工程热力学第3章.ppt

1,第三章 气体和蒸气的性质Properties of gas and vapor,3-1 理想气体,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 饱和状态、饱和温度和饱和压力,3-5 水的定压加热汽化过程,3-6 水和水蒸气状态参数,3-7 水蒸气图表和图,2,3-1 理想气体,分子为不占体积的弹性质点,除碰撞外分子间无作用力,理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。,一、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设,Pa,m3,kg,气体常数,单位为J/(kgK),K,R=MRg=8.314 5 J/(molK),二、理想气体的状态方程(ideal-gas equation),3,考察按理想气体状态方程求得的空气在表列温度、压力条件下的比体积v，并与实测值比较。空气气体常数Rg=287.06 J/(kgK),计算依据,相对误差=,4,（1）温度较高，随压力增大，误差增大;,（2）虽压力较高，当温度较高时误差还不大，但温度较低，则误差极大;,（3）压力低时，即使温度较低误差也较小。,本例说明：低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。,5,32 理想气体的比热容,一、比热容(specific heat)定义和分类,定义：,c与过程有关c是温度的函数,分类：,按物量,质量热容（比热容）c J/(kgK)(specific heat capacity per unit of mass)体积热容 C J/（Nm3K）(volumetric specific heat capacity)摩尔热容 Cm J/（molK）(mole specific heat capacity),注：Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”。,6,按过程,质量定压热容（比定压热容）(constant pressure specific heat capacity per unit of mass)质量定容热容（比定容热容）(constant volume specific heat capacity per unit of mass),及,二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式,1.比热容一般表达式,7,2.cV,定容过程 dv=0,若为理想气体,温度的函数,代入式（A）得,比热容的一般表达式,8,3.cp,据一般表达式,若为理想气体,cp是温度函数,9,4.cp-cV,迈耶公式（Mayers formula）,5.讨论,1)cp与cV均为温度函数,但cpcV恒为常数：Rg,10,2)(理想气体)cp恒大于cV,物理解释:,11,定容,0,定压,b与c温度相同，均为(T+1)K,而,12,c)气体常数Rg的物理意义,Rg是1 kg某种理想气体定压升高1 K对外作的功。,三、理想气体的比热容比(specific heat ratio；ratio of specific heat capacity),注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数(adiabatic exponent;isentropic exponent),例A902355,13,三、利用比热容计算热量,原理:,对cn作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法:真实比热容积分 利用平均比热表 利用平均比热直线 定值比热容,14,1.利用真实比热容(true specific heat capacity)积分,2.利用平均比热容表(mean specific heat capacity),T1,T2均为变量,制表太繁复,=面积amoda-面积bnodb,15,而,由此可制作出平均比热容表,16,附:线性插值,17,3.平均比热直线式,令cn=a+bt,则,即为,区间的平均比热直线式,1)t 的系数已除过2 2)t 需用t1+t2代入,注意:,18,4.定值比热容(invariable specific heat capacity)据气体分子运动理论，可导出,多原子误差更大,19,单原子气体 i=3,双原子气体 i=5,多原子气体 i=6,20,33 理想气体热力学能、焓和熵,1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数,2),一、理想气体的热力学能和焓,1)因理想气体分子间无作用力,21,讨论：如图：,0,0,22,若为任意工质,?,?,对于理想气体一切同温限之间的过程u及h相同,且均可用cV T及cp T计算;对于实际气体u及h不仅与T 有关,还与过程有关且只有定容过程u=cVT,定压过程h=cp T。,2.热力学能和焓零点的规定 可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取 0 K。,23,二、利用气体热力性质表计算热量,24,三、理想气体的熵(entropy),1.定义,2.理想气体的熵是状态参数,25,定比热,26,3.零点规定:通常取标准状态下气体的熵为零,4.理想气体变比热熵差计算,令,则,制成表则,27,34 饱和状态、饱和温度和饱和压力,一、汽化和液化(vaporization and liquefaction),汽化：由液态到气态的过程,蒸发：在液体表面进行的汽化过程,液化：由气相到液相的过程,沸腾：在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。,28,二、饱和状态(Saturated state),当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量饱和状态。,饱和状态的温度饱和温度，ts(Ts)(Saturated temperature)饱和状态的压力饱和压力，ps（Saturated pressure）,加热，使温度升高如 t，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps。,所以,一一对应，只有一个独立变量，即,如,29,30,三、几个名词 饱和液(saturated liquid)处于饱和状态的液体：t=ts 干饱和蒸汽(dry-saturated vapor;dry vapor)处于饱和状态的蒸汽：t=ts 未饱和液(unsaturated liquid)温度低于所处压力下饱和温度的液体：t ts,t ts=d 称过 热度(degree of superheat)。湿饱和蒸汽(wet-saturated vapor;wet vapor)饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts,使未饱和液达饱和状态的途径：,31,干度（dryness）,（湿度 y=1x）,x,0,1,饱和液,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w 或 x 表示。,32,四、饱和状态压力和温度的关系,1.吉布斯相律,对于多元（如k个组元）多相（如f个相）元化学反应的热力系，其独立参数，即自由度 n=k f+2,例：水在液相（或固相、气相）k=1，F=1，故n=1-1+2，此时压力，温度均可独立变化。水在汽液共存时k=1，f=2，故n=1，此时压力和温度中仅有一个可自由变化。三相点：k=1，f=3 故n=0,水的三相点(triple pint)：,?,33,2.克拉贝隆方程,分别为汽化潜热(heat of vaporization)、熔解热(heat of fusion)和升华热(heat of sublimation)。,分析：1）因、为“+”；T为“+”；故相平衡线 斜率正负由体积差决定；2）三相点处不光滑。,34,预热,汽化,过热,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,35 水定压加热汽化过程,一、水定压加热汽化过程,35,二、水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图,一点临界点Critical point,两线,上界限线下界限线,三区,液,汽液共存,汽,五态,未饱和水,饱和水,湿蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽,36,各种工质均具有类似水的性质,37,36 水和水蒸气状态参数,水和水蒸气的状态参数可按不同区域，由给出的独立状态参数通过实际气体状态方程及其他一般关系式计算（通常由计算机计算）或查图表确定。,在动力工程中水蒸气不宜利用理想气体性质计算,38,一、零点规定,规定：三相点液态水 热力学能及熵为零,可近似为零,39,二、未饱和水（t，p）,查图表或由专用程序计算,三、饱和水和饱和水蒸气(ps和ts)查图表或由专用程序计算,压力不太高时，可近似,四、过热蒸汽（p，t）,注意：过热蒸汽不可用类似未饱和 水的近似式，因cp变化复杂。,查图表或由专用程序计算。,40,五、湿饱和蒸汽,由ts（或ps）与x共同确定：,x较大时,未饱和水,过热蒸汽,湿饱和蒸汽,41,37 水蒸气表和图,一、水蒸气表 1.饱和水和干饱和蒸汽表,42,2.未饱和水和过热蒸汽表,43,二、水蒸气的焓熵（h-s）图,水蒸气的t s图,44,焓熵图,斜率,定压线定温线定容线定干度线,45,46,1）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,0,47,2）定温线群,湿蒸汽区：,直线，与等压线重合,过热蒸汽区：,等温线较等压线平坦，低压时趋于水平。,体积膨胀系数,48,3）等容线群,4）等干度线,等容线比等压线陡,等熵条件,49,38 水和水蒸气热力性质程序简介,目前，多数软件采用IFC公式，适用范围：273.161 073.15 K；0100 MPa；将整个区域分成6个子区域，用不同的公式描述，它们的边界线也用不同的函数表达。,50,1997年,国际水和蒸汽性质协会（IAPWS）推出IAPWS-IF97作为水和水蒸汽热力学性质的国际工业标准，适用范围为：273.15 K T 1 073.15 K，p 100 MPa；1 073.15 K T 2 273.15 Kp 10 MPa。IAPWS-IF97将此有效范围分为5个计算子区域：1未饱和水区，2过热蒸汽区，3临界水和临界蒸汽区，4饱和区，5超高温（过热）蒸汽区。,严家騄教授推算出统一公式，满足新骨架表的要求。张喻研究员研制了科学研究用水和水蒸气热力性质程序。,51,下一章,52,53,54,55,提示：,56,提示：,57,