气体和蒸汽的性质.pptx

1 3-1 理想气体理想气体分子为不占体积的弹性质点分子为不占体积的弹性质点除碰撞外分子间无作用力除碰撞外分子间无作用力理想气体是实际气体在理想气体是实际气体在低压高温低压高温时的抽象。时的抽象。一、理想气体一、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设的基本假设Pam3kg气体常数气体常数,单位为单位为J/(kgK)KR=MRg=8.314 5 J/(molK)二、理想气体的状态方程二、理想气体的状态方程二、理想气体的状态方程二、理想气体的状态方程(ideal-gas equation)(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的比体积v，并与实测值比较。空气气体常数，并与实测值比较。空气气体常数Rg=287.06 J/(kgK)计算依据计算依据相对误差相对误差=3（1）温度较高，随压力增大，误差增大温度较高，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，虽压力较高，当温度较高时误差还不大，但温度较低，则误差极大则误差极大;（3）压力低时，即使温度较低误差也较小。）压力低时，即使温度较低误差也较小。本例说明：本例说明：低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。低温高压时，应用理想气体假设有较大误差。例例A411133讨论理想气体状态方程式讨论理想气体状态方程式432 理想气体的比热容理想气体的比热容一、比热容一、比热容(specific heat)定义和分类定义和分类定义：定义：c与过程有关与过程有关c是温度的函数是温度的函数分类：分类：按物量按物量质量热容（比热容）质量热容（比热容）c J/(kgK)(specific heat capacity per unit of mass)体积热容体积热容 C J/（Nm3K）(volumetric specific heat capacity)摩尔热容摩尔热容 Cm J/（molK）(mole specific heat capacity)注：注：Nm3为非法定表示法，标准表示法为为非法定表示法，标准表示法为“标准标准m3”。5按过程按过程质量定压热容（比定压热容）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）质量定容热容（比定容热容）(constant volume specific heat capacity per unit of mass)及及二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式1.比热容一般表达式比热容一般表达式62.cV定容过程定容过程 dv=0若为理想气体若为理想气体温度的函数温度的函数代入式（代入式（A）得）得比热容的一般表达式比热容的一般表达式73.cp据一般表达式据一般表达式若为理想气体若为理想气体cp是温度函数是温度函数84.cp-cV迈耶公式（迈耶公式（Mayers formula）5.讨论讨论1)cp与与cV均为温度函数均为温度函数,但但cpcV恒为常数：恒为常数：Rg92)(理想气体理想气体)cp恒大于恒大于cV物理解释物理解释:10定容定容0定压定压b与与c温度相同，均为温度相同，均为(T+1)K而而11c)气体常数气体常数Rg的物理意义的物理意义Rg是是1 kg某种理想气体定压升高某种理想气体定压升高1 K对外作的功。对外作的功。三、理想气体的比热容比三、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注：理想气体可逆绝热过程的绝热指数(adiabatic exponent;isentropic exponent)例例A90235512三、利用比热容计算热量三、利用比热容计算热量原理原理:对对cn作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法作不同的技术处理可得精度不同的热量计算方法:真实比热容积分真实比热容积分 利用平均比热表利用平均比热表 利用平均比热直线利用平均比热直线 定值比热容定值比热容131.利用真实比热容利用真实比热容(true specific heat capacity)积分积分2.利用平均比热容表利用平均比热容表(mean specific heat capacity)T1,T2均为变量均为变量,制表太繁复制表太繁复=面积面积amoda-面积面积bnodb附表附表414而而由此可制作出平均比热容表由此可制作出平均比热容表附表附表515附附:线性插值线性插值163.平均比热直线式平均比热直线式 令令cn=a+bt,则则即为即为区间的平均比热直线式区间的平均比热直线式 1)t 的系数已除过的系数已除过2 2)t 需用需用t1+t2代入代入注意注意:附表附表6174.定值比热容定值比热容(invariable specific heat capacity)据气体分子运动理论，可导出据气体分子运动理论，可导出 多原子误差更大多原子误差更大18单原子气体单原子气体 i=3双原子气体双原子气体 i=5多原子气体多原子气体 i=61933 理想气体热力学能、焓和熵理想气体热力学能、焓和熵1.理想气体热力学能和焓仅是理想气体热力学能和焓仅是温度温度的函数的函数2)一、理想气体的热力学能和焓一、理想气体的热力学能和焓1)因理想气体分子间无作用力因理想气体分子间无作用力20三、三、理想气体的熵理想气体的熵(entropy)1.定义定义2.理想气体的熵是状态参数理想气体的熵是状态参数21定比热定比热223.零点规定零点规定:通常取通常取标准状态标准状态下气体的熵为零下气体的熵为零4.理想气体变比热熵差计算理想气体变比热熵差计算令令则则制成表则制成表则附表附表7例例A9101331例例A4111551例例A41115522334 饱和状态、饱和状态、饱和温度和饱和压力饱和温度和饱和压力一、一、汽化和液化汽化和液化(vaporization and liquefaction)汽化：汽化：由液态到气态的过程由液态到气态的过程蒸发蒸发：在液体表面进行的汽化过程在液体表面进行的汽化过程液化液化：由气相到液相的过程由气相到液相的过程沸腾沸腾：在液体表面及内部进行在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。的强烈汽化过程。24二、二、饱和状态饱和状态(Saturated state)当汽化速度当汽化速度=液化速度时，系统液化速度时，系统处于处于动态平衡动态平衡，宏观上气、液两相，宏观上气、液两相保持一定的相对数量保持一定的相对数量饱和状态饱和状态。饱和状态的温度饱和状态的温度饱和温度饱和温度，ts(Ts)(Saturated temperature)饱和状态的压力饱和状态的压力饱和压力饱和压力，ps（Saturated pressure）加热，使温度升高如加热，使温度升高如 t，保持定，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之值，系统建立新的动态平衡。与之对应，对应，p变成变成ps。所以所以一一对应一一对应，只有一个独立变量，即，只有一个独立变量，即如如25 t/02050100120150p/MPa0.0 006 1120.0 023 3850.0 123 4460.1 013 3250.198 4830.47 57126 三、三、几个名词几个名词 饱和液饱和液(saturated liquid)处于饱和状态的液体处于饱和状态的液体：t=ts 干饱和蒸汽干饱和蒸汽(dry-saturated vapor;dry vapor)处于饱和状态的蒸汽处于饱和状态的蒸汽：t=ts 未饱和液未饱和液(unsaturated liquid)温度低于所处压力下饱和温度的液体温度低于所处压力下饱和温度的液体：t ts,t ts=d 称过称过 热度热度(degree of superheat)。湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽(wet-saturated vapor;wet vapor)饱和液和干饱和蒸汽的混合物饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：使未饱和液达饱和状态的途径：27干度（干度（dryness）（湿度湿度 y=1x）x01饱和液饱和液湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽干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，用定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w 或或 x 表示。表示。28四、饱和状态压力和温度的关系四、饱和状态压力和温度的关系1.吉布斯相律吉布斯相律对于多元（如对于多元（如k个组元）多相（如个组元）多相（如f个相）个相）元化学反应的热力系，其独立参数，即元化学反应的热力系，其独立参数，即自由度自由度 n=k f+2 例：水在液相（或固相、气相）例：水在液相（或固相、气相）k=1，F=1，故，故n=1-1+2，此时压力，温度均可，此时压力，温度均可独立变化。水在汽液共存时独立变化。水在汽液共存时k=1，f=2，故故n=1，此时压力和温度中仅有一个可，此时压力和温度中仅有一个可自由变化。三相点：自由变化。三相点：k=1，f=3 故故n=0 水的三相点水的三相点(triple pint)：?292.克克拉贝隆拉贝隆方程方程 分别为汽化潜热分别为汽化潜热(heat of vaporization)、熔解、熔解热热(heat of fusion)和升华热和升华热(heat of sublimation)。分析：分析：1）因）因、为为“+”；T为为“+”；故相平衡线；故相平衡线 斜率正负由体积差决定；斜率正负由体积差决定；2）三相点处不光滑。）三相点处不光滑。3035 水定压加热汽化过程水定压加热汽化过程t tsv vv=vv=vv v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽h hh=hh=hh h hs ss=ss=ss s s水预热水预热汽化汽化过热过热31二、水定压加热汽化过程的二、水定压加热汽化过程的p-v图及图及T-s图图一点一点临界点临界点Critical point两线两线上界限线上界限线下界限线下界限线三区三区液液汽液共存汽液共存汽汽五态五态未饱和水未饱和水饱和水饱和水湿蒸汽湿蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽32各种工质均具有类似水的性质各种工质均具有类似水的性质3337 水蒸气表和图水蒸气表和图状态公理：状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量简单可压缩系统，两个独立变量未饱和水及过热蒸汽，一般已知未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可即可饱和水和干饱和蒸汽，只需确定饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或或T湿饱和蒸汽，湿饱和蒸汽，p和和T不独立，汽液两相不独立，汽液两相34水和水蒸气状态参数水和水蒸气状态参数确定的原则确定的原则1、未饱和水及过热蒸汽、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：确定任意两个独立参数，如：p、T2、饱和水和干饱和蒸汽、饱和水和干饱和蒸汽确定确定p或或T3、湿饱和蒸汽、湿饱和蒸汽除除p或或T外，其它参数与两相比例有关外，其它参数与两相比例有关35两相比例由两相比例由干度干度x确定确定定义定义干饱和蒸汽干饱和蒸汽饱和水饱和水对干度对干度x的说明：的说明：x=0 饱和水饱和水x=1 干饱和蒸汽干饱和蒸汽0 x 1在过冷水和过热蒸汽区域，在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义无意义36湿饱和蒸汽区状态参数湿饱和蒸汽区状态参数的确定的确定 如果有如果有1kg湿蒸气，干度为湿蒸气，干度为x,即有即有xkg饱和蒸汽，饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。饱和水。已知已知p或或T(h,v,s,h,v,s)+干度干度xh,v,s37水和水蒸气表水和水蒸气表两类两类2、未饱和水和过热蒸汽表、未饱和水和过热蒸汽表1、饱和水和干饱和蒸汽表、饱和水和干饱和蒸汽表38饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压强排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压强排列）39饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）未饱和水和过热蒸汽表（节录）40表的出处和零点的规定表的出处和零点的规定原则上可任取零点，国际上统一规定。原则上可任取零点，国际上统一规定。但但 原则上不为原则上不为0，对水：对水：表依据表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）（国际公式化委员会）1967和和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力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。性质公式，但工程上还主要依靠图表。焓、内能、熵零点的规定：焓、内能、熵零点的规定：水的三相点水的三相点41查表举例（查表举例（1）查表时先要确定在五态中的哪一态。查表时先要确定在五态中的哪一态。例例.1 已知已知：p=1MPa,试确定试确定t=100,200 各处于哪个状态？各处于哪个状态？ts(p)=179.88t=100 ts,过热蒸汽过热蒸汽42查表举例（查表举例（2）已知已知 t=250,5kg 蒸气占有蒸气占有0.2m3容积容积,试问蒸试问蒸气所处状态气所处状态?h=?t=250,湿蒸汽状态湿蒸汽状态43查表举例（查表举例（2）已知已知 t=250,5kg 蒸气占有蒸气占有0.2m3容积容积,试问蒸试问蒸气所处状态气所处状态?h=?t=250,湿蒸汽状态湿蒸汽状态