工程热力学第三章气体和蒸汽的性质ppt课件.ppt

第三章 气体和蒸汽的性质3-1 理想气体的概念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 水蒸汽的饱和状态和相图3-5 水的汽化过程和临界点3-6 水和水蒸汽的状态参数3-7 水蒸汽表和图,3-1 理想气体的概念1、理想气体模型(perfect gas, ideal gas)理想气体的两点假设 理想气体是实际上并不存在的假想气体。假设：（1）分子是弹性的、不占体积的质点（与空间相比）（2）分子间没有作用力。（分子间的距离很大）作为理想气体的条件 气体 ， ，即要沸点较低、远离液态。,理想气体示例 温度不太低、压力不太高时，单原子、双原子气体及其混合物（如空气、燃气、烟气）都可以近似作为理想气体。实际气体 不满足上述两点假设的气体称为实际气体。 水蒸汽、氟利昂蒸气、氨蒸气等沸点较高、比体积较小，分子本身的体积和分子间的作用力不能忽略，不能作为理想气体。注意：空气、燃气和烟气中的水蒸汽含量很少，分压力很低，可以近似作为理想气体。,2、理想气体状态方程式(ideal-gas equation)气体常数 (gas constant) 只与气体种类有关，与气体状态无关，单位为 。注意：（1）应该使用绝对压力。（2）低温、高压时不再适用。,3、摩尔质量和摩尔体积摩尔质量M 1mol物质的质量，单位为 。 物质的相对分子质量为 ，则 摩尔体积 1mol物质的体积，单位为 。,阿伏加德罗定律 同温、同压下，各种气体的摩尔体积都相同。 在标准状态下（ 、 ）, 。,4、摩尔气体常数（通用气体常数）(universal gas constant) 既与气体状态无关，也与气体种类无关， 。空气： ，,5、不同形式的理想气体状态方程式 1kg的气体： mkg的气体： 1mol的气体： nmol的气体： 流量形式：,解：绝对压力：,摩尔流量：,质量流量：,标准状态下的体积流量：,注意：不同状态下的体积不同。,例3-2：某台压缩机每小时输出 、表压力 温度 的压缩空气。设当地大气压 ，求压缩空气的质量流量 及标准状态下的体积流量 。,3-2 理想气体的比热容1、比热容的定义比热容 （质量热容）(specific heat) 1kg物质温度升高1K所需的热量，,摩尔热容 (mole specific heat) 1mol物质温度升高1K所需的热量，单位为体积热容 (volumetric specific heat) 标准状态下， 物质温度升高1K所需的热量，单位为 。三者之间的关系,比定压热容 和比定容热容比定压热容(specific heat at constant pressure)：定压过程的比热容。比定容热容(specific heat at constant volume)：定容过程的比热容。可逆过程注意：上式适用于任何工质，表明 、 为状态参数,理想气体 热力学能只包括内动能，只与温度有关，焓值 ，也只与温度有关， 注意：上式仅适用于理想气体，表明理想气体的 、 只与温度有关， ， 。,2、迈耶公式及比热容比 迈耶公式(Mayers formula)同乘以摩尔质量 注意：（1）上式仅适用于理想气体，表明同样温度下， 为气体常数 。（2）一般实验测定 ，再由迈耶公式求 。比热容比 (specific heat ratio),3、利用比热容计算热量（1）真实比热容,见附表4（温度单位为K）。,说明：此种方法结果比较精确。,（2）平均比热容表,平均比热容 的起始温度为0，见附表5（温度单位为）。,说明：此种方法结果比较精确。,（3）平均比热容直线关系式,平均比热容 见附表6（温度单位为）。查表时， 。说明：此种方法结果有一定的误差，主要用于估算。,（4）定值比热容,单原子气体双原子气体 多原子气体,说明：此种方法结果有一定的误差。原子数越多、温度越高，误差越大。,空气： ， 。,（5）比热容的算术平均值,说明：此种方法结果比较精确。,不同温度下的比热容按常数计算，见附表3（温度单位为K）。,解： ，（1）按真实比热容计算 查附表4，,（2）按平均比热容表计算 查附表5，通过线性插值，得到：,例3-3：某燃气轮机动力装置的回热器中，空气从 定压加热到 ，求每千克空气的加热量。,（3）按平均比热容直线关系式计算 查附表6，得到：,（4）按比热容算术平均值计算 查附表3，通过线性插值，得到：,3-3 理想气体的热力学能、焓和熵1、热力学能和焓（1）利用比热容计算,注意：（1）上式仅适用于理想气体。（2）上式适用于一切过程。（u、h是状态参数，不可逆过程的变化量等于可逆过程的变化量。）,（2）利用气体热力性质表计算 人为地选定基准点，规定基准点的值为0。以0K为基准点 不同温度下空气的焓值见附表7，其他气体的摩尔焓值 见附表8。,以0为基准点,2、状态参数熵(entropy)对于可逆过程：,3、理想气体的熵变（1）利用比热容计算 对于理想气体的可逆过程，,注意：（1）上式仅适用于理想气体，说明理想气体的熵是状态参数，但不是温度的单值函数。（2）上式适用于一切过程。,比热容取定值时，,（2）利用气体热力性质表计算,选择基准状态： ， 。规定,状态（ ， ）的熵：,不同温度下的 和 分别见附表7和附表8。,解： ， ，（1）使用平均比热容表 查附表5，通过线性插值，得到：,例3-4：CO2的按定压过程流经冷却器， ，温度由600K冷却到366K，试分别使用（1）平均比热容表（2）气体热力性质表，计算1kgCO2的热力学能变化量、焓变化量及熵变化量。,（2）使用气体热力性质表,查附表8，得到： ， ，,3-4 水蒸汽的饱和状态和相图1、水蒸汽的饱和状态汽化和凝结(vaporization, liquefaction)汽化：由液态变为气态的过程。 蒸发：液体表面进行的缓慢汽化过程 沸腾：在液体表面和内部同时进行的强烈汽化过程凝结：由气态变为液态的过程。,饱和状态(saturation state) 当汽化过程和凝结过程达到动态平衡时，气相和液相的状态不再改变，称为饱和状态。饱和液体和饱和蒸汽(saturated fluid, saturated steam) 处于饱和状态的液体称为饱和液体，蒸汽称为饱和蒸汽。,饱和温度 和饱和压力 (saturation temperature, saturation pressure) 饱和液体和饱和蒸汽的温度相同，称为饱和温度。饱和蒸汽的压力称为饱和压力。饱和温度和饱和压力一一对应。饱和温度越高，饱和压力也越高（表3-4）。,2、水的相图(phase diagram)相图：饱和压力和饱和温度关系图（p-T图）。相平衡曲线 两相共存的点连成的曲线称为相平衡曲线。,三相点(triple point) 相平衡曲线的交点，即气、液、固三相平衡共存的点称为三相点。压力和温度唯一确定：各相的成分可以自由变化，比体积不是定值，但各相的比体积是定值， 。,3-5 水的汽化过程和临界点1、水的定压加热汽化过程 对0.01的水定压加热，使其汽化。预热过程开始时，水温低于饱和温度，称为过冷水（未饱和水）(sub-cooled liquid, unsaturated fluid)。对过冷水加热，温度升高，达到饱和温度时，变为饱和水。,汽化过程对饱和水继续加热，水开始汽化，水蒸汽和水的混合物称为湿饱和蒸汽（湿蒸汽）(wet saturated steam)。继续加热，直到水全部变为水蒸汽，称为干饱和蒸汽（饱和蒸汽）(dry saturated steam) 。汽化过程为定压定温过程。,过热过程对饱和蒸汽继续加热，温度升高，称为过热蒸汽(superheated steam)。过热蒸汽的温度与饱和温度的差值称为过热度。,2、在p-v图和T-s图上的表示 “一点两线三区五状态”一点：临界点(critical point)(饱和水线和饱和蒸汽线的 交点)两线：饱和水线、饱和蒸汽线三区：过冷水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区五状态：过冷水（ 、 、 ）、饱和水（ 、 、 ）、 湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽（ 、 、 ）、过热 蒸汽（1、2、3）,由过冷水变为饱和水，温度升高，比体积和熵稍有增大（向右）。饱和压力和饱和温度越高，饱和水的比体积和熵越大，因此饱和水线向右倾斜。汽化过程为定压定温过程，因此在p-v图和T-s图上均为水平线，且比体积和熵显著增大（向右）。饱和压力和饱和温度越高，饱和蒸汽的比体积和熵越小，因此饱和蒸汽线向左倾斜。,饱和压力和饱和温度越高，饱和蒸汽和饱和水的比体积差和熵差越小。,临界温度 ，临界压力 临界比体积 。当温度高于 时，只能是气相，即压力再高都不可能使水蒸汽液化。,3、干度(quality of vapor-liquid mixture) 湿蒸汽中，饱和蒸汽的质量分数，饱和水： ；湿蒸汽： ；饱和蒸汽： 。,4、吸热量液体热 ：预热过程的吸热量， 饱和压力和饱和温度越高，值越大。汽化潜热 (latent heat of vaporization)，汽化过程的吸热量， 饱和压力和饱和温度越高，值越小。过热热 ：过热过程的吸热量， 总吸热量：,5、补充知识相对于过冷水，饱和水的压力是对应温度下的最小值，温度是对应压力下的最大值。相对于过热蒸汽，饱和蒸汽的压力是对应温度下的最大值，温度是对应压力下的最小值。过冷水变为饱和水：温度不变，压力降低；或者压力不变，温度升高。过热蒸汽变为饱和蒸汽：温度不变，压力升高；或者压力不变，温度降低。,当温度等于对应压力下的饱和温度时，可以是饱和水、饱和蒸汽或者湿蒸汽。当温度低于对应压力下的饱和温度时（或压力高于对应温度下的饱和压力时），只能是过冷水。当温度高于对应压力下的饱和温度时（或压力低于对应温度下的饱和压力时），只能是过热蒸汽。,3-6 水和水蒸汽的状态参数1、零点的规定 选水的三相点为基准点，规定 、 。焓值,2、过冷水（ 、 ） 饱和水（ 、 ）温度不变、压力升高，变为过冷水温度和比体积不变，热力学能也不变： 。压力不太高时， 。比体积不变， ， ， ，所以熵也不变： 。,3、饱和水（ 、 ） 过冷水（ 、）定压加热，温度升高，变为饱和水,液体热：,当压力和温度较低时， ， 饱和压力和饱和温度越高，饱和水的焓和熵越大。,4、饱和蒸汽（ 、 ） 饱和水（ 、）定压加热，变为饱和蒸汽。汽化潜热：饱和压力和饱和温度越高，饱和蒸汽的熵越小，焓在3MPa时达到最大值。,5、湿蒸汽（ 、 ）湿蒸汽的压力和温度与饱和水和饱和蒸汽相同，比体积、热力学能、焓和熵介于两者之间。,6、过热蒸汽（ 、 ） 饱和蒸汽（ 、）定压加热，变为过热蒸汽。,过热热：,过热蒸汽的温度、比体积、热力学能、焓和熵都比饱和蒸汽大。,3-7 水蒸汽表和图依据：国际公式化委员会（IFC）发表的“工业用1967年IFC公式”和“科学用1968年IFC公式”。 表精确，图方便。1、水蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽表按温度或压力排列，见表3-6（节录）。参数包括：饱和温度、饱和压力、比体积、焓、熵和汽化潜热。热力学能通过计算得到。湿蒸汽的参数根据干度计算得到。,未饱和水和过热蒸汽表按温度和压力排列，见表3-7（节录）。参数包括：饱和温度、压力、比体积、焓和熵。热力学能通过计算得到。黑线以上为未饱和水，以下为过热蒸汽。 水蒸汽表具体见水和水蒸汽热力性质图表（严家騄编，高等教育出版社，1995年）。,解：查饱和水和饱和蒸汽表，当 时，（1）A容器中， ，因此为过冷水。（2）B容器中， ，因此为过热蒸汽。,例3-5：已知A、B两个密封容器内H2O的温度均为150，压力分别为1MPa和0.2MPa，试问水处于什么状态？,解：（1）查饱和水和饱和蒸汽表，当 时， ，因此为饱和水。查得： ， ， 。（2）为湿蒸汽。查饱和水和饱和蒸汽表，当 时， ， ， ， 。,例3-6：利用水蒸汽表，确定下列各点的状态和h、s的值：（1） ， ；（2） ， ；（3） ， ；（4） ， 。,（3）查饱和水和饱和蒸汽表，当 时， ，因此为过热蒸汽。查未饱和水和过热蒸汽表， ， （4）查饱和水和饱和蒸汽表，当 时， ，因此为过热蒸汽。 查未饱和水和过热蒸汽表， ， 。,解：查氟利昂134a的饱和性质表（附录11），当 时， ， 。初态：终态： ， 。 查氟利昂134a的饱和性质表（附录11），当 时， 。 ，因此为过热蒸气。 查过热氟利昂134a蒸气的热力性质表（附录13）， ， 。,例3-7：储存氟利昂134a的刚性容器内，初始温度为5，干度 ，由于加热，温度升高15，求终态时容器内工质的状态。,2、T-s图 有饱和水线、饱和蒸汽线、定干度线、定压线、定容线和定热力学能线。,3、h-s图 焓差可以用来表示定压过程的热量和绝热过程的技术功。 有饱和水线、饱和蒸汽线、定干度线、定压线、定温线和定容线。,第三章 小结理想气体的概念、理想气体的状态方程式摩尔质量、摩尔体积、摩尔气体常数理想气体的比热容、迈耶公式、比热容比利用比热容计算热量（5种方法）理想气体的热力学能、焓和熵及熵变的计算饱和状态、饱和温度、饱和压力、水的相图、三相点水的定压加热汽化过程及在p-v图和T-s图上的表示水和水蒸汽的状态参数水蒸汽表和图,第三章 作业3-1、3-9、3-12、3-24,