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1、第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质工程热力学的研究内容工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础化学热力学基础工程热力学的两大类工质工程热力学的两大类工质 1、理想气体（理想气体（ ideal gas） 可可用用简单简单的式子描述的式子描述 如汽车发动机和航空发动机以空气为主如汽车发动机和航空发动机以空气为主的的燃气燃气、空调中的、空调中的湿空气湿空气等等2、实际气体（实际气体（ real gas） 不不能用能用简单简单的式子描述，真实工质的式
2、子描述，真实工质 火力发电的火力发电的水水和和水蒸气水蒸气、制冷空调中、制冷空调中制制冷工质冷工质等等1. 分子之间没有作用力分子之间没有作用力 2. 分子本身不占容积分子本身不占容积 但是但是, 当实际气体当实际气体 p 很小很小, V 很大很大, T不太低时不太低时, 即处于即处于远离液态远离液态的的稀薄稀薄状状态时态时, 可视为可视为理想气体理想气体。 理想气体理想气体模型模型现实中没有理想气体现实中没有理想气体 当实际气体当实际气体 p 很小很小, V 很大很大, T不不太低时太低时, 即处于即处于远离液态远离液态的的稀薄稀薄状态状态时时, 可视为可视为理想气体理想气体。 哪些气体可当
3、作理想气体哪些气体可当作理想气体T常温常温，p7MPa的的双原子双原子分子分子理想气体理想气体O2, N2, Air, CO, H2如汽车发动机和航空发动机以空气为主的如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气燃气等等三原子三原子分子（分子（H2O, CO2)一般一般不能不能当作当作理想气体理想气体特殊，如空调的特殊，如空调的湿空气湿空气，高温烟气的，高温烟气的CO2 ，可以，可以作为理想气体作为理想气体3-1 3-1 理想气体状态方程理想气体状态方程 理想气体理想气体定义：定义：凡遵循凡遵循克拉贝龙克拉贝龙(Clapeyron)方程的气方程的气体体四种形式的四种形式的克拉贝龙克拉贝龙方程：方程
4、：注意注意: : R 与与Rg 摩尔容积摩尔容积Vm状状态态方方程程统一单位统一单位理想气体状态方程的其它形式理想气体状态方程的其它形式 理想气体在流动中处于平衡状态时，理想理想气体在流动中处于平衡状态时，理想气体状态方程还可以表述为：气体状态方程还可以表述为：3-2 比热容比热容计算计算内能内能, , 焓焓, , 热量热量都要用到都要用到热容热容定义定义: 比热容比热容单位物量的物质升高单位物量的物质升高1K或或1oC所需的热量所需的热量c : 质量比热容质量比热容 Cm: 摩尔比热容摩尔比热容C: 容积比热容容积比热容Cm=Mc=22.414CTs(1)(2)1 K比热容是过程量还是状态量
5、比热容是过程量还是状态量? ?c1c2用的最多的某些特定过程的比热容用的最多的某些特定过程的比热容定容比热容定容比热容定压比热容定压比热容定容比热容定容比热容cv任意准静态过程任意准静态过程u是状态量，设是状态量，设 定容定容物理意义物理意义： v 时时1kg工质升高工质升高1K内能的增加量内能的增加量定压比热容定压比热容cp任意准静态过程任意准静态过程h是状态量，设是状态量，设 定压定压物理意义物理意义： p 时时1kg工质升高工质升高1K焓的增加量焓的增加量cv和和cp的说明的说明1、 cv 和和 cp ，过程已定，过程已定, 可当作可当作状态量状态量 。2、前面的推导前面的推导没有没有用
6、到用到理想气体理想气体性质，性质， 所以所以3、 h、u 、s的计算要用的计算要用cv 和和 cp 。适用于适用于任何气体任何气体。常见工质的常见工质的cv和和cp的数值的数值0oC时：时：cv,air= 0.716 kJ/kg.K cp,air= 1.004 kJ/kg.Kcv,O2= 0.655 kJ/kg.K cp,O2= 0.915 kJ/kg.K1000oC时：时：cv,air= 0.804 kJ/kg.K cp,air= 1.091 kJ/kg.Kcv,O2= 0.775 kJ/kg.K cp,O2= 1.035 kJ/kg.K25oC时：时：cv,H2O= cp,H2O= 4.1
7、868 kJ/kg.K3-3 3-3 理想气体的理想气体的u、h、s和热容和热容一、一、理想气体的理想气体的u 1843年年焦耳焦耳实验，对于实验，对于理想气体理想气体p v T 不变不变 AB绝热自由膨胀绝热自由膨胀真空真空理想气体的内能理想气体的内能u理气绝热自由膨胀理气绝热自由膨胀 p v T 不变不变 理想气体理想气体u只与只与T有关有关理想气体内能理想气体内能的物理解释的物理解释内能内能内动能内动能内位能内位能T, v 理想气体无分子间作用力，理想气体无分子间作用力，内能内能只只决定于决定于内动能内动能? 如何求理想气体的如何求理想气体的内能内能 uT理想气体内能的计算理想气体内能的
8、计算理想气体，任何过程理想气体，任何过程理想气体理想气体 实际气体实际气体理想气体的焓理想气体的焓理想气体理想气体实际气体实际气体理想气体理想气体h只与只与T有关有关理想气体，任何过程理想气体，任何过程熵熵的定义的定义: 可逆过程可逆过程 理想气体理想气体理想气体的熵理想气体的熵pv = RgT仅可逆适用？仅可逆适用？T1 p1 v1 s1T2 p2 v2 s212理想气体，任何过程理想气体，任何过程一般工质一般工质: 理想气体：理想气体：迈耶公式迈耶公式理想气体的热容理想气体的热容令令比热比比热比1、按定比热按定比热 2、按真实比热计算按真实比热计算3-4 理想气体热容理想气体热容、u、h和
9、和s的计算的计算3、按平均比热法计算按平均比热法计算理想气体热容的理想气体热容的计算计算方法：方法：h、u 、s的计算要用的计算要用cv 和和 cp分子运动论分子运动论1、按定比热、按定比热计算计算理想气体热容理想气体热容运动自由度运动自由度单原子单原子双原子双原子多原子多原子Cv,mkJ/kmol.KCp,m kJ/kmol.Kk1.671.41.292、按真实比热、按真实比热计算计算理想气体理想气体的的热容热容根据实验结果整理根据实验结果整理 理想气体理想气体3、按平均比热、按平均比热计算计算理想气体理想气体的的热容热容t t2 t1 c(cp ,cv) 附表附表 5c=f (t) 摄氏摄
10、氏求求O2在在100-500平均定压热容平均定压热容1. 2. cv 为真实比热为真实比热3. cv 为平均比热为平均比热理想气体理想气体 u的计算的计算4. 若为空气，直接查若为空气，直接查 附表附表7理想气体，任何过程理想气体，任何过程T1 u1T2 u2121. 2. cp 为真实比热为真实比热3. cp 为平均比热为平均比热理想气体理想气体 h的计算的计算4. 若为空气，直接查若为空气，直接查 附表附表7理想气体，任何过程理想气体，任何过程1、若定比热若定比热理想气体理想气体 s的计算的计算理想气体，任何过程理想气体，任何过程理想气体理想气体 s的计算的计算2、真实比热真实比热(经验式
11、经验式)选择精确的真实比热容经验式选择精确的真实比热容经验式算得熵变算得熵变理想气体理想气体 s的计算的计算2、真实比热真实比热(查表查表)取基准温度取基准温度 T0=0K, P0=101325Pa,任意状态（任意状态（T,P ) 时的时的 s 值为：值为：若为空气，查若为空气，查 附表附表7得得查查 附表附表8选定状态选定状态(T0, P0)后，状态后，状态(T, P0)的的 值为：值为：例例1:1:某种理想气体作自由膨胀，某种理想气体作自由膨胀，求：求：ss1212。解：解：1 1）因容器刚性绝热，）因容器刚性绝热， 气体作自由膨胀气体作自由膨胀即即T T1 1=T=T2 20理想气体理想
12、气体 s计算计算举例举例又因为是闭口系，又因为是闭口系，m不变，而不变，而V2=2V10上述两种结论哪一个对？为什么？上述两种结论哪一个对？为什么？为什么熵会增加？为什么熵会增加？既然既然?结论：结论： 1 1）必须可逆必须可逆2 2）熵是状态参数，故用可逆方法推出的公式也）熵是状态参数，故用可逆方法推出的公式也 可用于不可逆过程。可用于不可逆过程。3）不可逆绝热过程的熵变大于零。）不可逆绝热过程的熵变大于零。理想气体理想气体 s计算计算举例举例例例2:2: 1kg 1kg空气从初态空气从初态p p1 1=0.1MPa=0.1MPa，t t1 1=100=100c c，经历某种，经历某种变化后
13、到终态变化后到终态 p p2 2=0.5MPa=0.5MPa，t t2 2=1000=1000c, c, 求：熵变。求：熵变。(1) (1) 取定比热。（取定比热。（2 2）用查表法。）用查表法。解：解：（1）2）查表查表3-4 3-4 水蒸气的饱和状态和相图水蒸气的饱和状态和相图一、汽化与凝结一、汽化与凝结汽化汽化物质由物质由液态转变为气态液态转变为气态的过程的过程汽化方式汽化方式 蒸发：汽化过程在蒸发：汽化过程在液体表面液体表面发生发生沸腾：汽化过程在沸腾：汽化过程在液体表面及内部液体表面及内部同时发生同时发生凝结凝结物质由气态转变为液态的过程。凝结的速度物质由气态转变为液态的过程。凝结的
14、速度取决于空间蒸气的压力。取决于空间蒸气的压力。二、饱和状态二、饱和状态液体分子脱离其液体分子脱离其表面的汽化速度表面的汽化速度气体分子回到液气体分子回到液体中的凝结速度体中的凝结速度这时液体与蒸气处于动平这时液体与蒸气处于动平衡状态，称为衡状态，称为饱和状态饱和状态饱和液体饱和液体饱和蒸气饱和蒸气 饱和状态饱和状态饱和温度和饱和压力饱和温度和饱和压力处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱和温度和温度ts，蒸气的压力称为饱和压力，蒸气的压力称为饱和压力ps三相点三相点p ptptp称为三相点压力，对应的饱和温度称为三相点压力，对应的饱和温度t ttptp称为三
15、相称为三相点温度。三相点是固、液、气三相共存的状态，各点温度。三相点是固、液、气三相共存的状态，各种物质在三相点的温度与压力分别为定值，但比体种物质在三相点的温度与压力分别为定值，但比体积则随固、液、气三相的混合比例不同而异。积则随固、液、气三相的混合比例不同而异。水的三相点温度和压力值：水的三相点温度和压力值：3-5 3-5 水的汽化过程和临界点水的汽化过程和临界点工业上所用的水蒸气都是在定压加工业上所用的水蒸气都是在定压加热设备中产生的。一般经过三个阶段：热设备中产生的。一般经过三个阶段：预热阶段预热阶段汽化阶段汽化阶段过热阶段过热阶段水蒸气定压发生过程图水蒸气定压发生过程图相变图相变图一
16、点一点：临界点：临界点 二线二线：上界线和下界线：上界线和下界线三区三区：液态区、湿蒸气区及过热区：液态区、湿蒸气区及过热区五态五态：未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸气及过热蒸气：未饱和水、饱和水、湿蒸气、干饱和蒸气及过热蒸气当温度超过一定值当温度超过一定值tc时，液相不可能存在，而只时，液相不可能存在，而只可能是气相。可能是气相。 tc称为临界温度，对应的饱和压力称为临界温度，对应的饱和压力pc称称为临界压力。为临界压力。临界参数是物质的固有常数，如水的临界参数：临界参数是物质的固有常数，如水的临界参数：临界点临界点 预热阶段预热阶段饱和水饱和水未饱和水（过冷水）未饱和水（过冷水） 状态及
17、状态参数：状态及状态参数： 这个阶段所需的热量称为液体热这个阶段所需的热量称为液体热 q ql l汽化阶段汽化阶段干饱和蒸气干饱和蒸气饱和水饱和水湿饱和蒸气湿饱和蒸气湿饱和蒸气：饱和湿饱和蒸气：饱和水与饱和蒸气混合物水与饱和蒸气混合物 这个阶段所需的热量称为汽化潜热这个阶段所需的热量称为汽化潜热 g g 干度干度x：湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。 过热阶段过热阶段过热蒸气过热蒸气干饱和蒸气干饱和蒸气 这个阶段所需的热量称为过热热这个阶段所需的热量称为过热热 qsup。 t-ts称为过热度称为过热度3 36 6水和水蒸气的状态参数水和水蒸气的状态参数水与水蒸
18、气的状态参数水与水蒸气的状态参数p p、v v、t t、h h、s s均可从水蒸气图表中查到，图表中没均可从水蒸气图表中查到，图表中没有的参数，可根据参数间的一般关系有的参数，可根据参数间的一般关系计算得到，如计算得到，如u u按按u=h-pvu=h-pv计算。计算。一、零点规定一、零点规定水及水蒸气的参数计算中不必求其绝对水及水蒸气的参数计算中不必求其绝对值，仅求其增量或减少量，故可规定一任意值，仅求其增量或减少量，故可规定一任意起点。国际水蒸气会议规定，起点。国际水蒸气会议规定，水的三相点即水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定其热力的液相水作为基准点，规定其热力学能及熵为学能
19、及熵为0，即对于即对于t0=ttp=0.01C、p0=ptp=611.659 Pa的饱和水有：的饱和水有： 忽略水的压缩性，即比体积忽略水的压缩性，即比体积v不变，又温不变，又温度不变，则度不变，则: uo=u0=0, w=0 q=0 so=so=0, h0= uo+p0 v0=0 二、温度为二、温度为0.010.01o oC C、压力为、压力为P P的过冷水的过冷水 饱和水状态：饱和水状态：三、温度为三、温度为t t、压力为、压力为P P的饱和水的饱和水四、压力为四、压力为P P的干饱和蒸汽的干饱和蒸汽五、压力为五、压力为p p的湿饱和蒸汽的湿饱和蒸汽六、压力为六、压力为P P的过热蒸汽的过
20、热蒸汽过热度过热热量Cp是p,t的复杂函数焓比熵一、蒸气表一、蒸气表饱和水及干饱和蒸气表饱和水及干饱和蒸气表( (表表3-6)3-6)未饱和水及过热蒸气表未饱和水及过热蒸气表( (表表3-7)3-7)查表查表蒸气表蒸气表判断工质所处的状态判断工质所处的状态查相应的表或进行相应的计算查相应的表或进行相应的计算3 36 6水蒸气表和图水蒸气表和图水蒸气表水蒸气表 1.饱和水和干饱和蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽表2.未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表情况一：已知（情况一：已知（p,tp,t） 查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度度t ts s( (p p)
21、 )（或饱和压力（或饱和压力p ps s( (t t) ) ）：）：在湿蒸气区，在湿蒸气区，p p、t t不是两个独立的变量，因此不是两个独立的变量，因此不能由不能由p p、t t确定状态点。确定状态点。情况二：已知情况二：已知p（或（或t）及某一比参数）及某一比参数y（v或或s或或h）：）：查饱和表得已知压力（或温度）下的查饱和表得已知压力（或温度）下的y、y”：在湿蒸气区干度及其它参数的的计算：在湿蒸气区干度及其它参数的的计算：例题例题利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确定其定其h h, ,s s值：值：(1) t=45.8C，v0.00101m3/kg(2) t=200C, x=0.9(3) p=0.5 MPa, t=165C(4) p=0.5 MPa,v0.545m3/kg参见参见P85P85例题例题二、蒸气的热力性质图二、蒸气的热力性质图 h-sh-s图图 p-vp-v图及图及T-sT-s图图水蒸气的焓水蒸气的焓熵（熵（h-sh-s）图）图定压线群定压线群湿蒸汽区，T=Ts，直线过热蒸汽区，斜率随T增大而增大0
