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1、第六章 常用工质的性质和热力过程,理想气体 水蒸气 湿空气,工程热力学的两大类工质,1、理想气体,可用简单的式子描述，即遵循克拉贝龙方程的气体。如燃烧设备中产生的烟气、汽车发动机燃用的燃气、空调中的湿空气，工程中常用的气体O2、H2、N2、CO、CO2、空气、大气中的水蒸气等在通常的使用温度、压力下都可看作理想气体。,2、实际气体,不能用简单的式子描述的真实气体。如 火力发电的水蒸气、制冷空调中制冷剂等。,为什么热机中使用的 工质一般都是气态物质？,热能向机械能的转换,容积功,工质体积变化显著,物质有固气液三态,气态,第一节 理想气体,1.分子本身是不占容积的弹性质点 2.分子之间没有作用力,
2、但是, 当实际气体 p 较小, 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。,现实中没有理想气体,理想气体假设,理想气体状态方程式,1mol：PVm=RT Vm摩尔体积 R摩尔气体常数 （通用气体常数）， R=8.314J/（molK）,n mol：PV=nRT,1kg： Pv=RgT Rg=R/M气体常数, J/（kgK） M摩尔质量,mkg ：PV=mRgT,例6-1 一个体积为25L的氧气瓶内存有压强为6MPa、温度为15的氧气，用去部分氧气后，瓶内氧气的压力降低为3MPa，温度降低到10，求用去氧气的质量。,J/(kgK)=259.8 J/(kgK),解：,
3、氧气瓶内原有的氧气质量,瓶内剩下的氧气质量,用去的氧气质量,例6-2 有一充气刚性容器，容积为5m3，容器内气体的表压力为pe=0.85Mpa，温度计读数为t=40。问在标准状态下气体容积可达多少? 设大气压pa0.1Mpa。,解：,由于容器内气体质量保持不变，所以有,容器内气体的绝对压强和温度分别为,T =（273+40）K=313K,理想气体的比热容,计算热力学能、 焓、熵的变化, 热量都要用到比热容。,比热容定义:,单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量,c : 质量比热容,摩尔比热容,C: 容积比热容,Cm=Mc=22.414C,理想气体的 定容比热容与定压比热容,根据理想气体假设：
4、,结合热力学第一定律得：,理想气体 定容比热和定压比热的关系,迈耶公式,令,（比热比）,应用比热求热量,定值比热法,平均比热法,真实比热法,平均比热 直线关系式法,平均比热表法,真实比热法,理想气体的比热与温度之间的函数关系,根据实验结果整理,热量,定值比热法,分子运动论,运动自由度,单原子,双原子,多原子,Cv,m kJ/(kmolK),Cp,m kJ/(kmolK),k,1.67,1.4,1.29,热量,平均比热表法,t,t2,t1,c (cp ,cv),c=f (t),工程上常将气体从0到t之间的平均比热列成表格以供查用,平均比热直线关系式法,t,t2,t1,c=f (t),空气,c,例
5、6-3 锅炉设备的空气预热器，要求每小时加热3500nm3的空气，使之在0.11MPa的压力下从25升高到250，计算每小时所需供给的热量。（用三种方法解）,方法一：采用定值比热,解：空气的质量流量为,查表得,方法二：采用平均比热表,查表得空气的,方法二：采用平均比热直线关系式,平均温度为,1.理想气体 u的计算,任何过程,理想气体,1）Cv为定值比热,2）cv 为真实比热,3）cv 为平均比热,三、理想气体的u、h、s,例6-4 一刚性容器由隔板分为A、B两部分，A侧有压力为600kPa、温度为27的空气，B侧为真空，且VB=5VA。若将隔板抽出，空气迅速膨胀充满整个容器，设过程在绝热情况下
6、进行。如果空气的热力学能是温度的单值函数，求容器内空气终态的压力和温度。,解：,过程绝热：,B侧真空且容器刚性：,2.理想气体 h的计算,2）Cp为真实比热,3）Cp为平均比热,1）Cp为定值比热,任何过程,3.理想气体s的计算,定值比热,理想气体 u、 h、s计算总结,定值比热,任何过程都适用？,u、h、s都是状态参数,四、 理想气体混合物,由两种或两种以上气体组成的混合物，称为混合气体。性质如同理想气体的混合气体称为理想混合气体。,一、道尔顿分压定律 理想混合气体的总压力p等于各组成气体的分压力pi之和,二、阿麦加特分体积定律 理想混合气体的总体积V，等于各组成气体的分体积i之和,三、混合
7、气体的成分,质量分数,体积分数,摩尔分数,平均摩尔质量,平均气体常数,比热容,五、 理想气体的基本热力过程,研究热力学过程的目的,热力设备通过工质的状态变化过程（热力过程）实现热能与机械能的相互转换。,研究外部条件对热功转换的影响， 提高过程的热功转换效率。,利用外部条件, 合理安排过程，形成最佳循环,对已确定的过程，进行热力计算,研究热力学过程的任务与方法,基本任务：,1) 确定参数 ( p, T, v, u, h, s )的 变化规律,2) 分析过程的能量转换关系：q , w, wt,方法：,2) 简化为可逆过程 (不可逆再修正),基本热力过程,研究热力学过程的依据,2) 理想气体,3)可
8、逆过程,研究热力学过程的步骤,1) 确定过程方程-反映过程中参数变化关系,5) 计算w , wt , q,4) 用T - s 与 p - v 图表示过程,2) 根据已知参数及过程方程求未知参数,3) 求过程的 u、 h、s,定容过程,工程上，某些热力设备中的加热或冷却过程是在接近定容的情况下进行的，如汽油机中燃料燃烧过程，由于燃料燃烧极为迅速，活塞还来不及运动，气体的温度和压力却急剧上升。,1.过程方程式,v=C,2.初终状态参数间的关系,v,p,s,T,p,2,2,过程的p-v,T-s图,2、2怎样确定？,能量转换,?,在图中表示?,?,?,例6-5 有1空气，p1=0.1MPa，t1=10
9、0, 定容加热到t2=300，求：p2、q、w、wt、u、h、s。用定值比热计算: cv=0.716kJ/(kgK), cp=1.004kJ/(kgK),解：,定压过程,工程上，某些热力设备中的加热或冷却过程是在定压的情况下进行的。例如，燃气轮机动力装置燃烧室中的燃烧加热过程，燃气压力变动极微，近似于定压过程。定压过程是一个很重要的热力过程。,1.过程方程式,p=C,2.初终状态参数间的关系,过程的p-v,T-s图,2、2怎样确定？,v,s,2,2,1,T,p,1,2,2,能量转换,?,在图中表示?,?,?,例6-6 有3空气，由T1=310K定压吸热630kJ。求：T2、W、Wt、U、H、S
10、。（用定值比热）,解：,定温过程,理想气体的定温过程不容易实现，但它是一种很重要的理论研究过程。,1.过程方程式,T=C,2.初终状态参数间的关系,过程的p-v,T-s图,2、2怎样确定？,1,2,2,能量转换,在图中表示?,?,例6-7 有1空气，由p1=1.02bar定温压缩到p2=5.88bar，t1=30。求：v2、w、q、s。（用定值比热计算）,解：,绝热过程,绝热,可逆,说明: (1) 不能说绝热过程就是等熵过程, 必须是可逆绝热过程才是等熵过程。,等熵,燃气流过燃气轮机或空气流过叶轮式压气机时，流速很快，经机壳向外界散失的热量机少，都可近似看作绝热过程。,等熵过程,1.过程方程式
11、,或,当,2.初终状态参数间的关系,过程的p-v,T-s图,能量转换,例6-8 有1空气，由p1=0.5MPa，t1=327，经过一个可逆绝热过程p2=0.1MPa。求：T2、v2、w。（用定值比热计算）,解：,理想气体热力过程的综合分析,四个基本热力过程之间有何联系?,过程方程有相同的形式,多变 过程,基本热力过程是多变过程的特例,理想气体热力过程的综合分析,T ,u,h ; v , w ; p , wt ; s , q ,w0,q0,wt0,u0 h0,第二节 水蒸气,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，蒸汽机发明，是唯一工质,直到内燃机发明
12、，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,沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化,(达到沸点，气体和液体均处在饱和状态下),汽化: 由液态变成气态的物理过程。 (不涉及化学变化),蒸发：液体表面上的汽化（任何温度下）,汽化,一、水蒸气的基本概念,液化,物质由气态变为液态的现象称为液化。 通常液化有两种方式：压缩和凝结。 压缩液化是在一定条件下，通过对气态物质压缩，使其液化，如液化石油气。 电厂中遇到的液化现象主要是凝结。凝结是气态物质遇到冷物体时液化的现象，如乏汽在凝汽器中遇到冷却表面凝结为水。一定压力的蒸汽
13、，必须降到一定温度时才开始凝结成水，该温度就是该压力下的凝结温度，蒸汽压力越低，凝结温度也越低。,饱和状态,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡状态。,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 ,干度,饱和液体和饱和蒸汽的混合物称为湿饱和蒸汽，简称为湿蒸汽。相应地，不含有饱和液体的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽，简称为干蒸汽。 为了确定湿蒸汽中所含饱和液体和饱和蒸汽的量，或确定湿蒸汽的状态，必须引入湿蒸汽特有的重要参数，即干度。 单位质
14、量湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量称为湿蒸汽的干度，表达式为,x=1，饱和蒸汽,x=0，饱和水,二、 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,过热蒸汽,h h,h = h,h = h,h h h,h h,s s,s = s,s = s,s s s,s s,未饱和水 （过冷水）,饱和水,锅炉省煤器,过冷度：t=ts-t,液体热：定压下，1kg水由三相点温度0.01升高到饱和温度所需的热量。,汽化潜热：定压下，1kg饱和水汽化成为饱和干蒸汽所需的热量。,过热热：定压下
15、，1kg饱和蒸汽过热所需的热量。,湿蒸汽的干度x,过热度：t=t-ts,锅炉过热器,水冷壁或锅炉管束,饱和干蒸汽,过热蒸汽,液体热随压力的升高而升高。,汽化潜热随压力的升高而减小,总热量,水蒸气定压发生过程说明,(1),(2),(3)实际气体汽化时，TTs不变，但h增加。,湿蒸汽的状态参数,湿蒸汽的干度,已知p或T(查图表得h,v,s,h,v,s)+干度x， 就可算出h ,v ,s,水蒸气定压加热过程p-v图，T-s图,v,vx,v”,s,sx,s”,某一压力下,s,一点,水蒸气定压加热过程p-v图，T-s图,二线,三区,五态,不同压力下,水的三相点与临界点,水的临界状态点,水的三相点：固、气、液共存的状态点,等压线上饱和态参数,p,ts,v,(m3/kg),v,s,s,kJ/(kg.K),0.006112,0.01,0.00100022,206.175,0.0,9.1562,1.0,99.63,0.0010434,1.6946,1.3027,7.3608,5.0,151.85,0.0010928,0.37481,1.8604,6.8215,50.0,263.92,0.0012858,0.03941,2.9209,5.
