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    ch2 3 气体的节流过程和绝热膨胀过程解读课件.ppt

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    ch2 3 气体的节流过程和绝热膨胀过程解读课件.ppt

    2.3 气体的节流过程和绝热膨胀过程,一、气体的节流膨胀过程,1852年,焦耳和汤姆逊为了确定气体的内能与状态参量之间的关系,设计了如下实验:让被压缩的气体通过一绝热管,管子的中间放置一多孔塞或颈缩管。由于多孔塞的作用,气体在它的两侧形成压强差,气体从高压侧缓慢流到低压侧,并达到稳恒状态。这个过程被称为节流过程。测量两侧的压强、温度以及外界对气体作的净功,就可以知道气体的内能与这些状态参量之间的关系。有趣的是,他们发现气体的温度经节流后发生了变化,有的降低了,而有的却升高了,这一物理效应称为焦耳汤姆逊效应。,1. 节流过程的热力学分析,图2-1,图21是焦耳汤姆逊实验的示意图。设节流过程中有质量一定的气体足够缓慢地通过多孔塞。,在通过多孔塞前后,气体压强、体积和内能分别为p1、V1、 U1和p2、V2、U2 。 在节流过程中,外界对气体所作的净功为p1V1p2V2。 由于过程是绝热的,根据热力学第一定律,有 U2-U1p1V1p2V2可改写为 U2p2V2U1p1V1或 H2 = H1 (2.3.1),上式说明,气体在节流前后的两个状态的焓值相等。要注意的是,尽管气体的流动足够缓慢,节流过程也不能认为是无摩擦的准静态过程。由于气体经历的是一系列的非平衡态,焓是没有定义的。所以,(2.3.1)式只表示节流过程的初态和终态的焓值,并非指整个节流过程中焓值不变。,2.焦耳系数,为了表示节流膨胀过程中气体温度随压强的变化,引入焦-汤系数,定义,表示等焓过程(即节流膨胀过程)中气体温度随压强的变化率。它可以有三种不同情况:0,0和0,分别代表节流膨胀后气体温度降低、不变和升高,称为正效应(致冷效应 )、零效应和负效应(致温效应)。其中,与0对应的温度称为转换温度。,现在来推导焦-汤系数与状态参量的关系。利用循环关系有:,将热力学基本微分方程dH= TdS + Vdp在温度不变下等式两边同除以dp,得,或,利用麦氏关系,有,将上式代入(2.3.2)式,得,从上式可以看出,由于定压热容量总为正,所以,焦汤系数是大于零,等于零还是小于零则由物态方程以及气体膨胀前的状态参量决定。只要知道了物态方程,就可以由(2.3.4)式得出该气体的转换温度与压强的关系,从而划分出致冷区和致温区。,作为一个例子,我们来求范氏气体的转换温度与压强的关系。已知一摩尔范氏气体的物态方程为,可求得,代入(2.3.4)式并令0,得,解出v后代入物态方程中,得T与P 的关系,由范德瓦尔斯方程求氮气的反转曲线。已知氮气的两个修正系数为:a=0.1350; b=0.0386810-3,摩尔定压热容量Cp可取理想气体的值。,a=0.1350; b=0.03868e-3; %取N2气的修正系数值R=8.31; Cp=5*R/2;p=R.*T./(v-b)-a./v.2;plot(p,T), grid on,axis(0,4e7,3,1000);, 题目(ex4433),反转曲线是由焦耳汤姆逊系数为零的点组成的曲线,为此,先计算焦耳汤姆逊系数的表达式,令其为零并求出v的解(因为它是关于v的三次方程,故有三个解),然后将合理的解代入状态方程得到压强p与温度T的关系,给定T的数组,并绘制T-p曲线。, 解题分析,syms R T a b v p dp_dT dp_dv Cp ;p=R*T/(v-b)-a/v2; dp_dT=diff(p,T); dp_dv=diff(p,v); mu=-1/Cp/dp_dv*(T*dp_dT+v*dp_dv);a=0.1350; b=0.03868e-3; %取N2气的修正系数值R=8.31; Cp=5*R/2;mu=vpa(subs(mu),3), 程序(ex4433), 计算焦耳汤姆逊系数的表达式(ex44331),运行结果:mu=-.481e-1/(-8.31*T/(v-.387e-4)2+.270/v3)*(8.31*T/(v-.387e-4)+v*(-8.31*T/ (v-.387e-4)2+.270/v3), 令焦耳汤姆逊系数等于零,求体积v。 (ex44332),v=vpa(solve(-.481e-1/(-8.31*T/(v-.386e-4)2+.270/v3)*(8.31*T/(v-.386e-4)+v* (-8.31*T/(v-.386e-4)2+.270/v3)=0,v),3),运行结果:,v = 0. .500/(.267e12*T-.225e15)*(-.174e11+.599e9*T(1/2) .500/(.267e12*T-.225e15)*(-.174e11-.599e9*T(1/2),有三个根。,T=10:1000;v=.500./(.267e12.*T-.225e15).*(-.174e11-.599e9.*T.(1./2); a=0.1350; b=0.03868e-3; %取N2气的修正系数值R=8.31; Cp=5*R/2;p=R.*T./(v-b)-a./v.2;plot(p,T), grid on,axis(0,4e7,3,1000);, 将合理的解代入范德瓦尔斯方 程,求 p-T 关系,并绘图。,从图中可以看出,范德瓦尔斯方程决定的反转曲线具有抛物线形状。与实验曲线比较知,范德瓦尔斯预言的反转曲线低于实验曲线,但曲线的定性形状是正确的。,实验表明,节流效应的冷却效应相当大,可被用来液化气体。不同的气体转化温度不同,例如,在100大气压下,氮的转换温度是625K,氢为202K,氦为34K。所以在常压下,氮气经节流可以被液化,但氢气和氦气则不能,必须将它们先预冷到转换温度以下再节流。右图是利用焦耳汤姆逊效应液化气体的示意图。,二、绝热膨胀过程,如果把绝热膨胀过程近似看作是准静态的,则过程中气体的熵保持不变。因此,绝热膨胀过程也称为等熵过程。 由,可得,利用麦氏关系,有,上式给出了在准静态过程中气体的温度随压强的变化率。其中右方是恒正的,所以,气体的温度随着压强降低而下降。从能量转化的角度看,气体在有抵抗的情况下膨胀就要对外做功,在绝热条件下没有热量传入,所以气体就会因内能的消耗而降温。这便是绝热膨胀法致冷的简单原理。,

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