第三章--理想气体的热力性质及过程

第三章理想气体的热力性质及过程一、理想气体3―1理想气体及其状态方程式理想气体是一种经过科学抽象的假想气体模型。定义：气体分子是不占体积的弹性质点，分子间没有相互作用力（引力和斥力）。微观解释：气体分子本身所具有的体积与其所活动的空间相比非常小，分子本身的体积便可忽略；分子间的平均距离较大，分子间的相互作用力也可以忽略不计。(远离液态点)。理想气体和蒸气之间没有绝对的界限，且可以相互转化。)kmol()kmol1()kg(理想气体理想气体理想气体nnRTpVRTpVmTmRpVmgpv=RgT式中Rg为气体常数，R为通用气体常数。二、理想气体状态方程式由实验定律得出的克拉贝隆方程，即为理想气体状态方程式gRTvpTvpTvp333222111M—气体的摩尔质量，单位：kg/kmol（分子量）不同的气体，气体常数不同；但通用气体常数不变。使用条件：理想气体、平衡状态。MMRRg3.8314J/(kg·K)R＝8314.3J/(kmol·K)在标准状态（po＝1.01325105Pa,To＝273.15K）下,任何气体的摩尔容积Vm0均为22.410-3Nm3/mol＝22.4Nm3/kmol,由前面公式计算得:气体常数一、比热容的定义及单位1.定义2.单位：质量比热容c：kJ/（kg·K）容积比热容c：kJ/（Nm3·K）摩尔比热容C：kJ/（kmol·K）C＝M·c＝22.4c3―2理想气体的比热容dTqckJ/(单位物理量·K)——可逆过程二、定容比热容和定压比热容由于热量是过程量，所以气体的比热容与工质的种类和过程有关。工程上最常遇到的是气体在定容或定压条件下加热或放热，因此定容比热容和定压比热容最常用。1.定义式分析知:cp＞cV（详见教材P.33）dTqcppdtqcpp定压:定容:或或dTqcdtqc2.理想气体cp、cV关系式RCCRccVpgVp迈耶公式令Vpcc称比热比或绝热指数VgVgVcRcRc11,1gpgVRcRc三、真实比热容、平均比热容和定值比热容1.真实比热容（精确，但计算繁琐）2.平均比热容（精确、简便）332210)(TaTaTaRacgV332210TaTaTaacp1221ttqcttm定义dtcqpp21dtcq21根据2121tt12)(cdtttcqttm由可得12tt2121ttcdtcttm)0()0(110220102021tctccdtcdtcdtmm12110220122121··tttctcttcdtcmmm推得平均比热容也有定压比热容和定容比热容之分，附表2列出了几种理想气体的平均定压质量比热容，平均定容质量比热容可由迈耶公式求得。3.定值比热容（比热近似值）1、取T＝300K时的比热值做为定值比热容，用于常温下温度变化范围较小的情况（附表3）；2、根据分子运动论按原子数估算（P36表3.1），只能在低温范围内使用，温度愈高，误差愈大，而且多原子气体的误差大于单原子气体。当忽略温度的影响时，可将比热容视为定值。定值比热只用于一般的理论推导、定性分析、或对精度要求不高的场合。gRR2323gRR2525gRR2525gRR2727gRR2727gRR2929表3.1理想气体的近似定值摩尔（质量）比热比热容单原子气体双原子气体多原子气体CV(cV)Cp(cp)一、热力学能由热Ⅰ导得二、焓也可由热Ⅰ导得结论：理想气体的u、h均是温度的单值函数。3―3理想气体的热力学能、焓和熵dTcduVdTcuV21dTcdTRcdhpgV)(dTchp21如果取定值比热或平均比热，又可简化为TcuV同理，有Tchp三、熵变的计算由可逆过程TRpdTcdhdTcduTdpdhdsTpddudsgpV，dRTdTcdsgVpdpRTdTcdsgp再以dRpdpRpdRdTggg)(1代入上面两式得当cp、cV取定值时：以上各式使用条件：理想气体、任何过程。121212121212lnlnlnlnlnlnppccsppRTTcsRTTcsVpgpgVpdpcdcdsVp3－4理想气体混合物2种或2种以上理想气体的机械混合物，称为理想气体混合物（理想气体的定律均适用）。一、混合气体的分压力和分容积1、分压力与道尔顿定律分压力pi：在与混合气体具有相同的T、V下，某组分气体单独具有的压力。各组分理想气体状态方程为将各组分气体的状态方程两侧分别累加由于混合气体中各组分气体的T和V相同，所以于是得道尔顿定律:p=∑piRTnVpii)()(RTnVpiipVnRTnRTpVii结论：混合气体的总压力等于各组分气体分压力的总和2、分容积与亚美格定律分容积Vi：在与混合气体具有相同的p、T下，某组分气体单独占有的容积。亚美格定律：V=∑Vi思考题：对某一组分气体，分压力和分容积两个物理量中哪一个属于状态参数？可以证明VVppii换算关系：二、混合气体的成分表示法质量成分：mmii，1i容积成分：VVii，1i摩尔成分：nnxii，1ixigeqgieqiiiiiiiRRxMMxMxMx,,，eqgigiiRRx,,iix分压力的确定：由piV=niRTPVi=niRTpxppVVppiiiiii,三、混合气体的折合分子量和折合气体常数折合气体常数igRimiMimRmnRnmReqMReqgRii,折合分子量iiiieqMxnMnnmM1、混合气体的比热容四混合气体的比热容、热力学能、焓和熵质量比热：iicc容积比热：iiiicxcc摩尔比热：iiCxCiiuuiUU二、混合气体的热力学能、焓和熵iihhiHHiissiSS注意:计算si时应代入分压力pi例:某蒸汽轮机进口处蒸汽参数为p1=9MPa,t1=500℃,c1=140m/s,出口处蒸汽参数为p2=5kPa,t2=50℃,c2=50m/s,出口比进口降低12m,每kg蒸汽经汽轮机的散热损失为15kJ/kg.试求：1)单位质量蒸汽对外输出的轴功;2)不计进出口动能差时对输出功的影响;3)不计进出口位能差时对输出功的影响;4)不计散热损失时对输出功的影响;5)若蒸汽流量为50t/h,汽轮机的功率多大?解:选稳流系，由稳流系能量方程swzgChq221)()(21)(1521122122122ZZgcchhzgchqws由水蒸气表可查得：h1=3385kJ/kg，h2=2593kJ/kgkgkJgws/67.78510)12(10)14050(21)25933385(153322不计动、位能差及散热损失时所得轴功的相对偏差很小，其影响可以忽略。%088.1212sssEwcwwk2）%15.0sssEwZgwwp3）%91.1sssqwqww4）5）N=ws×G=785.67×(50/3.6)=10912kW作业:3-3、3-6、3-8实施热力过程的目的：1、实现预期的能量转换（如动力机械的膨胀作功过程）2、获得所需的热力状态（如压气机、喷管、换热器等）研究热力过程的任务：揭示各种热力过程中状态参数的变化规律和相应的能量转换关系，设计能效高的热工设备。若目的相同，过程不同，能量的利用率不同。3-5理想气体的热力过程热力过程分析的主要依据：热力学第一定律、理想气体的热力性质。一、理想气体过程方程一切实际过程都是不可逆的。但为了定量地分析、计算过程，通常我们先假设过程是可逆的，最后再由实验数据修正。4、过程在p-v图及T-s图上的表示。3、工质与外界的功量交换和热量交换；2、过程中内能、焓、熵增量的计算；研究内容：1、过程方程及任意两状态间参数的关系；pn＝const——可逆多变过程方程式n—多变指数，可为任意实数将上式两边取对数,再求微分实际上,热力过程是多种多样的,大部分可逆热力过程中气体基本状态参数间满足下列关系式:22112211lnlnlnln)ln()ln(vnpvnpvpvpnn（3.47）21122112lnlnlnlnlnvvppvvppn因此，已知过程中任意2个状态点的状态参数，就可求得该过程的多变指数。简单可压缩系如果2个独立的状态参数保持不变，那么系统的状态就保持不变。因此过程中最多只能允许一个独立的状态参数保持不变。这种有一个独立状态参数保持不变（变化相对很小，忽略不计）的过程称为基本热力过程。如：换热器—定压；汽油机燃烧—定容；叶轮机械、喷管等—绝热（定熵—可逆绝热）。pTsv当n取某些特殊值时,多变过程就变为四种基本过程:所以,四种基本热力过程是可逆多变过程的四种特例。基本热力过程共4个：pvTs二、基本状态参数关系式上式是基于一般式分析，具体情况可进行简化，或直接根据过程方程和状态方程写出。如：定容过程：v=const→T1/T2=p1/p2=const定压过程：p=const→T1/T2=v1/v2=const利用理想气体状态方程和多变过程的过程方程推得(参见P.47)定温过程：T=const→p1v1=p1v2=const定熵过程：s=const→将多变过程公式中的n换为κ。三、功量和热量的计算1.功量（2种途径）21pdvw途径1：由，可推得211122111211111）（vpvpnnvvvpvdvpvwnnnnn）（211TTnRg（3.51a对定温过程不适用）继续推导得（3.51b）上式推导过程中用到的数学关系式:nwTTnnRvdpwgt）（21211TRpvnvvdvpvvpvpgnnnnn.31.2.1211212211同理，可推得（参见P.48）：等熵过程：过程方程与多变过程相似，其功量计算表达式也与多变过程相似，同样是将多变过程公式中的n换为κ。对于基本过程，其功量计算式如下：等容过程：w=0wt=v（p1－p2）≠nw等压过程：w=p（v2-v1）wt=0等温过程：211121lnlnppTRvvTRwwggt且w=wt=q途径2：利用能量方程twhqwuq)(21TTcuwVwwt等熵过程：)(21TTchwpt等熵过程的技术功为容积功的κ倍（该结论对可逆过程和不可逆过程均成立）2.热量（3种途径）途径1：利用比热容（对定压和定容过程非常方便）途径2：利用熵的定义式Tqds，可推得：21Tdsq定温过程选用此公式很方便。定温过程：211221lnppTRvvTRsTTdsqgg途径3：利用能量方程)(1)(1212TTnRTTcwuqgV)(12TTcqnVncnknc1可推得：)(112TTnRcgV——多变比热容当n=0时，当n=∞时，当n=1时，cn=∞，表示定温过程中不论系统与外界交换多少热量，系统的温度始终不变。所以，等温过程不能用式（3.54）计算热量。（3.54）pVnckccVncc注意：定熵过程热量计算公式不再与多变过程类似。当n=κ时，cn=0(可直接判断q=0。)说明等熵过程工质不需吸热温度也能升高(如加压)。当然，也可由能量方程直接求q，即途径3实际上是利用能量方程求出cn，然后又归于途径1。wTcwuqVtptwTcwhq显然，由上面两式可推出，等温过程：q=w=wt