工程热力学第3章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,3-1 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,m,3,kg,气体常数,单位为,J/(kg,K),K,R,=,MR,g,=8.314 5 J/(mol,K),二、理想气体的状态方程(ideal-gas equation),2,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R,g,=287.06 J/(kgK),计算依据,相对误差=,3,（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。,4,32 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/（Nm,3,K）,(volumetric specific heat capacity),摩尔热容,C,m,J/（molK）,(mole specific heat capacity),注： Nm,3,为非法定表示法，标准表示法为“,标准m,3,”。,5,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,6,2.,c,V,定容过程,d,v,=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,7,3.,c,p,据一般表达式,若为理想气体,c,p,是温度函数,8,4,. c,p,-,c,V,迈耶公式（Mayers formula）,5. 讨论,1),c,p,与,c,V,均为温度函数,但,c,p,c,V,恒为常数：,R,g,9,2) (,理想气体),c,p,恒大于,c,V,物理解释:,10,定容,0,定压,b,与,c,温度相同，均为(,T,+1)K,而,11,c)气体常数,R,g,的物理意义,R,g,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A902355,12,三、利用比热容计算热量,原理:,对,c,n,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,13,1.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,),T,1,T,2,均为变量, 制表太繁复,=面积,amoda,-,面积,bnodb,14,而,由此可制作出平均比热容表,15,附:线性插值,16,3. 平均比热直线式,令,c,n,=,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,t,1,+,t,2,代入,注意:,17,4.,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,18,单原子气体,i,=,3,双原子气体,i,=,5,多原子气体,i,=,6,19,33 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,20,讨论,：,如图,：,0,0,21,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,c,V,T,及,c,p,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,=,c,V,T,定压过程,h,=,c,p,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,。,22,二、利用气体热力性质表计算热量,23,三、,理想气体的熵,(entropy),1.定义,2.,理想气体的熵是状态参数,24,定比热,25,3.零点规定: 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,26,34,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。,27,二、,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,，,t,s,(,T,s,),(Saturated temperature),饱和状态的压力,饱和压力,，,p,s,（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,p,s,。,所以,一一对应,，只有一个独立变量，即,如,28,29,三、 几个名词,饱和液,(,saturated liquid,),处于饱和状态的液体,：,t = t,s,干饱和蒸汽,(,dry-saturated vapor; dry vapor,),处于饱和状态的蒸汽,：,t = t,s,未饱和液,(,unsaturated liquid,),温度低于所处压力下饱和温度的液体,：,t,t,s,t,t,s,=,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 = t,s,使未饱和液达饱和状态的途径：,30,干度（dryness）,（,湿度,y,=1,x,）,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。,31,四、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),：,?,32,2.,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。,33,预热,汽化,过热,t,t,s,35 水定压加热汽化过程,一、水定压加热汽化过程,34,二、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,35,各种工质均具有类似水的性质,36,36,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,37,一、零点规定,规定：三相点液态水,热力学能及熵为零,可近似为零,38,二、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(,p,s,和,t,s,),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,c,p,变化复杂,。,查图表或由专用程序计算。,39,五、 湿饱和蒸汽,由,t,s,（或,p,s,）与,x,共同确定,：,x,较大时,未饱和水,过热蒸汽,湿饱和蒸汽,40,37 水蒸气表和图,一、 水蒸气表,1.饱和水和干饱和蒸汽表,41,2.未饱和水和过热蒸汽表,42,二、 水蒸气的焓熵（,h,-,s,）图,水蒸气,的,t s,图,43, 焓熵图,斜率,定压线,定温线,定容线,定干度线,44,45,1）定压线群,湿蒸汽区，,T = T,s,，直线,过热蒸汽区，斜率随,T,增,大而增大,0,46,2）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,47,3）等容线群,4）等干度线,等容线比等压线陡,等熵条件,48,38 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。,49,1997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 K,p, 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。,50,下一章,51,52,53,54,提示：,55,提示：,56,57,