨克 JosephLouisGay Lussac 1778 1850 Frenchman 定律指出 在压力不变的条件下 气体的比容和绝对温度成正比 即 3 2 3 1理想气体状态方程 3 1 1经验定律 2020 6 11 ETP SMM NEU 4 3 1理想气体状态方程 3 1 1经验定律 查理 JaequesAlexandreC serCharles 1746 1823 Fren
4、chman 定律指出 在比体积不变的条件下 气体的压力和绝对温度成正比 即 综合上述三个定律可以得出 在一般情况下 p v T三个参数都可能变化时 有 3 3 或写作pv RgT 3 4 式中Rg叫做气体常数 由于在同温同压下 同体积的各种气体质量各不相同 因而Rg值随气体的种类而异 Rg的单位是J kg K 或kJ kg K 2020 6 11 ETP SMM NEU 5 3 1理想气体状态方程 3 1 1经验定律 式 3 4 就是理想气体状态方程 也称为克拉贝龙 Clapeyron 方程 式 3 4 也可以表示为微分的形式 3 4a 阿佛加德罗 A Avogadro 1776 1856 定
5、律指出 同温度 同压力下 同体积的各种气体具有相同的分子数 在标准状态 p 101325Pa T 273 15K 下 22 41410 0 00019m3的气体具有6 0225 1026个气体分子 即1kmol 千摩尔 1kmol气体质量的千克数等于该气体的相对分子质量 分子量 数 所以若气体的相对分子质量为M 则1kmol该气体的质量为M kg 称为摩尔质量 将式 3 4 的两边同乘以M 有pMv MRgT式中Mv一项即为1kmol气体的体积Vm 称为摩尔体积 MRg则为1kmol气体的气体常数 显然 它为一与具体的气体种类及性质无关的定值 2020 6 11 ETP SMM NEU 6 3
6、 1理想气体状态方程 3 1 1经验定律 我们称之为摩尔气体常数或者通用气体常数 以R表示 因而1kmol理想气体的状态方程可写作pVm RT对于n kmol 理想气体 状态方程则可以写成pV nRT 3 5 式中 V nVm就是气体的体积 由MRg R得 Rg 3 6 这意味着 我们可以利用摩尔气体常数和气体的分子量来计算气体常数 例如 氧气的分子量约等于32 则 260J kg K Rg O2 通用气体常数等于另外两个基本物理恒量阿伏加德罗常数NA和玻尔兹曼常数k之积 R kNA 1 38054 10 23 6 022169 1023 8 314J mol K 2020 6 11 ETP
7、SMM NEU 7 3 1理想气体状态方程 3 1 1经验定律 例3 1 氧气瓶的容积为0 15m3 瓶内压力为15MPa 室内温度20 问此时瓶内有多少kg的氧气 常压下其体积有多大 如果室温上升到35 瓶内压力有多大 如果把它放到 15 的室外 瓶内压力又会是多少 解 设常压为0 1MPa 则 若室温上升到35 若放到 15 的室外 13 21 MPa 29 52 kg 22 5 m3 15 77 MPa 2020 6 11 ETP SMM NEU 8 3 1 2分子运动论 3 1理想气体状态方程 2020 6 11 ETP SMM NEU 9 3 1理想气体状态方程 3 1 2分子运动论
8、 2020 6 11 ETP SMM NEU 10 3 2 1比热容的定义 3 2理想气体的比热容 为了计算工质在状态变化过程中传递的热量 引入比热容的概念 第一章给出了模拟功的计算式而得出的热量的计算式 1 11 但它实际只是提供了熵的定义式dS 年伽托林就引入了 比热 的概念 真正用于实际计算的是比热容 1784 物质温度升高一定温度的过程中 吸收了一定的热能 表明物质具有容纳热能的能力 物质温度升高1K所吸收的热能称为物质的热容量 简称热容 以C表示 单位为J K 单位质量物质的温度升高1K 或1 所吸收的热能称为质量热容 又称为比热容 比热容量 简称比热 用c表示 其单位为J kg K
9、 2020 6 11 ETP SMM NEU 11 3 2理想气体的比热容 3 2 1比热容的定义 在比热容的概念确定的同时 确定了热量的单位和水的比热值 定义当1kg水的温度升高1 时所吸收的热量为1kcal 定义水的比热为1kcal kg K 上述比热容的定义采用了有限温度值 并不严谨 应当利用微分的概念来定义 或 3 7 1mol或1kmol的物质热容量称为摩尔热容 单位为J mol K J kmol K 或kJ kmol K 以Cm表示 标准状态下1m3的物质的热容称为体积热容 单位为J m3 K 以C 表示 三者之间的关系为Cm Mc 22 4141C 3 8 式中 Cm按J kmo
10、l K 计 2020 6 11 ETP SMM NEU 12 在两个热力状态之间 发生不同的过程 传热量也不同 热量是过程的参数而不是状态参数 从式 3 6 可以看出 传热量的变化时比热容也随之变化 所以比热容也是过程量 热力过程确定以后 比热容不会随过程而变 废话 过程确定 当然不变了 这种条件下的比热容的影响因素只剩下了状态 因而成为状态参数 其中的定压过程比热容和定容过程比热容在其它过程中有其它用途 不是传热计算 比较受重视 实际热力设备中 工质经常在定压或定容条件下工作 定压过程比热容和定容过程比热容也就比较常用 我们称定压过程比热容和定容过程比热容为比定压热容和比定容热容 也称质量定
11、压热容和质量定容热容 曾用名定压比热和定容比热 但是不应称为定压热容和定容热容 因为定压热容和定容热容应当是对于系统内全部工质的 分别以cp和cv表示 由热力学第一定律的第一 第二表达式 式 2 2 和式 2 5 对于可逆过程得 dq du pdv dq dh vdp 3 2理想气体的比热容 3 2 1比热容的定义 2020 6 11 ETP SMM NEU 13 3 2理想气体的比热容 3 2 1比热容的定义 定容过程 dv 0 cv 定压过程 dp 0 cp 这两个式子直接由cp和cv的定义导出 故适用于一切工质 第二章中谈到热力学能 内能 时曾经说明 理想气体的分子间无作用力 不存在内位
12、能 热力学能只包括取决于温度的内动能 因此与比体积无关 理想气体的热力学能是温度的单值函数 u f T 焓h u pv 因为理想气体pv RT 所以h u RT 很明显 理想气体的焓也只是温度的单值函数 h f T 2020 6 11 ETP SMM NEU 14 cv and cp 于是 这两个式子表明理想气体的定压比热和定容比热也仅是温度的单值函数 3 2 2比定压热容和比定容热容 定压比热和定容比热 3 2理想气体的比热容 由h u RgT 若对T求导 这意味着cp cv Rg此式人称迈耶公式 在确定理想气体比热容很有用途 定压比热和定容比热的比值称为比热容比 简称比热比 它在热力学理论
13、研究和热工计算方面是一个重要参数 它还有个名字叫绝热指数 以k表示 2020 6 11 ETP SMM NEU 15 3 2理想气体的比热容 3 2 2比定压热容和比定容热容 严格地讲 比热容比要随状态变化而变化 但在不要求很高精度时 可以看作定值以简化分析计算 若k取定值 则对于单原子气体 k 1 67 双原子气体 k 1 40 多原子气体 k 1 29 水蒸气 k 1 135 联立求解cp cv Rg和可得 cv 和cp 当比热容比k取定值时 理想气体的比定压热容和比定容热容也成为定值 例如 对于氧气 cv O2 650J kg K cp O2 910J kg K 2020 6 11 ET
14、P SMM NEU 16 3 2 3比热容的变化问题 3 2理想气体的比热容 一真实比热容理想气体的比热容仅与温度有关 已经相当简单了 但这个关系还是相当复杂 根据数学知识 一个函数关系可以表达成为一个级数 一个有无穷多项的多项式 于是c a0 a1T a2T2 a3T3 c b0 b1t b2t2 b3t3 实际使用时 常常截取前几项来进行计算 文献中常常提供截断后的多项式形式的真实比热 既然截断 就有误差 可以根据这些来积分计算 求取传热量 积分计算的计算量相当大 不利于手工计算 随着计算机的普及 采用机器计算有关真实比热问题将越来越多 2020 6 11 ETP SMM NEU 17 3
15、 2理想气体的比热容 平均比热容表三平均比热的直线关系式 3 2 3比热容的变化问题 2020 6 11 ETP SMM NEU 18 3 2理想气体的比热容 3 2 2比定压热容和比定容热容 2020 6 11 ETP SMM NEU 19 3 2理想气体的比热容 3 2 2比定压热容和比定容热容 2020 6 11 ETP SMM NEU 20 3 3 1理想气体的热力学能 3 3理想气体的热力学能 焓和熵 2020 6 11 ETP SMM NEU 21 许多工质都是由几种气体组成的混合物 例如 内燃机 燃气轮机装置中的燃气 锅炉 工业炉窑中的烟气 以及空气都是混合气体 燃气和烟气的主要
16、成分是N2 CO2 H2O O2 还有CO SOx NOx等等 空气的主要成分是N2 O2 及少量的CO2和惰性气体 作为热力循环工质的混合气体 一般来说成分稳定 无化学反应 混合气体中 各个组成气体的相对多少叫混合气体的成分 分数 按各组成气体含量占总量的百分数计 依计量单位不同而有 质量分数xi 摩尔分数 3 4理想气体混合物 摩尔分数 i 和体积分数 i i 和体积分数 i 2020 6 11 ETP SMM NEU 22 3 4 1混合气体的 3 4理想气体混合物 2020 6 11 ETP SMM NEU 23 3 4 1混合气体的 3 4理想气体混合物 2020 6 11 ETP SMM NEU 24 3 4 1混合气体的 3 4理想气体混合物 2020 6 11 ETP SMM NEU 25 3 5WaterandSteam Vapor 蒸发蒸发 evaporation 是液体温度低于沸点时 发生在液体表面的汽化过程 蒸发在任何温度下都能发生 影响蒸发快慢的因素 温度 湿度 液体的表面积 液体表面上的空气流动等 Boil与蒸发不同 在给定的压力下 沸腾是在某一特定温度下发
