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1、1混合气体和湿空气混合气体和湿空气 2本章学习目标：本章学习目标：1.复述理想气体混合物的分压力定律、分体积定律复述理想气体混合物的分压力定律、分体积定律，确定混合，确定混合 气体的平均摩尔质量和平均气体常数气体的平均摩尔质量和平均气体常数；2.确定混合物的比热容、热力学能、焓和熵等参数确定混合物的比热容、热力学能、焓和熵等参数；3.对比分析理想气体混合物与湿空气的异同对比分析理想气体混合物与湿空气的异同；4.复述湿空气相对湿度及含湿量定义，熟练应用解析法或图表复述湿空气相对湿度及含湿量定义，熟练应用解析法或图表 确定湿空气的各参数确定湿空气的各参数；5.熟练应用解析法或熟练应用解析法或h-d
2、 图进行湿空气常见热力过程计算和分析。图进行湿空气常见热力过程计算和分析。312-1 理想气体混合物理想气体混合物 12-2 湿空气湿空气12-3 相对湿度和含湿量相对湿度和含湿量12-4 湿空气的焓湿空气的焓-湿图湿图12-5 湿空气的热力过程湿空气的热力过程 本章教学内容本章教学内容教学参考资料：教学参考资料：工程热力学（第五版）工程热力学（第五版）？4121 理想气体混合物理想气体混合物一、气体混合物的折合气体常数和摩尔质量一、气体混合物的折合气体常数和摩尔质量 气体混合物的组分都处于理想气体状态，则混合气体气体混合物的组分都处于理想气体状态，则混合气体也处于理想气体状态；也处于理想气体
3、状态；混合气体可作为某种假想气体，其质量和分子数与组混合气体可作为某种假想气体，其质量和分子数与组分气体质量之和及分子数之和相同。分气体质量之和及分子数之和相同。你设想如何确定气体混合物的性质你设想如何确定气体混合物的性质你设想如何确定气体混合物的性质你设想如何确定气体混合物的性质理想气体混合物可作为具有理想气体混合物可作为具有Rg,eq、Meq的的“某种某种”理想气体。理想气体。求解理想气体混合物关键求解理想气体混合物关键Rg,eq、Meq。平均气体常数，平均气体常数，折合气体常数折合气体常数平均摩尔质量，平均摩尔质量，折合摩尔质量折合摩尔质量6二、混合气体的分压力定律和分容积定律二、混合气
4、体的分压力定律和分容积定律1.分压力定律分压力定律(Dalton law of partial pressure)分压力分压力组分气体处在与混合气体相同容积、相同组分气体处在与混合气体相同容积、相同温度单独对壁面的作用力。温度单独对壁面的作用力。p V T np1 V T n1pi V T nipm V T nm.分压力定律分压力定律7 2.分容积定律分容积定律(law of partial volume)分容积分容积组分气体处在与混合气体同温同压单独组分气体处在与混合气体同温同压单独 占有的体积占有的体积。p V T n p V1 TpVi T p Vm T.ni.分容积定律分容积定律 n1
5、nm.8三、混合气体成分三、混合气体成分2.体积分数体积分数(volume fraction of a mixture)3.摩尔分数摩尔分数(mole fraction of a mixture)1.质量分数质量分数(mass fraction of a mixture)？94.各成分之间的关系各成分之间的关系106.利用混合物成分求利用混合物成分求Meq和和Rg,eq1)已知质量分数已知质量分数5.分压力和总压力分压力和总压力由由112)已知摩尔分数已知摩尔分数例例A711143例例A411143由质量守恒由质量守恒12 已知组元气体常数分别为已知组元气体常数分别为Rg1和和Rg2的二元理想
6、混合气体在温度的二元理想混合气体在温度T，压力，压力p 时的密度时的密度，试确定该混合气体的质量分数，试确定该混合气体的质量分数wi。解解A711143返回返回13 由由A、B两种气体组成的混合气体，若质量分数两种气体组成的混合气体，若质量分数 wA wB，是否一定有摩尔分数是否一定有摩尔分数 xA xB，为什么？试以，为什么？试以H2和和CO2混合物，混合物，说明之。说明之。解解A411143xi 的大小取决于的大小取决于14返回返回15四、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵四、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵1.比热容比热容2.热力学能热力学能3.焓焓16?思考思考 如某种混
7、合气体由如某种混合气体由A，B两种气体组成，两种气体组成，压力压力 p，温度为，温度为 T，混合气体比熵混合气体比熵分压力分压力4.熵熵1 kg比比 较较171 kg定比热容定比热容1 mol定比热容定比热容五、混合气体五、混合气体(无化学反应无化学反应)过程熵变过程熵变18例例A4412551讨论：混合熵变讨论：混合熵变AeebaeeaAeebaeea 容积为容积为1 m3的刚性容器内贮有压力为的刚性容器内贮有压力为p1，温度，温度 t1=20的氮气的氮气和氧气的混合物和氧气的混合物1.209 kg，若对该混合气体加入热量，若对该混合气体加入热量86.62kJ，使，使其温度升高到其温度升高到
8、t2=120，试确定该容器内的质量分数，试确定该容器内的质量分数wN2和和wO2，已知，已知，解解 取混合气体为闭口系取混合气体为闭口系返回返回21 刚性绝热容器隔板两侧各储有刚性绝热容器隔板两侧各储有1 kmol O2和和N2。且且VA=VB，TA=TB，(1)抽去隔板，系统平衡后抽去隔板，系统平衡后;(2)将它们混合装于将它们混合装于C，VA=VB=VC，TA=TB=TC，求熵变。，求熵变。解解且均为且均为1 kmol即即00A4412551（1）取容器内全部气体为系统）取容器内全部气体为系统分析分析22混合前：混合前：混合后：混合后：取混合前气体状态（取混合前气体状态（pA1，TA）为参
9、考状态，则）为参考状态，则O2 及及N2 终态终态的熵值即为从参考状态到终态的熵变，所以的熵值即为从参考状态到终态的熵变，所以230（2）混合后混合后混合前混合前24？根据理想气体的性质根据理想气体的性质气体分子气体分子不占体积，分子之间没有作用力，故不占体积，分子之间没有作用力，故混合后氧和氮与混合前没有差异！混合后氧和氮与混合前没有差异！返回返回25p V T nAp V T nBp 2V T nA+nBS1-2=？S2-3=？T=C V T nA+nBS1-3=？为什么？为什么？不计气体间相互作用力，不计气体间相互作用力，状态状态2体积体积增大，增大，状态状态1和和3气体温度和气体温度和
10、比体积相同！比体积相同！混合熵变混合熵变从熵流熵产看，从熵流熵产看，过程过程1-2不可逆，不可逆，熵产大于零；熵产大于零；2-3可逆等温放可逆等温放热熵流小于零。热熵流小于零。1232Rln2-2Rln20nA=nB=126？为什么为什么S(2Rln2)与与S(0)不同不同若将气体若将气体A换成性质较接近气体换成性质较接近气体B的气体，的气体，S=若气体若气体A逐渐更换成无限接近逐渐更换成无限接近B的气体的气体S=若气体若气体A改成气体改成气体B，S=？返回返回27122 湿空气湿空气 地球上地球上大气大气由由氮、氧、氩、二氧化碳、水蒸气及极微量其氮、氧、氩、二氧化碳、水蒸气及极微量其它气体它
11、气体组成。组成。水蒸气水蒸气以外所有组成气体称为以外所有组成气体称为干空气干空气，看作不变，看作不变的整体。因此，的整体。因此，大气是干空气与水蒸气组成的混合气体大气是干空气与水蒸气组成的混合气体。干空气随时间、地理位置、海拔、环境污染等因素而产生干空气随时间、地理位置、海拔、环境污染等因素而产生微小变化，为便于计算干空气标准化（不考虑微量其它气体）微小变化，为便于计算干空气标准化（不考虑微量其它气体）成分成分相对分子质量相对分子质量摩尔成分摩尔成分O232.0000.209 5N228.0160.780 9Ar39.9440.009 3CO244.010.000 3一、干空气和湿空气一、干空
12、气和湿空气28湿空气湿空气=干空气干空气(dry air)+水蒸气水蒸气(water vapor)湿空气是湿空气是理想气体混合物理想气体混合物二、未饱和湿空气二、未饱和湿空气(unsaturated air)和和 饱和湿空气饱和湿空气(saturated air)空气中的水蒸气空气中的水蒸气过热过热空气未饱和空气未饱和饱和饱和空气饱和空气饱和1.饱和湿空气饱和湿空气注：空气中的水蒸气温度和饱和压力关系可查注：空气中的水蒸气温度和饱和压力关系可查附表附表14或是和水或是和水 蒸气的饱和性质表。蒸气的饱和性质表。空气饱和与否取决于空气饱和与否取决于t，pv如如当当空气未饱和空气未饱和空气饱和空气饱
13、和1?空气饱和空气饱和30.2.空气达成饱和的途径空气达成饱和的途径 t 不变不变，pv 上升，上升，pv=ps(t)pv 不变不变，t 下降，下降，t=ts(pv).313.露点露点（dew point）湿空气中水蒸气压力湿空气中水蒸气压力pv所对应所对应 的饱和温度，的饱和温度，td=ts(pv)。例例A4221442.32氢气和水蒸气混合物中容积成分如下：氢气和水蒸气混合物中容积成分如下：，混合物的总压力，混合物的总压力p=0.15 MPa。假定该。假定该混合物被等压冷却到混合物被等压冷却到20，求，求（1）露点温度；（）露点温度；（2）终态时）终态时气相部分的容积成分。气相部分的容积成
14、分。解解在露点温度时，水蒸气的饱和压力等于在露点温度时，水蒸气的饱和压力等于5.25kPa，查表得：，查表得：td=33.8（1）根据理想气体混合物性质根据理想气体混合物性质A422144233返回返回（2）终态终态思考：气相氢摩尔分数增高？思考：气相氢摩尔分数增高？3412-3 相对湿度和含湿量相对湿度和含湿量一、绝对湿度一、绝对湿度(absolute humidity)每立方米湿空气中水蒸气的质量每立方米湿空气中水蒸气的质量 kg/m33）v 数值不能直接反映湿空气吸湿能力的大小，数值不能直接反映湿空气吸湿能力的大小，如如 pv=0.656 6 kPa，1时时 pv=ps，无吸湿能力，无吸
15、湿能力 10时时pv ps，有吸湿能力。，有吸湿能力。1）理想气体理想气体2）35 二、相对湿度（饱和度二、相对湿度（饱和度）（humidity）湿空气中水蒸气含量与同温度下最大可能含量之比。湿空气中水蒸气含量与同温度下最大可能含量之比。=0 干空气干空气0 ts（p），如在），如在1atm时，时，t 100 时，由于水蒸汽的时，由于水蒸汽的最大压力（饱和压力）最大压力（饱和压力）ps p，故故1.2.此时此时36三、含湿量三、含湿量d(humidity;humidity ratio)1 kg干空气中所含水蒸气的质量干空气中所含水蒸气的质量a）当）当p一定时，一定时，kg水蒸气水蒸气/kg干空
16、气干空气b)一定，一定，升温吸湿原理升温吸湿原理讨论：讨论：例例A92213337?已知图中已知图中1、2、3各点在同一等压线上，试比较其各点在同一等压线上，试比较其v、及及d 的大小的大小解解A922133返回返回38四、干球温度四、干球温度 t(dry-bulb temperature)，湿球温度湿球温度 tw(wet-bulb temperature)和绝热饱和温度和绝热饱和温度t ad(adiabatic-saturation temperature)1.干、湿球温度计干、湿球温度计(wet-and-dry-bulb thermometer;psychrometer)原理原理39 干球温度、湿球温度和露点的关系干球温度、湿球温度和露点的关系有效汽膜层内有效汽膜层内饱和饱和饱和温度饱和温度饱和温度饱和温度404212-4 湿空气的焓湿空气的焓-湿图湿图(psychrometric chart)一、湿空气的焓一、湿空气的焓东南大学东南大学清华大学清华大学北京林业大学北京林业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学kJ/kg干空气干空气例例A42217743 50m3的房间内空气的房间内空气
