第三章热能转换物质的热力性和热力过程.ppt

第三章 热能转换物质的热力性 和热力过程,1.理想气体的状态方程式,理想气体,假定：(1)气体分子是些弹性的、不占体积的质点；(2)气体分子间没有相互作用力。,理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力趋近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。,2.1状态方程,常见的氢气，氮气，氧气，二氧化碳，空气和烟气等在压力不是很高和温度不是很低的条件下，性质非常接近理想气体。动力工程锅炉产生的水蒸气、制冷剂（氟利昂），由于距离也液态较近，不能忽略蒸气分子所占有的体积和分子间的相互作用，应作实际气体对待。,二 理想气体状态方程,单位：pPa；vm3/kg;TK;RgJ/(kg.K),Rg为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常数请看p250附录A-2,若物质的质量m以kg为单位，物质的量n以mol为单位，用M表示物质的摩尔质量，则,1mol气体的体积以Vm表示，,对式（32）两边同乘以M得,对于各种气体的气体常数的,所以MRg与物质的种类无关。（也与状态无关）令R MRg，R 称为摩尔气体常数。取标准状态参数得,由于1摩尔的任何气体在压力 p,温度 T 的状态下的摩尔体积相等。,理想气体状态方程可有以下四种形式：,三 理想气体的比热容,1、比热容的定义,物体升高1K所需的热量称为热容，以C表示，,1kg物质升高1K所需的热量称为比热容，单位J(kg.K),以c表示，,1mol物质的比热容称为摩尔热容，单位J(mol.K)，符号为Cm,比热 c 应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常用的有比定容比热容和比定压比热容。,2、理想气体的定压比热容和定容比热容,应用第一定律，并假定过程可逆则有：,热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作用力，所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度有关，所以理想气体的热力学能是温度的单值函数,即u=u(T),而h=u+pvu+RgT,所以理想气体的焓也是温度的单位函数，即h=h(T).,3、理相气体定压比热容与定容比热容的关系,即：,上式乘摩尔质量M，则有：,式（316）和（316a）称为迈耶公式。,(1)、迈耶公式,*(2)、比热容比,4、理想气体比热容的计算,(1)、真实比热容,附录A-3(p250)中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方经验关系式。,(2)、平均比热容表,对于一个定压过程，如果要计算过程的吸热量，则,称为平均定压比热容。,(3)、平均比热容直线关系,上式称为比热容的线性关系。附录A-5p252给出了一些常用气体的平均比热容直线关系式。,4、定值比热容,由分子运动论也可导出1mol理想气体的热力学能,由些得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。,i 是分子运动的自由度，单原子 i 3，双原子 i5，多原子取i7,理想气体定值摩热容和比热容比R8.3143J(mol.K),四 理想气体的热力学能、焓和熵,由上式可得,1、热力学能与焓,当比热容取定值时,若取0 K作为零点则,2、状态参数熵,熵的定义式为（以后要证明）,下标rev表示可逆，可逆时有,当比热容取定值时(不讲变比热容熵差计算),五 理想气体混合物,1、理想气体的分压力定律 及分容积律,p1、p2、p3称为分压力，并有,上式称为道尔顿分压力定律。,由质量守恒得：,状态方程,(1)、分压力定律,(2)、理想气体的分容积定律,V1、V2、V3称为分容积，并有,上式称为亚美格分容积定律。,质量守恒,状态方程,2、混合物的成分,(1)质量成分,(2)摩尔成分,(3)容积成分,由式（b)、(d)及(f)可得：,3、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数,由式（f）可知，理想气体混合物也满足状态方式pV=nRT。,对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式,Meq称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得：,折合气体常数Rg,eq式（a)或式（c）求得,折合气体常数Rg,eq可写成,4、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵,1kg混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即,定压比热容和定容比热容可写成：,根据比热容的定义式得,(1)、比热容,混合气体吸收的总热量,(2)、热力学能和焓,(3)、混合气体的熵,请看思考题,第二节 理想气体的热力过程,一 研究热力过程的目的及一般方法,1、目的,2、一般方法,(1)、对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为使问题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可逆过程。,揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，进而找出影响转化的主要因素。,(2)、用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。,(3)、考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。,本章分析理想气体热力过程的具体方法,1)、根据过程特点确定过程方程式，得到 p=f(v).2)、用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。3)、在p-v、T-s图上画出过程曲线。4)、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。5)、计算过程中膨胀功、技术功和过程热量。,本节研究理想气体的可逆过程。,二 四个基本热力过程分析,1、定容过程,(1)、过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,2、定压过程,(1)、过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,3、定温过程,(1)、过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,4、定熵过程,定熵过程绝热过程+可逆过程,对于理想气体可逆绝热过程（定熵过程），由第一定律得：,令，称为过程指数。定熵过程的过程指数等于比热比。,对于一般气体的可逆绝热过程（定熵过程）有,(1)、定熵过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,对于可逆过程，还可得：,技术功,对于可逆过程，可得：,三 多变过程分析,1、多变过程方程,2、初、终态参数间的关系,3、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,4、膨胀功、技术功和热量,技术功,过程热量,cn 称为多过程的比热容,5、在p-v、T-s图,多变过程方程式为 pvn=常数，这里n为变量，n取不同的可得到不同的过程。,当n0时，p常数，则为定压过程当n1时，pv常数，则为定温过程当n时，pv 常数，则为定熵过程当n时，v 常数，则为定容过程,因此，把多变过程表示在p-v图上时，要选画出四个基本热力过程，然后再根据 n 值的大小画出相应的多变过程。,四个基本热力过程,多变过程,在p-v、T-s图上用 T 的正负判断u、h的正负，用s正负判断 q 的正负；用v的正负判断 w 的正负。,热力过程计算公式表,请看思考题,第三节 水 蒸 气,一 水蒸气的定压发生过程,五个状态,a点:过冷和水(未饱和液体),b点:饱和水(液体),c点:湿饱和蒸气,d点:干饱和蒸气,e点:过热蒸气(过热度t=t ts),两条线,饱和液体线A,饱和气体线,临界点(一个点),pcr=22.064MPa Tcr=647.14K vcr=0.003106m3/kg,一点、两线、三区、五个状态,三 相 线,二 水和水蒸气的状态参数,pcr=22.064 MPa Tcr=647.14K vcr=0.003106 m3/kg,1、临界点参数,2、三相点参数,3、零点的规定,ttp=0.01 ptp=611.659 Pa,以水的三相点状态下的饱和液体为基准点，并规定：,饱和压力与饱和温度,饱和压力 ps 与饱和温度 ts 一一对应，即ps=f(ts)称为蒸气压方程,临界现象,实 验 装 置,降温法测量现象,物质的相图(p),三 水和水蒸气的表和图,1、水和水蒸气表,(1)、饱和水与饱和蒸汽热力性质表表 在饱和线上，只有一个独立变量，可以饱和温度或饱和压力为自变量来设计表格。这样就有两种形式的饱和水与饱和蒸汽热力性质表。,饱和液体的参数用 表示；饱和气体的参数用 表示。,（1）饱和水与饱和蒸汽表（以温度排列）,（2）饱和水与饱和蒸汽表（以压力排列）,在湿饱和蒸气区,定义干度 x,mg饱和蒸气的质量,mv饱和水的质量,湿饱和蒸气的状态参数为:,(2)、未饱和水与过热蒸汽热力性质表表,在未饱和区和过热区，有两个独立变量，可以温度和压力为自变量来设计表格。,2、水蒸气的图,(1)p-v图(定性分析),(2)T-s图(定性分析),(3)h-s图(定量分析),基本方程,可逆过程,四 水蒸气基本热力过程,1、定容过程,2、定压过程,3、定温过程,4、定熵过程,第四节 湿 空 气,湿空气:,干空气:,干空气+水蒸气,氧气+氮气,湿空气可作为理想气体混合物，所以，它具有理想气体混合物的所有特性。,如：状态方程；分压力；各种成分表示方法等。,一湿空气的状态参数,1、温度：t,T,2、压力：,总压力：p,干空气的分压力 pa，水蒸气的分压力 pv p=pa+pv,饱和湿空气:湿空气中的水蒸气处于饱和状态.s,未饱和湿空气:湿空气中的水蒸气处于过热状态.v,v s=,vv vs=v,3、露点温度,水蒸气分压力下的饱和温度称为湿空气的露点温度。,td=f(pv),4、相对湿度,湿空气的绝对湿度定义为：v 同一温度下，饱和湿空气的绝对湿度为 s=,相对湿度定义为：,值的大小反映了湿空气干燥的程度，同时也反映了湿空气吸收水分有能力,5、湿空气的含湿量,若湿空气中的干空气质量为 ma，水蒸气的质量为mv，则含湿量的定义为,6、湿空气的焓,湿空气的总焓为 H，干空气污染的焓为 a，水蒸气的焓为 Hv,则,二相对湿度的测量,湿空气的状态参数有,在 p、t 确定之后，后五个参数只有一个独立变量，也就是五个中只要知道一个参数，状态就确定了。,用干湿球温度计可以测量相对湿度,干湿球温度计测量相对湿度的原理,干湿球温度计测量相对湿度的原理,湿球温度 tw 也是状态参数,相对湿度越下，湿球温度越低。,实际应用中，列出 t,t 的表格，可得到相对湿度的值。,三湿空气的焓湿图(hd),四湿空气的热力过程,1、加热过程,2、冷却过程,3、冷却除湿过程,4、绝热加湿过程,5、绝热混合过程,思考题(97),