工程热力学第三版电子教案第2章

第2章理想气体的性质2.1本章基本要求.........................................................................72.2本章难点....................................................................................72.3例题............................................................................................72.4思考及练习题.......................................................................122.5自测题.......................................................................................142.1本章基本要求熟练掌握理想气体状态方程的各种表述形式，并能熟练应用理想气体状态方程及理想气体定值比热进行各种热力计算。并掌握理想气体平均比热的概念和计算方法。理解混合气体性质，掌握混合气体分压力、分容积的概念。2.2本章难点1．运用理想气体状态方程确定气体的数量和体积等，需特别注意有关物理量的含义及单位的选取。2．考虑比热随温度变化后，产生了多种计算理想气体热力参数变化量的方法，要熟练地掌握和运用这些方法，必须多加练习才能达到目的。3．在非定值比热情况下,理想气体内能、焓变化量的计算方法，理想混合气体的分量表示法，理想混合气体相对分子质量和气体常数的计算。2.3例题例1：一氧气瓶内装有氧气，瓶上装有压力表，若氧气瓶内的容积为已知，能否算出氧气的质量。解：能算出氧气的质量。因为氧气是理想气体，满足理想气体状态方程式mRTPV。根据瓶上压力表的读数和当地大气压力，可算出氧气的绝对压力P，氧气瓶的温度即为大气的温度；氧气的气体常数为已知；所以根据理想气体状态方程式，即可求得氧气瓶内氧气的质量。例2：夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶时，为何容易引起轮胎爆破？解：夏天自行车在被晒得很热的马路上行驶时，轮胎内的气体（空气）被加热，温度升高，而轮胎的体积几乎不变，所以气体容积保持不变，轮胎内气体的质量为定值，其可视为理想气体，根据理想气体状态方程式mRTPV可知，轮胎内气体的压力升高，即气体作用在轮胎上的力增加，故轮胎就容易爆破。例3：容器内盛有一定量的理想气体，如果将气体放出一部分后达到了新的平衡状态，问放气前、后两个平衡状态之间参数能否按状态方程表示为下列形式：（a）222111TvPTvP（b）222111TVPTVP解：放气前、后两个平衡状态之间参数能按方程式（a）形式描述，不能用方程式（b）描述，因为容器中所盛有一定量的理想气体当将气体放出一部分后，其前、后质量发生了变化，根据1111RTmvp，2222RTmvp，而21mm可证。请思考一下（a）、（b）两式各在什么条件下可使用。例4．气瓶的体积为5L，内有压力为101325Pa的氧气，现用抽气体积为0.1L的抽气筒进行抽气。由于抽气过程十分缓慢，可认为气体温度始终不变。为了使其压力减少一半,甲认为要抽25次,他的理由是抽25次后可抽走25×0.1L=2.5L氧气，容器内还剩下一半的氧气,因而压力就可减少一半;但乙认为要抽50次，抽走50×0.lL=5.0L氧气，相当于使其体积增大一倍，压力就可减少一半。你认为谁对?为什么?到底应该抽多少次?解：甲与乙的看法都是错误的。甲把氧气的体积误解成质量,导出了错误的结论,在题设条件下，如果瓶内氧气质量减少了一半，压力确实能相应地减半。但是抽出氧气的体积与抽气时的压力、温度有关,并不直接反映质量的大小。因此,氧气体积减半，并不意味着质量减半。乙的错误在于把抽气过程按定质量系统经历定温过程进行处理。于是他认为体积增大一倍，压力就减半。显然在抽气过程中，瓶内的氧气是一种变质量的系统,即使把瓶内的氧气与被抽走的氧气取为一个联合系统，联合系统内总质量虽然不变，但瓶内氧气的参数与被抽放的氧气的参数并不相同，也同样无法按定质量的均匀系统进行处理。至于如何求解,请读者自行考虑。例5：体积为V的真空罐出现微小漏气。设漏气前罐内压力p为零，而漏入空气的流率与（p0－p）成正比，比例常数为，p0为大气压力。由于漏气过程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终保持T0不变，试推导罐内压力p的表达式。解：本例与上例相反，对于罐子这个系统，是个缓慢的充气问题，周围空气漏入系统的微量空气dm就等于系统内空气的微增量dm。由题设条件已知，漏入空气的流率ddm（p0－p），于是：）（ppmm0dddd（1）另一方面，罐内空气的压力变化（dp）与空气量的变化（dm）也有一定的关系。由罐内的状态方程pV=mgRT出发，经微分得Vdp+pdV=gRmdT+gRTdm所以，pV=mgRT后改写成mmTTVVppdddd按题设计条件dV=0，dT=0，于是mmppdd（2）此式说明罐同空气质量的相对变化与压力的相对变化成正比。综合式（1）与（2），得pVTRppmppppgd)(d)(d000或d)(dd0000VTRpppppppg由漏气前（p=0）积分到某一瞬间（罐内压力为p），得VTRpppg000ln或VTRppg00exp1例6：绝热刚性容器被分隔成两相等的容积，各为1m3（见图2.1），一侧盛有100℃，2bar的N2，一侧盛有20℃，1bar的CO2，抽出隔板，两气混合成均匀混合气体。求：（1）混合后，混合的温度T；（1）混合后，混合的压力p；（3）混合过程中总熵的变化量。解：（1）求混气温度T容器为定容绝热系，Q=0，W=0，故由能量方程有ΔU=0，混合前后的内能相等。TnCTCnTCnVMCOCOVMcoNNVMN0220222020,,0,,T=max0,,0,0,,22022202VCOCOVMCONNVMNCTCyTCy由状态方程0645.02938314110250,0,0,2222NMNNNTRVpnkmol0410.02938314110150,0,0,2222COMCOCOCOTRVpnkmol1055.00410.00645.022CONnnnkmol611.01055.00645.022nnyNNkmol389.01055.0410.022nnyCOCOkmol查表得：77.2020,NVMCkJ/kmol·K，88.2820,COVMCkJ/kmol·K925.2388.28389.077.20611.0202202,,COVMcoNVMNVMonCyCyCkJ/kmolN2100℃2bar1m3CO220℃2bar1m3图2.1·K所以，T=925.2329388.28389.037377.20611.0=335.43K（2）求混合压力p由理想混合气体状态方程：p=22CONMmMVVTnRVTnR=243.33583141055.0=1.471×105Pa=1.471bar（3）求混合过程总熵变0,0,,222202lnlnNNMNNpMNMpyRTTCynS0,0,,222202lnlnCOCOMCOCOpMCOpyRTTCy查表得08.2920,NpMCkJ/kmol·K，19.3720,COpMCkJ/kmol·K2471.1611.0ln314.837343.335ln08.29611.01055.0MS1471.1611.0ln314.829343.335ln19.37389.0=1.055×[0.611×(-3.0873+0.6501)+0.389×(5.0296+4.6411)]=0.6265kJ/K讨论：（1）求混合后的温度是工程上常遇的问题，通常混合过程不对外作功，又可作为绝热处理时，根据热力学第一定律可得到ΔU=0，从而可求得理想气体混合后的温度。（2）已知理想气体混合前后的温度，就可求取焓的变化。可是要确定熵变还得知道混合前后压力的变化。值得注意的是，不同气体混合后,求各组元熵变时，混合的压力应取该组元的分压力。（3）计算结果说明混合后熵增加了。这里提出两个问题供思考：一是根据题意绝热容器与外界无热量交换，是否可根据熵的定义式得到ΔS=0？二是为什么混合过程使熵增加？混合后熵增是必然的，或是说熵也可能不增加，或者是熵减的混合，后一问题留待读者在学习过热力学第二定律后思考。2.4思考及练习题1．某内径为15.24cm的金属球抽空后放后在一精密的天平上称重，当填充某种气体至7.6bar后又进行了称重，两次称重的重量差的2.25g，当时的室温为27℃，试确定这里何种理想气体。2．通用气体常数和气体常数有何不同？3．混合气体处于平衡状态时，各组成气体的温度是否相同，分压力是否相同。4．混合气体中某组成气体的千摩尔质量小于混合气体的千摩尔质量，问该组成气体在混合气体中的质量成分是否一定小于容积成分，为什么。5．设计一个稳压箱来储存压缩空气,要求在工作条件下(压力为0.5-0.6Mpa,温度为40-60℃),至少能储存15kg空气,试确定稳压箱的体积.6．盛有氮气的电灯泡内，当外界温度Ctb25，压力bp=1bar，其内的真空度vp=0.2bar。通电稳定后，灯泡内球形部分的温度Ct1601，而柱形部分的温度Ct702。假定灯泡球形部分容积为903cm，柱形部分容积为153cm，是求在稳定情况下灯泡内的压力。7．汽油机气缸中吸入的是汽油蒸气和空气的混合物，其压力为94000Pa，混合物中汽油的质量成分为5%，已知汽油的分子量是114，求混合气体的千摩尔质量、气体常数及混合气体中汽油蒸气的分压力8．将空气视为理想气体，并取比热定值，试在u-v、u-p、u-T等参数坐标图上，示出下列过程的过程线：定容加热过程；定压加热过程；定温加热过程。9．将空气视为理想气体，若已知u，h，或u，T，能否确定它的状态？为什么？10．对于理想气体，实验证明其0Tvu，试推证其0Tpu。11．气体的比热与过程特征有关，为什么还称cp、cv为状态参数？12．理想气体的比热比k，受哪些因素影响？如果气体温度升高，k值如何变化？如果某气体的定容比热bTcv0，试导出k与温度T的函数关系。13．把氧气压入容器为3m3的储气罐里，气罐内起始表压力pc1=50kPa，终了时表压力pc2=0.3Mpa，温度由t1=45℃增加t2=70℃，试求被压入氧气的质量。当时当地大气压pc=0.1Mpa14．有一储气筒，其容积为9.5m3，筒内空气压力为0.1Mpa，温度20℃。现有压气机向筒内充气，压气机每分钟吸气0.2m3，大气温度为20℃，压力为1bar。试求筒内压达到0.8Mpa而温度仍为20℃所需的时间。15．容积为3m3的刚性容器内，盛有分子量为44的某种气体，其初始压力p1=8bar，温度t1=47℃，由于气体泄漏，终了时气体压力p2=3bar，温度t2=27℃。试计算：（1）泄漏的气体为多少公斤？多少千摩尔？（2）所泄漏的气体若在1bar及17℃的条件下占有多大容积？16．两个相同的容器都装有氢气，如图2.2管中用一水银滴作活塞，当左边容器的温度为0℃，而右边温度为20℃，水银滴刚好在管的中央而维持平衡。（1）若左边气体温度由0℃升高至10℃时，水银滴是否会移动？（2）如左边升高到10℃，而右边升高到30℃，水银滴是否会移动？17．若刚性容器内原先贮有压力为0.4Mpa的压