第三讲：理想气体选编课件.ppt

《第三讲：理想气体选编课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三讲：理想气体选编课件.ppt（81页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、理想气体的性质,Properties of the Ideal-Gas,火力发电装置,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,ws=h1-h2,ws=h1-h2,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,工程热力学的两大类工质,1、理想气体（ideal gas）,可用简单的式子描述 如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等,2、实际气体（real gas）,不能用简单的式子描述，真实工质 火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等,理想气体状态方程,理想气体定义：,凡遵循克拉贝龙(Clapeyron)方程的气

2、体,四种形式的克拉贝龙方程：,Rm 与R,摩尔容积Vm,状态方程,统一单位,Ideal-gas equation of state,摩尔容积Molar specific volume(Vm),阿伏伽德罗假说 Avogadros hypothesis:相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积Vm相同,在标准状况下,Vm常用来表示数量,Rm与R的区别,Rm通用气体常数,R气体常数,M-Molar mass,例如,Universal Gas constant,与气体种类无关,Gas constant,与气体种类有关,计算时注意事项,1、绝对压力,2、温度单位 K,3、统一单位（最好均用国际单位）,计

3、算时注意事项实例,V=1m3的容器有N2，温度为20，压力表读数1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。,1）,2）,3）,4）,1.分子之间没有作用力 2.分子本身不占容积,但是,当实际气体 p 很小,V 很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。,理想气体模型Model of iedal-gas,现实中没有理想气体,当实际气体 p 很小,V 很大,T不太低时,即处于远离液态的稀薄状态时,可视为理想气体。,哪些气体可当作理想气体,T常温，p7MPa的双原子分子,理想气体,O2,N2,Air,CO,H2,如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气等,三原子分子（H2O,

4、CO2)一般不能当作理想气体,特殊可以，如空调的湿空气，高温烟气的CO2,热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,18世纪初，工业革命，热效率只有1%,1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有 引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1850年发表并得到公认,Conservation of energy,One of the most fundamental laws of nature,“D

5、uring an interaction,energy can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”,Energy cannot be created or destroyed,焦耳实验,1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T,2、绝热去掉，气 体 T，放出 热给水，T 恢复 原温。,焦耳实验,水温升高可测得热量，重物下降可测得功,热功当量1 cal=4.1868 kJ,工质经历循环:,Mechanical equivalent of heat,闭口系循环的热一律表

6、达式,要想得到功，必须化费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind,Q=,W,Q,Perpetual motion machine of the first kind,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,热一律的推论热力学能,热力学能的导出,闭口系循环,Internal energy,热力学能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,(Q-W)=0,热力学能及闭口系热一律表达式,定义 dU=Q-W 热力学能U

7、状态函数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q=dU 绝热系 W=-dU,热力学能U 的物理意义,dU=Q-W,W,Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。,U 代表储存于系统内部的能量 热力学能（内能）,热力学能的微观组成,分子动能分子位能 binding forces化学能 chemical energy核能 nuclear energy,热力学能,microscopic forms of internal energy,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,系统总

8、能 total energy,外部储存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek=mc2/2宏观位能 potential Ep=mgz,机械能,系统总能,E=U+Ek+Ep,e=u+ek+ep,一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du,热力学能的说明,热力学能是状态量 state property,U:广延参数 kJ u:比参数 kJ/kg,热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定,热一律的文字表达式,热一律:能量守恒与转换定律,闭口系能量方程,W,Q,一般式,Q=dU+W Q=U+W,q=du+w q=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质

9、2)任何过程,Energy balance for closed system,Point function-Exact differentials-dPath function-Inexact differentials-,闭口系能量方程中的功,功（w）是广义功Generalized Work 闭口系与外界交换的功量,q=du+w,准静态容积变化功 pdv拉伸功 w拉伸=-dl表面张力功 w表面张力=-dA,w=pdv-dl-dA+.,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w=pdv,简单可压缩系可逆过程,q=Tds,q=du+pdv,q=u+pdv,热一律解析式之一,Tds=

10、du+pdv,Tds=u+pdv,热力学恒等式,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,RefrigeratorIcebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-conditioner,小 结 Summary,热力学第一定律的本质热力学能闭口系能量方程及其应用,开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化,Energy balance for open system,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,

11、min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推挤功）,p,A,p,V,dl,W推=p A dl=pV w推=pv,注意：不是 pdv v 没有变化,Flow work,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量,可理解为：由于工质

12、的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv,工程上常用流率,开口系能量方程微分式,当有多条进出口：,流动时，总一起存在,焓Enthalpy的引入,定义：焓 h=u+pv,h,h,开口系能量方程,焓Enthalp

13、y的 说明,定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ,1、焓是状态量 state property,2、H为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推进功)对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。,稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Shaft work,每截面状态不变,4、,Energy balance for steady-flow systems,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件

14、,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过程,Energy balance for steady-flow systems,技术功 Technical work,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,单位质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,轴功ws,推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv),c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功

15、ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,技术功在示功图上的表示,稳定流动能量方程应用举例,热力学问题经常可忽略动、位能变化,例：c1=1 m/s c2=30 m/s(c22-c12)/2=0.449 kJ/kg,z1=0 m z2=30 mg(z2-z1)=0.3 kJ/kg,1bar下,0 oC水的 h1=84 kJ/kg100 oC水蒸气的 h2=2676 kJ/kg,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气机,蒸汽轮机,S

16、team turbine,透平(Turbine)机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws=-h=h1-h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械 Compressor,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机,水泵,制冷空调,压缩机,火力发电装置Steam power,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,压缩机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws=-h=h1-h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备Heat Exchangers,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷空调,蒸发器、冷凝器,换热设备,热流体放热量：

17、,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,小 结 Summary,热力学第一定律的本质 热一律各表达式之间的关系和用法 准静态或可逆条件下的表达式 热力学能与焓 四种功的关系和使用场合,(比)热容Specific Heats,计算热力学能,焓,热量都要用到热容,定义:比热容,单位物量的物质升高1K或1oC所需的热量,The energy required to raise the temp

18、erature of a unit mass of a substance by one degree,(比)热容Specific Heats,比热容,c:质量比热容,Cm:摩尔比热容,C:容积比热容,Cm=Mc=22.414C,T,s,(1),(2),1 K,比热容是过程量还是状态量?,c1,c2,用的最多的某些特定过程的比热容,定容比热容,定压比热容,定容比热容cv,任意准静态过程,u是状态量，设,定容,Specific heat at constant volume,定压比热容cp,任意准静态过程,h是状态量，设,定压,Specific heat at constant pressure

19、,cv和cp的说明,1、cv 和 cp，过程已定,可当作状态量。,2、前面的推导没有用到理想气体性质,3、h、u、s的计算要用cv 和 cp。,适用于任何气体。,cv物理意义：v 时1kg工质升高1K热力学能的增加量,cp物理意义：p 时1kg工质升高1K焓的增加量,常见工质的cv和cp的数值,0oC时：,cv,air=0.716 kJ/kg.K cp,air=1.004 kJ/kg.K,cv,O2=0.655 kJ/kg.K cp,O2=0.915 kJ/kg.K,1000oC时：,cv,air=0.804 kJ/kg.K cp,air=1.091 kJ/kg.K,cv,O2=0.775 k

20、J/kg.K cp,O2=1.035 kJ/kg.K,25oC时：,cv,H2O=cp,H2O=4.1868 kJ/kg.K,理想气体的u、h、s和热容,一、理想气体的u,1843年焦耳实验，对于理想气体,p v T 不变,理想气体的热力学能u,理气绝热自由膨胀 p v T 不变,理想气体热力学能的物理解释,热力学能内动能内位能,T,v,理想气体无分子间作用力，热力学能只决定于内动能,?如何求理想气体的热力学能 u,T,理想气体u只与T有关,理想气体热力学能的计算,理想气体,实际气体,理想气体的焓,理想气体,实际气体,理想气体h只与T有关,熵的定义:,可逆过程,理想气体,理想气体的熵,pv=R

21、T,仅可逆适用？,一般工质:,理想气体：,迈耶公式Mayers formula,理想气体的热容,令,比热比,1、按定比热,2、按真实比热计算,理想气体热容、u、h和s的计算,3、按平均比热法计算,理想气体热容的计算方法：,h、u、s的计算要用cv 和 cp,小结 Summary,1、什么样的气体是理想气体？,2、理想气体状态方程的正确使用,3、理想气体比热、内能、焓的的特点和计算,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,