南京航空航天大学工程热力学课件第三章.ppt
第三章理想气体的性质,31 理想气体的概念,理想气体指分子间没有相互作用力、分子是不具有体积的弹性质点的假想气体实际气体是真实气体，在工程使用范围内离液态较近，分子间作用力及分子本身体积不可忽略，热力性质复杂，工程计算主要靠图表理想气体是实际气体p0的极限情况。,理想气体与实际气体,提出理想气体概念的意义简化了物理模型，不仅可以定性分析气体某些热现象，而且可定量导出状态参数间存在的简单函数关系在常温、常压下H2、O2、N2、CO2、CO、He及空气、燃气、烟气等均可作为理想气体处理，误差不超过百分之几。因此理想气体的提出具有重要的实用意义。,32 理想气体状态方程式,理想气体的状态方程式,Rg为气体常数（单位J/kgK），与气体所处的状态无关，随气体的种类不同而异,理想气体在任一平衡状态时p、v、T之间关系的方程式即理想气体状态方程式，或称克拉贝龙(Clapeyron)方程。,通用气体常数（也叫摩尔气体常数）R,通用气体常数不仅与气体状态无关，与气体的种类也无关,气体常数之所以随气体种类不同而不同，是因为在同温、同压下，不同气体的比容是不同的。如果单位物量不用质量而用摩尔，则由阿伏伽德罗定律可知，在同温、同压下不同气体的摩尔体积是相同的，因此得到通用气体常数 R 表示的状态方程式：,气体常数与通用气体常数的关系：,M 为气体的摩尔质量,不同物量下理想气体的状态方程式,m kg 理想气体,1 kg 理想气体,n mol 理想气体,1 mol 理想气体,33 理想气体的比热容,1kg物质温度升高1K所需的热量称为比热容：,一、比热容的定义,物体温度升高1K所需的热量称为热容：,1mol 物质的热容称为摩尔热容 Cm，单位：J/(molK)标准状态下1 m3 物质的热容称为体积热容 C，单位：J/(m3K)比热容、摩尔热容及体积热容三者之间的关系：Cm=Mc=0.0224141 C,定压比热容：可逆定压过程的比热容,二、定压比热容及定容比热容,热量是过程量，因此比热容也与各过程特性有关，不同的热力过程，比热容也不相同：,定容比热容：可逆定容过程的比热容,焓值h=u+pv，对于理想气体h=u+RgT，可见焓与压力无关，理想气体的焓也是温度的单值函数：,对于理想气体，cp、cv 是温度的单值函数，因此它们也是状态参数。,对于理想气体，其分子间无作用力，不存在内位能，热力学能只包括取决于温度的内动能，与比体积无关，理想气体的热力学能是温度的单值函数：,三、定压比热容与定容比热容的关系,迈耶公式：,迈耶公式,比热比：,四、理想气体比热容的计算,真实比热容,将实验测得的不同气体的比热容随温度的变化关系，表达为多项式形式：,如附表4：,各种气体的系数：a、b、g、d、e根据一定温度范围内的实验值拟合得出的，如附表4适用范围3001000K。,平均比热容：,见附表5，比热容的起始温度同为0C，这时同一种气体的只取决于终态温度t,定值比热容：,工程上，当气体温度在室温附近，温度变化范围不大或者计算精确度要求不太高时，将比热视为定值，参见附表3。亦可以用下面公式计算：,34 理想气体的热力学能、焓、熵,一、热力学能和焓,理想气体的热力学能和焓是温度的单值函数：,工程上的几种计算方法：,按定值比热容计算；,按真实比热容计算；,按平均比热容计算；,按气体热力性质表上所列的u和h计算；,热工计算中只要求确定过程中热力学能或焓值的变化量，因此可人为规定一基准态，在基准态上热力学能取为0，如理想气体通常取0K或0C时的焓值为0，如h0K=0，相应的u0K=0，这时任意温度T时的h、u实质上是从0K计起的相对值，即：,参见附表8，u可由u=h-pv求得。,二、状态参数熵,熵的定义：,式中，下标“rev”表示可逆，T为工质的绝对温度。,熵是状态参数：,三、理想气体的熵方程,熵方程的推导：,同理：,理想气体熵方程：,微分形式：,积分形式：,理想气体熵方程是从可逆过程推导而来，但方程中只涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程同样适用。,四、理想气体的熵变计算,按定比热容计算：,通过查表计算,S0是如何确定的呢？,p0=101325Pa、T0=0K时，规定这时=0，任意状态（T，p）时s值为：,状态（T，p0）：,S0仅取决于温度T，可依温度排列制表（见附表8）,取基准状态：,35 理想气体混合物,理想气体混合物中各组元气体均为理想气体，因而混合物的分子都不占体积，分子之间也无相互作用力。因此混合物必遵循理想气体方程，并具有理想气体的一切特性。,一、混合气体的摩尔质量及气体常数,混合气体成分的几种表示方法：,体积分数：,Vi为分体积,质量分数：,摩尔分数：,混合气体摩尔质量,混合气体的气体常数,二、分压力定律和分体积定律,分压力及分体积,在与混合物温度相同的情况下，每一种组成气体都独自占据体积V时，组成气体的压力称为分压力。用pi表示。,各组成气体都处于与混合物温度、压力相同的情况下，各自单独占据的体积称为分体积。用Vi表示。,分压力定律,混合气体的总压力等于各组成气体分压力之和，称为道尔顿(Dalton)分压定律,分体积定律,理想气体混合物的总体积等于各组成气体分体积之和，称为亚美格(Amagat)分体积定律,三、wi、xi、i的转算关系,四、混合气体的比热容、热力学能、焓和熵,比热容,热力学能和焓,热力学能和焓均为广延参数,同理：,熵,熵为广延参数,熵变,同理：,思考题,1、下面表达式是否正确？,错。分压力与分体积不能同时出现,正确,2、Ts图中任意可逆过程的热量如何表示？理想气体在1和2状态间热力学能变化量及焓变化量如何表示？若12经历不可逆过程又将如何？,u或h,1Kg空气经历过程1-2-3，其中1-2过程为不可逆的绝热过程，熵增为0.1KJ/Kg k,2-3过程为可逆定压放热过程，已知初态t1=100,p1=2bar,终态t3=0,p3=1bar.(设空气为理想气体，p=1.004KJ/(Kg K),R=0.287KJ/(Kg K)求：1）全过程中系统的熵变S123；2)整个过程中系统与外界交换的热量。,空气在气缸中由压力0.28Mpa、温度60,不可逆膨胀到压力为0.14Mpa,膨胀过程中空气对外作功30KJ/Kg，并放热14KJ/Kg，计算每公斤空气熵的变化。（空气为理想气体，p=1.004KJ/(KgK),R=0.287KJ/(Kg K),
