热力学气体和蒸气的性质

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,第三章 气体和蒸气的性质,为什么要研究气体和蒸气的性质？,热能动力,装置共同特点：,热机,高温热源,低温热源,Q,1,Q,2,W,1,、,热源，冷源,2,、,工质,3,、,容积变化功,4,、,循环,1.,要求工质具有显著的涨缩能力,;,气态,-,气体和蒸汽,2.,要计算,Q,及,W,就必须了解工质热力性质,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,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,1.,分子之间没有作用力,2.,分子不具体积的弹性质点,1.,理想气体,模型,3-1,理想气体的概念,理想气体概念是为方便分析，,简化计算而提出。,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,温度不太低，压力不太高,的单、双原子分子,理想气体,O,2,N,2,Air,Ar,CO,H,2,工程应用中，如汽车发动机和航空发动机以空气,为主的,燃气,等可按理想气体处理；,三原子,分子（,H,2,O,CO,2,),一般不能当作,理想气体,2.,理想气体状态方程,表示理想气体在任一平衡状态时,（,p,v,T,),之间的关系；或称,克拉贝龙,方程,四种形式的,克拉贝龙,方程：,注意,:,R,m,与,R,g,摩尔体积,V,m,状态方程,统一单位,摩尔体积,V,m,阿伏伽德罗,假说,:,相同,p,和,T,下各理想气体的,摩尔体积,V,m,相同,在标准状况下,R,m,与,R,的区别,R,m,摩尔,气体常数,(,与气体种类无关,),R,g,气体常数,(,随气体种类变化,),M,-,摩尔质量,例如,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,）,计算时注意事项实例,V,=1m,3,的容器有,N,2,，,温度为,20,，压力表读数,1000mmHg,，,p,b,=1atm,，求,N,2,质量,。,1,）,2,）,3,）,4,）,3-2,理想气体的,比热容,计算,气体在状态变化过程中吸（放）热量，,引入比,热容,比热容,定义,:,单位物量的物质温度升高,1K,或,1,o,C,所需的热量,c,:,质量比热容,(,比热容,),摩尔比热容,C,:,体积比热容（标况下）,C,m,=Mc=22.414X10,-3,C,比热容,分类,：,比热容是过程量还是状态量,?,T,s,(1),(2),1,K,c,1,c,2,热力设备中工质往往是在接近压力不变或体积不变的条件下吸热或放热，用的最多的是：,定容比热容和定压比热容,定容比热容,c,v,可逆过程：,u,是状态量，设,（热一律）,定容,对理想气体,定压比热容,c,p,h,是状态量，设,定压,可逆过程：,对理想气体,c,v,和,c,p,的说明,:,1,、,c,v,和,c,p,是,状态参数,；,迈耶公式,:,2,、,(,对理想气体,),c,p,恒大于,c,v,比热容比,:,0,定压,b,与,c,温度相同，均为,(,T,+1)K,而,利用比热容计算热量,原理,:,理想气体的比热容,c,是温度的复杂函数，对比热容,c,作不同的技术处理可计算得精度不同的热量,:,真实比热容积分,利用平均比热表,利用平均比热直线关系式,定值比热容,1,、按真实比热,计算,根据实验结果整理,理想气体,附表,4,2,、按平均比热,计算,t,t,2,t,1,c,(,c,p,c,v,),c=f,(,t,),附表,5,3.,平均比热直线式,令,c,=,a,+,bt,则,即为,区间的平均比热直线式,2),t,需用,t,1,+,t,2,代入,注意,:,1),t,的系数已除过,2,附表,6,分子运动论,4,、按定值比热,计算,运动自由度,单原子,3,双原子,5,多原子,7,i,取值：,1.,理想气体热力学能,和焓,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,和焓,h,T,3-3,理想气体的,u,、,h,、,s,适用于理想气体任何过程,理想气体热力学能,和焓的计算,讨论：,ab,、,ad,、,ac,过程的热力学能和焓的变化,ab,、,ad,、,ac,过程的热力学能和焓的变化相同；,注：,在热工计算中，通常只需计算热力学能、焓的变化量。即人为规定某一状态下的焓值,(,或热力学能值,),为零。一般取,0K,或 0,0,C,时的,h , u,值为零,。,说明：,对于理想气体一切同温限之间过程的,u,及,h,均相同,且均可用,c,V,T,及,c,p,T,计算,;,热力学能和焓零点的规定：,熵,的定义,:,可逆过程,理想气体,2.,理想气体的熵变计算,pv,=,R,g,T,仅可逆适用,若定比热,理想气体,s,的计算,适用于理想气体任何过程,理想气体小结,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、熵的特点和计算,水蒸气,在空气中含量极小，当作,理想气体,一般情况下，为,实际气体,，使用图表,18,世纪，蒸气机的发明，是唯一工质,直到内燃机发明，才有燃气工质,目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质,优点,:,便宜，易得，无毒，,膨胀性能好，传热性能好,是其它实际气体的代表,3-4,水蒸气的饱和状态和相图,锅,炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,因固相不流动，更关心汽液两相,物质有三种聚集状态：,固态,、,液态,、,气态,水,的三,态：,冰,、,水,、,蒸汽,汽化与饱和,沸腾：,在液体表面和液体内部同时发生的强烈汽化,汽化,:,由液态变成气态的过程,(,不涉及化学变化，是个物理过程,),蒸发：,液体表面上进行的汽化,凝结：,由气态变成液态的过程,饱和状态,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,饱和温度,T,s,饱和压力,p,s,一一对应,放掉一些水，,T,s,不变，,p,s,？,T,s,p,s,p,s,=1.01325bar,T,s,=100,青藏,p,s,=0.6bar,T,s,=85.95,高压锅,p,s,=1.6bar,T,s,=113.32,(,气体和液体均处在饱和状态下,),使未,饱和液达饱和状态的途径：,将水的气、液饱和状态推广到,所有纯物质,，并进一步推广到,固,-,液相,，,固,-,气相,；,饱和温度,饱和压力,一一对应,克拉贝隆方程,P,-T,相图,纯物质的,p,-,T,相图,p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,水,纯物质,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,汽化线,汽化线,相平衡曲线、,三相,点、,临界点,三相,点,与临界点,水的临界点状态,饱和液线与饱和气线的交点,气液两相共存的,p,max,T,max,临界点,水的三相点,3-5,水的汽化过程和临界点,t ,t,s,v v,v = v,v = v,v v v,未饱和水,饱和水,湿饱和蒸气,干饱和蒸气,过热蒸气,h h,h = h,h = h,h h h,s s,s = s,s = s,s s s,水预热,汽化,过热,“,水蒸气的定压发生过程,”,水蒸气定压发生过程说明,(1),理想气体,实际气体汽化时，,T,T,s,不变，但,h,增加,汽化潜热,(2),未饱和水,过冷度,过冷水,过热蒸汽,过热度,水蒸气定压汽化过程的,p-v,图，,T-s,图,s,一点，二线，三区，五态,一点,临界点,两线,上,界限线,(,饱和水线,),下界限线,(,饱和蒸汽线,),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,一点，二线，三区，五态,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,3-6,水和水蒸气状态参数,水和水蒸气状态参数,确定的原则,:,1,、未饱和水及过热蒸气,确定任意两个独立参数，如：,p,、,T,2,、饱和水和干饱和蒸气,确定,p,或,T,3,、湿饱和蒸气,除,p,或,T,外，须有其它参数确定两相比例,状态公理：,简单可压缩系统，两个独立变量,1875,年，吉布斯提出了吉布斯相律,P229,“,相平衡系统中每一单独相独立状态参数的个数,”,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,压力为,p,温度为,0.01,o,C,过冷水状态参数,:,可认为是由三相点液态水压缩得到,忽略水的压缩性,热力学能及熵为零,;,压力不高时焓值也可近似为零,.,过冷水,(,未饱和水,):,压力为,p,温度为,t,的过冷水状态参数,:,查图表或由专用程序计算,压力不太高时，可近似,压力为,p,的饱和水和饱和蒸汽状态参数,:,查图表或由专用程序计算获得,;,v,h,s,v,饱和水,:,干饱和蒸气,:,h,s,s,压力为,p,的湿饱和蒸汽状态参数,确定,如果有,1,kg,湿蒸气，干度为,x,即有,x,kg,饱和蒸汽，,(1-x),kg,饱和水。,已知,p,或,T,(,h,v,s,h,v,s,),+,干度,x,h,v,s,两相比例由,干度,x,确定,定义,干饱和蒸气,饱和水,对,干度,x,的说明：,x =,0,饱和水,x =,1,干饱和蒸气,0,x,1,在,过冷水,和,过热蒸汽,区域，,x,无意义,压力为,p,温度为,t,过热蒸汽状态参数,确定,原则上可任取零点，国际上统一规定。,但 原则上不为,0,，,对水,：,表是依据,1963,年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管,IFC,（,国际公式化委员会）,1967,和,1997,年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。,表中焓、内能、熵零点的规定：,水的,三相点,3-7,水及水蒸气表和图,水及水蒸气表分,两类,:,2,、,未饱和水和过热蒸汽表,1,、,饱和水和干饱和蒸气表,按温度排列表,按压力排列表,以压力和温度为独立变数排列表,饱和水和饱和水蒸气表,饱,和,参,数,未饱和水和过热蒸汽表（节录）,查表举例（,1,）,查表时先要确定在五态中的哪一态。,例,.1,已知 ：,p,=,1MPa,试确定,t,=,100,200,各处于哪个状态,各自,h,是多少？,t,s,(,p,),=,179.88,t,=,100,t,s,过热蒸汽,h,=,2827.5kJ/kg,查表举例（,2,）,已知,t,=,250,5kg,蒸气占有,0.2m,3,容积,试问蒸,气所处状态,?,h,=?,t,=,250,湿蒸汽状态,查表举例（,2,）,已知,t,=,250,5kg,蒸气占有,0.2m,3,容积,试问蒸,气所处状态,?,h,=?,t,=,250,湿蒸汽状态,查表举例（,3,）,已知,t,=,85,p,=,0.015MPa,试确定状态,?,h,=?,t,s,=,54.0,过热状态,p,=,0.015MPa,内插法,p,=,0.01MPa,t,=,85,p,=,0.02MPa,t,=,85,p,=,0.015MPa,t,=,85,饱,和,参,数,未饱和水和过热蒸汽表,(,注意下划线）,水蒸气的,T s,图,:,图中,:,定压线,定温线,定容线,定干度线,已知任意两个状态参数就可求得其他参数,;,如何在图上表示功和热,p,-,v,图,（,示功图,）：面积代表功,能否用线段表示热和功,T,-,s,图,（,示热图,）：面积代表热,水蒸气的,h s,图,水蒸气的,h s,图,(,莫里尔图,) :,定压线,定温线,定容线,定干度线,焓 熵 图,h,s,C,x,=1,x,=0,p,v,T,x,焓熵图,(1),1,、,零点：,h,=,0,，,s,=,0,；,2,、,饱和汽线,（,上界线,）、饱和液线（,下,界线,）,3,、,等压线群：,p,两相区,p,T=Const,斜直线,单相区,s,T,向上翘的发散的形线,焓熵图,(2),气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体,两相区：,T,、,p,一一对应，,T,线即,p,线,在,x,=0,x,=1,之间,同理想气体一样，,v,线比,p,线陡,4,、,定温线,T,5,、,等容线,v,6,、,等干度线,x,作业：,3,2,，,3,9,，,3,12,，,3-21,，,3-24,。,第三章 完,