工程熱力學(xué)課件：第三章 氣體和蒸氣的性質(zhì)

1、第三章 氣體和蒸氣的性質(zhì)為什么要研究氣體和蒸氣的性質(zhì)？熱能動(dòng)力裝置共同特點(diǎn)：熱機(jī)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤1Q2W 1、熱源，冷源 2、工質(zhì) 3、容積變化功 4、循環(huán) 1.要求工質(zhì)具有顯著的漲縮能力;氣態(tài)-氣體和蒸汽2.要計(jì)算Q及W就必須了解工質(zhì)熱力性質(zhì)工程熱力學(xué)的兩大類工質(zhì) 1、理想氣體（ ideal gas） 可用簡(jiǎn)單的式子描述 如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣為主的燃?xì)獾?、實(shí)際氣體（ real gas） 不能用簡(jiǎn)單的式子描述，真實(shí)工質(zhì) 火力發(fā)電的水和水蒸氣、制冷空調(diào)中制冷工質(zhì)等1. 分子之間沒(méi)有作用力 2. 分子不具體積的彈性質(zhì)點(diǎn)1. 理想氣體模型3-1 理想氣體的概念理想氣體概念是為方便分析，

2、簡(jiǎn)化計(jì)算而提出?，F(xiàn)實(shí)中沒(méi)有理想氣體 當(dāng)實(shí)際氣體 p 很小, V 很大, T不太低時(shí), 即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時(shí), 可視為理想氣體。 哪些氣體可當(dāng)作理想氣體溫度不太低，壓力不太高的單、雙原子分子理想氣體O2, N2, Air, Ar,CO, H2工程應(yīng)用中，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣為主的燃?xì)獾瓤砂蠢硐霘怏w處理；三原子分子（H2O, CO2)一般不能當(dāng)作理想氣體2.理想氣體狀態(tài)方程 表示理想氣體在任一平衡狀態(tài)時(shí)（p,v,T)之間的關(guān)系；或稱克拉貝龍方程四種形式的克拉貝龍方程：注意: Rm 與Rg 摩爾體積Vm狀態(tài)方程統(tǒng)一單位摩爾體積Vm阿伏伽德羅假說(shuō): 相同 p 和 T 下各理想氣體的摩爾

3、體積Vm相同在標(biāo)準(zhǔn)狀況下 Rm與R的區(qū)別Rm摩爾氣體常數(shù) (與氣體種類無(wú)關(guān)) Rg氣體常數(shù) (隨氣體種類變化)M-摩爾質(zhì)量例如計(jì)算時(shí)注意事項(xiàng) 1、絕對(duì)壓力2、溫度單位 K3、統(tǒng)一單位（最好均用國(guó)際單位）計(jì)算時(shí)注意事項(xiàng)實(shí)例 V=1m3的容器有N2，溫度為20 ，壓力表讀數(shù)1000mmHg，pb=1atm，求N2質(zhì)量。1）2）3）4）3-2 理想氣體的比熱容計(jì)算氣體在狀態(tài)變化過(guò)程中吸（放）熱量，引入比熱容比熱容定義:單位物量的物質(zhì)溫度升高1K或1oC所需的熱量c : 質(zhì)量比熱容 (比熱容) 摩爾比熱容C: 體積比熱容（標(biāo)況下）Cm=Mc=22.414X10-3C比熱容分類：比熱容是過(guò)程量還是狀態(tài)量

4、?Ts(1)(2)1Kc1c2熱力設(shè)備中工質(zhì)往往是在接近壓力不變或體積不變的條件下吸熱或放熱，用的最多的是：定容比熱容和定壓比熱容定容比熱容cv可逆過(guò)程：u是狀態(tài)量，設(shè) （熱一律）定容對(duì)理想氣體定壓比熱容cph是狀態(tài)量，設(shè) 定壓可逆過(guò)程：對(duì)理想氣體cv和cp的說(shuō)明:1、 cv 和 cp是狀態(tài)參數(shù) ；邁耶公式:2、 (對(duì)理想氣體) cp恒大于 cv 比熱容比:0定壓b與c溫度相同，均為(T+1)K而利用比熱容計(jì)算熱量原理: 理想氣體的比熱容c是溫度的復(fù)雜函數(shù)，對(duì)比熱容c作不同的技術(shù)處理可計(jì)算得精度不同的熱量: 真實(shí)比熱容積分 利用平均比熱表 利用平均比熱直線關(guān)系式 定值比熱容1、按真實(shí)比熱計(jì)算根

5、據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理 理想氣體附表42、按平均比熱計(jì)算t t2 t1 c(cp ,cv) c=f (t) 附表53. 平均比熱直線式 令c = a + bt, 則即為區(qū)間的平均比熱直線式2) t 需用t1+t2代入注意:1) t 的系數(shù)已除過(guò)2附表6分子運(yùn)動(dòng)論4、按定值比熱計(jì)算運(yùn)動(dòng)自由度單原子 3雙原子 5多原子 7i 取值：1.理想氣體熱力學(xué)能和焓熱力學(xué)能內(nèi)動(dòng)能內(nèi)位能T, v 理想氣體無(wú)分子間作用力，熱力學(xué)能只決定于內(nèi)動(dòng)能? 如何求理想氣體的熱力學(xué)能 u和焓hT3-3 理想氣體的u、h、s適用于理想氣體任何過(guò)程理想氣體熱力學(xué)能和焓的計(jì)算討論：ab、ad、ac過(guò)程的熱力學(xué)能和焓的變化ab、ad、ac

6、過(guò)程的熱力學(xué)能和焓的變化相同；注：在熱工計(jì)算中，通常只需計(jì)算熱力學(xué)能、焓的變化量。即人為規(guī)定某一狀態(tài)下的焓值( 或熱力學(xué)能值 )為零。一般取0K或 0 0C時(shí)的 h , u 值為零。說(shuō)明： 對(duì)于理想氣體一切同溫限之間過(guò)程的u及h均相同,且均可用cV T及cp T計(jì)算;熱力學(xué)能和焓零點(diǎn)的規(guī)定：熵的定義: 可逆過(guò)程 理想氣體2. 理想氣體的熵變計(jì)算pv = RgT僅可逆適用若定比熱理想氣體s的計(jì)算適用于理想氣體任何過(guò)程理想氣體小結(jié)1、什么樣的氣體是理想氣體？2、理想氣體狀態(tài)方程的正確使用3、理想氣體比熱、內(nèi)能、焓、熵的特點(diǎn)和計(jì)算水蒸氣在空氣中含量極小，當(dāng)作理想氣體一般情況下，為實(shí)際氣體，使用圖表1

7、8世紀(jì)，蒸氣機(jī)的發(fā)明，是唯一工質(zhì)直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有燃?xì)夤べ|(zhì)目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì)優(yōu)點(diǎn): 便宜，易得，無(wú)毒， 膨脹性能好，傳熱性能好是其它實(shí)際氣體的代表3-4 水蒸氣的飽和狀態(tài)和相圖鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過(guò)熱器因固相不流動(dòng)，更關(guān)心汽液兩相物質(zhì)有三種聚集狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)水的三態(tài)：冰、水、蒸汽汽化與飽和沸騰：在液體表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈汽化汽化: 由液態(tài)變成氣態(tài)的過(guò)程 (不涉及化學(xué)變化，是個(gè)物理過(guò)程)蒸發(fā)：液體表面上進(jìn)行的汽化 凝結(jié)：由氣態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡飽和溫度Ts飽和壓力ps一一對(duì)應(yīng)放掉一些水，Ts不變， ps？Tspsp

8、s=1.01325barTs=100 青藏ps=0.6barTs=85.95 高壓鍋ps=1.6barTs=113.32 (氣體和液體均處在飽和狀態(tài)下)使未飽和液達(dá)飽和狀態(tài)的途徑： 將水的氣、液飽和狀態(tài)推廣到所有純物質(zhì)，并進(jìn)一步推廣到固-液相，固-氣相；飽和溫度飽和壓力一一對(duì)應(yīng)克拉貝隆方程P-T相圖純物質(zhì)的p-T相圖ppTT液液氣氣固固水純物質(zhì)三相點(diǎn)三相點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)流體流體汽化線汽化線相平衡曲線、三相點(diǎn)、臨界點(diǎn)三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)水的臨界點(diǎn)狀態(tài)飽和液線與飽和氣線的交點(diǎn)氣液兩相共存的pmax,Tmax臨界點(diǎn)水的三相點(diǎn)3-5 水的汽化過(guò)程和臨界點(diǎn)t tsv vv = vv = vv v v未飽和水飽和

9、水濕飽和蒸氣干飽和蒸氣過(guò)熱蒸氣h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s s水預(yù)熱汽化過(guò)熱“水蒸氣的定壓發(fā)生過(guò)程”水蒸氣定壓發(fā)生過(guò)程說(shuō)明(1)理想氣體實(shí)際氣體汽化時(shí)，TTs不變，但h增加汽化潛熱(2) 未飽和水過(guò)冷度過(guò)冷水過(guò)熱蒸汽過(guò)熱度水蒸氣定壓汽化過(guò)程的p-v圖，T-s圖s一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)一點(diǎn)臨界點(diǎn)兩線上界限線(飽和水線)下界限線(飽和蒸汽線)三區(qū)液汽液共存汽五態(tài)未飽和水飽和水濕蒸汽干飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài) 水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)可按不同區(qū)域，由給出的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)通過(guò)實(shí)際氣體狀態(tài)方程及其他一般關(guān)系式計(jì)算（通常由計(jì)算機(jī)計(jì)算）或查圖表確定。在動(dòng)力工程

10、中水蒸氣不宜利用理想氣體性質(zhì)計(jì)算3-6 水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)確定的原則:1、未飽和水及過(guò)熱蒸氣確定任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，如：p、T2、飽和水和干飽和蒸氣確定p或T3、濕飽和蒸氣除p或T外，須有其它參數(shù)確定兩相比例狀態(tài)公理：簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)立變量1875年，吉布斯提出了吉布斯相律P229 “相平衡系統(tǒng)中每一單獨(dú)相獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的個(gè)數(shù)”零點(diǎn)規(guī)定規(guī)定：三相點(diǎn)液態(tài)水熱力學(xué)能及熵為零可近似為零壓力為p,溫度為0.01oC過(guò)冷水狀態(tài)參數(shù): 可認(rèn)為是由三相點(diǎn)液態(tài)水壓縮得到,忽略水的壓縮性,熱力學(xué)能及熵為零;壓力不高時(shí)焓值也可近似為零.過(guò)冷水(未飽和水):壓力為p,溫度為t的過(guò)冷水狀態(tài)參數(shù):查

11、圖表或由專用程序計(jì)算壓力不太高時(shí)，可近似壓力為p的飽和水和飽和蒸汽狀態(tài)參數(shù):查圖表或由專用程序計(jì)算獲得;vhsv飽和水:干飽和蒸氣:hss壓力為p的濕飽和蒸汽狀態(tài)參數(shù)確定 如果有1kg濕蒸氣，干度為x, 即有xkg飽和蒸汽，(1-x)kg飽和水。已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度xh ,v ,s兩相比例由干度x確定定義干飽和蒸氣飽和水對(duì)干度x的說(shuō)明：x = 0 飽和水x = 1 干飽和蒸氣0 x 1在過(guò)冷水和過(guò)熱蒸汽區(qū)域，x無(wú)意義壓力為p溫度為t過(guò)熱蒸汽狀態(tài)參數(shù)確定原則上可任取零點(diǎn)，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定。但 原則上不為0， 對(duì)水： 表是依據(jù)1963年第六屆國(guó)際水和水蒸氣會(huì)議發(fā)表的國(guó)際骨架表編

12、制，盡管IFC（國(guó)際公式化委員會(huì)）1967和1997年先后發(fā)表了分段擬合的水和水蒸氣熱力性質(zhì)公式，但工程上還主要依靠圖表。表中焓、內(nèi)能、熵零點(diǎn)的規(guī)定：水的三相點(diǎn)3-7 水及水蒸氣表和圖水及水蒸氣表分兩類:2、未飽和水和過(guò)熱蒸汽表1、飽和水和干飽和蒸氣表按溫度排列表按壓力排列表以壓力和溫度為獨(dú)立變數(shù)排列表飽和水和飽和水蒸氣表飽和參數(shù)未飽和水和過(guò)熱蒸汽表（節(jié)錄）查表舉例（1）查表時(shí)先要確定在五態(tài)中的哪一態(tài)。例.1 已知 ：p=1MPa,試確定t=100, 200 各處于哪個(gè)狀態(tài), 各自h是多少？ts(p)=179.88t=100 ts, 過(guò)熱蒸汽h=2827.5kJ/kg查表舉例（2）已知 t=2

13、50, 5kg 蒸氣占有0.2m3容積, 試問(wèn)蒸氣所處狀態(tài)? h=?t=250 , 濕蒸汽狀態(tài)查表舉例（2）已知 t=250, 5kg 蒸氣占有0.2m3容積, 試問(wèn)蒸氣所處狀態(tài)? h=?t=250 , 濕蒸汽狀態(tài)查表舉例（3）已知 t=85, p=0.015MPa , 試確定狀態(tài)? h=?ts=54.0 , 過(guò)熱狀態(tài)p=0.015MPa內(nèi)插法p=0.01MPat=85p=0.02MPat=85p=0.015MPat=85飽和參數(shù)未飽和水和過(guò)熱蒸汽表(注意下劃線）水蒸氣的T s圖: 圖中:定壓線定溫線定容線定干度線已知任意兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)就可求得其他參數(shù);如何在圖上表示功和熱p-v圖（示功圖）：面積代表功能否用線段表示熱和功T-s圖（示熱圖）：面積代表熱水蒸氣的h s圖水蒸氣的h s圖 (莫里爾圖) : 定壓線定溫線定容線定干度線焓 熵 圖hsCx=