第2章气体的热力性质.

教学目标:熟练应用理想气体状态方程，熟练掌握气体的各种基本热力过程及多变过程的状态参数及过程参数的热力计算。解决工程实际问题。知识点：理想气体；理想气体状态方程；理想气体比热；混合气体性质，状态参数计算；水蒸气的定压产生过程;水和水蒸气的热力性质;水蒸气的焓熵图重点：结合热力学第一定律，分析和导出理想气体和水蒸气的热力学能、焓、熵的状态参数，利用水蒸气的焓熵图分析实际热力过程。难点：理想气体比热的计算公式，掌握理想气体热力过程的热力学计算的特殊性，并能利用状态坐标图表示各种过程及过程中能量转换的特点。二气体的性质2.1状态方程理想气体指分子间没有相互作用力、分子是不具有体积的弹性质点的假想气体实际气体是真实气体，在工程使用范围内离液态较近，分子间作用力及分子本身体积不可忽略，热力性质复杂，工程计算主要靠图表理想气体是实际气体p0，v∞的极限情况。理想气体与实际气体定义：热力学中，把完全符合及热力学能仅为温度的函数的气体，称为理想气体；否则称为实际气体。RTpv)(Tuu理想气体：氧气、氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、空气、燃气、烟气……（在通常使用的温度、压力下）实际气体：氨、氟里昂、蒸汽动力装置中的水蒸气……提出理想气体概念的意义简化了物理模型，不仅可以定性分析气体某些热现象，而且可定量导出状态参数间存在的简单函数关系；在常温、常压下H2、O2、N2、CO2、CO、He及空气、燃气、烟气等均可作为理想气体处理，误差不超过百分之几，因此理想气体的提出具有重要的实用意义。理想气体的状态方程式TmRmpvpVTRpvgg或Rg为气体常数（单位J/kg·K），与气体所处的状态无关，随气体的种类不同而异理想气体在任一平衡状态时p、v、T之间关系的方程式即理想气体状态方程式，或称克拉贝龙(Clapeyron)方程。通用气体常数不仅与气体状态无关，与气体的种类也无关通用气体常数（也叫摩尔气体常数）RnRTpVRTpVm或K)kJ/(kmol3145.8R气体常数之所以随气体种类不同而不同，是因为在同温、同压下，不同气体的比容是不同的。如果单位物量不用质量而用摩尔，则由阿伏伽德罗定律可知，在同温、同压下不同气体的摩尔体积是相同的，因此得到通用气体常数R表示的状态方程式：气体常数与通用气体常数的关系：TmRpVRTMmnRTpVgM为气体的摩尔质量ggMRRMRR或不同物量下理想气体的状态方程式nRTpVRTpVTmRpVTRpvmggmkg理想气体1kg理想气体nkmol理想气体1kmol理想气体例2-1已知氧气瓶的容积，瓶内氧气温度为20℃，安装在瓶上的压力表指示的压力为15MPa，试求瓶内氧气的质量是多少？设大气压力为Pa。33m1040VPap666101.15101.01015K29327320Tkg93.72938.2591040101.1536TRpVmg解：K)(kgJ.8259328314gR氧气：kmolkgM32TmRpVgTmRpVg60.110例2-2刚性容器中原先有压力为p1、温度为T1的一定质量的某种气体，已知其气体常数为Rg。后来加入了3kg的同种气体，压力变为p2、温度仍为T1。试确定容器的体积和原先的气体质量m1。解：111TRmVpg112)3(TRmVpg1113TRTRmgg113TRVpg1213ppTRVg1211211111133pppppTRTRpTRVpmggg2-2气体的比热容1kg物质温度升高1K所需的热量称为质量比热容：J/Kd单位：xTQC)KJ/(kgd单位：Tqc1、比热的定义和单位物体温度升高1K所需的热量称为比热容：一、理想气体比热1kmol物质的热容称为摩尔比热Cm，单位：J/(kmol•K)标准状态下1m3物质的热容称为容积比热C´，单位：J/(Nm3•K)比热容、摩尔比热及容积比热三者之间的关系：CMcCm3104.22定压比热容：可逆定压过程的比热容vvvvTuTvpuTqcddddppppThTpvhTqcdddd2、气体的定容比热容和定压比热热量是过程量，因此比热容也与各过程特性有关，不同的热力过程，比热容也不相同：定容比热容：可逆定容过程的比热容焓值h=u+pv，对于理想气体h=u+RT，可见焓与压力无关，理想气体的焓也是温度的单值函数：TuTucVVdd对于理想气体，cp、cV是温度的单值函数，因此它们也是状态参数。TcuVddThThcppddTchpdd对于理想气体，其分子间无作用力，不存在势能，内能只包括取决于温度的分子动能，与比容无关，理想气体的内能是温度的单值函数：二、迈耶公式：TRupvuhggVpRccgRTuThddddRMRCCgmVmp,,迈耶公式比热容比：mVmpVpCCcc,,gpgVRcRc111gVpRcc对于理想气体，比热容比等于绝热指数。κ三、真实比热容与平均比热容22102210tbtbbcTaTaac真实比热容将实验测得的不同气体的比热容随温度的变化关系，表达为多项式形式：(比热容与绝对温度的关系)(比热容与摄氏温度的关系)平均比热容21TTpdTcq面积ABCDA=面积1BC01-面积1AD01ct012ABD(t1)C(t2)c=b0+b1t+b2t2+┉=q02-q011200ddTpTptctc212100ttctct2121()ttctt211200,00ttccCtCt表示温度自到和到的平均比热容.1210201200121212122121dddtttctcttTcTcttTcttqcttTpTpTTptt见表2-4，比热容的起始温度同为0°C，这时同一种气体的只取决于终态温度t201021tctctttc0定值比热容根据分子运动论，凡是原子数相同的气体，其摩尔热容也相同，反之，其摩尔热容不相同。)(12ttcqx实际情况是多原子气体的误差比单原子气体的误差大。1、内能和焓2121ddTchTcupv理想气体的热力学能和焓是温度的单值函数：TcuvddTchpdd2-3理想气体的热力学能、焓、熵)(d)(d12211221TTcTchTTcTcuppvv按定值比热容计算:按平均比热容计算:221122112121()()ttVVttttppttucdtctthcdtctt2、状态参数熵(Entropy)熵的定义：RRTqsTQSdd或式中，下标“R”表示可逆，T为工质的绝对温度。1、熵是系统内部不确定(无序)程度的度量;2、如何理解上述两个定义式?熵是状态参数：0dd),(),,(),,(12212121ssssssvTfsTpfsvpfsba理想气体的熵方程dupdvT以为参数(,)TvTvvRgTTcVddvvRTTcgVddRTqsdrevqdsTdpdvdTpvT两边微分dhvdpTVpdpdvccpv以为参数(,)Tp以为参数(,)pvTppRgTTcpddppRTTcgpddTRpvgppRvvppcsgpddddvvcppRcpgpddvvcppcsppRTTcsvvRTTcspVgpgVddddddddd212121122121122121ddlndlndvvcppcsppRTTcsvvRTTcspVgpgV理想气体熵方程：微分形式：积分形式：理想气体熵方程是从可逆过程推导而来，但方程中只涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程同样适用。按定比热容计算：121221121221121221lnlnlnlnlnlnvvcppcsppRTTcsvvRTTcspVgpgV一、汽化与凝结1、汽化物质由液态转变为汽态的过程。汽化方式蒸发：汽化过程在液体表面发生。沸腾：汽化过程在液体表面及内部同时发生。2、凝结物质由气态转变为液态的过程。基本概念2.4水蒸汽沸騰吸收能量2260kJ熔解吸收能量334kJ凝結釋放能量2260kJ凝固釋放能量334kJ蒸汽(1kg)水(1kg)冰(1kg)1.汽化物质由液态变为汽态的过程称为汽化。汽化蒸发：特指发生在液体表面的汽化过程，可在任何温度下发生。沸腾：汽化在液体内部和表面发生的强烈的气化过程，并产生大量气泡产生。沸腾过程只在沸点下才会发生。2.凝结物质由汽态转变为液态的过程称为凝结。又称液化现象，是汽化的反过程3.汽化潜热汽化过程中1kg液态物质（饱和液）完全转变为汽态时所需的热量称为汽化潜热。二、饱和状态饱和状态液体分子脱离其表面的汽化速度汽体分子回到液体中的凝结速度＝这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为饱和状态饱和液体饱和蒸汽饱和现象一定条件下，当液化和汽化过程达到动态的平衡，物质汽液两相的质量各自保持不变时，称这时的系统为饱和状态。饱和状态下的液体称为饱和液体,蒸汽则称为饱和蒸汽例如：处于平衡状态的汽液混合物沸腾中的液体饱和温度和饱和压力处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱和温度ts，蒸汽的压力称为饱和压力psts上升，ps上升；ps上升，ts上升。结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。sstfp三相点1)当压力低于时，液相不可能存在，而只可能是汽相或固相。称为三相点压力，对应的饱和温度ttp称为三相点温度。2)三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱和压力。3)各种物质在三相点的温度与压力分别为定值，但比体积则随固、液、汽三相的混合比例不同而异。水的三相点温度和压力值：Pa659.611K16.273tptppTtpptpp2.5水的定压产生过程工业上所用的水蒸汽都是在定压加热设备中产生的。一般经过三个阶段：预热阶段汽化阶段过热阶段一、水蒸汽定压生成过程水蒸汽的定压生成过程模拟图续4stt续4stt续4stt续4stt续4stt续4stt续4stt续4stt续4未饱和水状态饱和水状态湿饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态过热蒸汽状态过热阶段水蒸汽的定压生成过程饱和水的汽化阶段水的加热阶段sttsttsttsttstt'aa'aa'aaaaaaa说明：在此a可代表,,,vuhs水蒸汽的定压生成过程小结定压加热阶段饱和水未饱和水（过冷水）状态及状态参数：hhssvvttconstps.hhssvvttconstps.这个阶段所需的热量称为液体热q1汽化阶段干饱和蒸汽饱和水湿(饱和)蒸汽饱和水与饱和蒸汽混合物hhssvvttconstps.hhhsssvvvttconstps.hhssvvttconstps.这个阶段所需的热量称为汽化潜热r干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。mmxV过热阶段过热蒸汽干饱和蒸汽hhssvvttconstps.hhssvvttconstps.这个阶段所需的热量称为过热热qSUP。t-ts称为过热度水的状态压缩水压力高于水温对应的饱和压力过冷水温度低于水压对应的饱和温度；过冷度未饱和水上述两种未达到饱和状态的水的统称汽化潜热γ定压汽化过程所需的热量干度xvlvmmmxmv：饱和蒸气质量ml：饱和水质量过热蒸汽及过热度