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气体的基本状态参数 气体状态参数的特性 介绍气体基本状态参数及其特性 气体基本状态参数 状态参数的特性 2/4 一、比容、密度和重度 单位质量的物质所占有的体积，叫做比容， 以符号表示，若质量为m的物质占有的体 积为V，则其比容为 单位体积内含有物质的质量，叫做密度，以 符号表示。若质量为m(kg)的物质占有的 体积为V(m )，则其密度为 14 气体的基本状态参数 根据比容及密度的定义式，可知比容和密 度互为倒数。即 由于密度的大小说明物质分子的密集和松 散程度，因此比容的大小也是说明气体分 子的疏密程度。 单位体积内含有物质的重量，叫做重度， 以符号表示。质量为m(kg)的物质其重量 为mg，若其占有的体积为V，则其重度为 = 比容、密度和重度都是说明物质在某一状 态的分子疏密程度，所以它们实质上是一 个说明、物质物理性质的参数。三者的关 系为 例 容积为60L的氧气瓶内，盛氧气0.8KG， 求氧气的比容和重度。 解：因为 故 那么 v = = =0.075 m3 那么 = = =130.8N/ m 例 空气在某一状态下的重度为 ，求它的比容和密度。已知重力加速度 。 解： 二、压力或压强 1、压力的定义 垂直作用在单位面积上的力，叫做压力或 压强，以符号P表示。气体的压力乃是气体 分于作无规则运动时频繁地撞击容器内壁 的平均总结果。 2、气体压力 气体的分子运动论指出气体作用于容器壁 上的压力为 P= n 式中 P 力； n分子浓度，即单位容积的分子数； 分子的平均移动动能； m 分子的质量； 分子的均方根移动速度，由下式求得 = = 其中 ， 表示各个分子的移动速度 上式说明气体的压力在数值上等于单位容 积内气体分子平均移动动能的三分之二。 若气体作用于器壁面积A上的垂直作用力为 F，则该壁面上的压力为 P= 3、几个压力单位的换算 压力的单位是帕斯卡，简称帕，以符号Pa 表示，采用帕(Pa)作为压力的单位，在工程 实用上显得太小，而数值太大，所以实际 上采用千帕(KPa)或兆帕(MPa)作为压力的 实用单位，它们与帕(Pa)的关系为 此外，暂时与国际单位制压力单位并用的 压力单位还有：巴(bar) 1bar=10 Pa=01MPa 4、液柱高度 压力的大小有时用汞柱或水柱的高度表示。 如图(113)所示，设液注的截面积为A， 高度为Z，液体的密度为，则作用于底面积 A上的总作用力F应为该液柱的重量，即 则 由于液体的密度为定值，所以液柱的高度 与压力成正比，因此用液柱的高度就可以代 表压力的大小。 5、物理大气压或标准大气压 它是在纬度为45，大气温度为0的海平 面上的大气常年平均压力，通过气压计测 定1个物理大气压为760毫米汞柱高，即 1 atm = 760mmHg 若把物理大气压换算成SI制中常用的 单位，即得 1atm=760133.32=101325Nm =1.01325bar 6、工程大气压或大气压 工程制中力的单位为千克，面积的单位为 平方米，于是压力的单位是千克每平方米( )。在工程实用上这个单位亦显得太小，所 以取千克每平方厘米（ ）作为实际 应用的单位，显而易见 1 =10 1at =0.98bar=735.6mmHg=0.968atm 7、液柱高度表示的压力 在热力学中描写气体的状态时，压力应是 气体的真实压力或绝对压力；它的数值不 能用测量仪表直接测得，而是根据力学平 衡的概念利用气压计与压力表或U形管两 者综合求得。如果气体的绝对压力 P 高 于大气压力，如图114a所示，则 P = B + P 式中 B气压计测出的当地大气压力； L用液柱测出或用弹簧管式的压力表测 出：它是容器内的气体压力高于当地大气 压力的数值，所以叫做表压力或超出压力 ，在图114a中， 如果气体的绝对压力P由低于大气压力， 如图114b所示，则 式中 B气压计测出的当地大气压力； 用液柱测或仪表测出的气体压 力； 是容器内的压力低于当地大气压力的数 值，其值越大，则气体的绝对压力越小， 亦即越接近真空，所以 叫为真空度，测 定真空度的仪表叫做真空表。在图11 4b中 上述的 ，B， ， ，的关系可用图1 15表示。 在某一确定的状态下，气体的绝对压力保持 不变，但是由于外界环境的变化，例如气候 的突变，气压计的读数将发生变化，因此 亦将发生变化；所以 不是单值地与此确 定状态对应，因而它不是一个状态参数，这 可由图116看出。 例 用U形管测出某实验设备的出口压力 是05mHg,而实验室内的气压计读数为 750mmHg，求该实验设备的出口绝对压 力是多少? 解： 利用式(1113)得实验设备的出 口绝对压力是 =750+0.51000=1250mmHg =1250133.3=1.66710 Pa=1.67bar 例114，氧气瓶上安装的压力表指示的 压力为47.5bar，这时气压计上的读数为 755mmHg,求瓶内氧气韵绝对压力是多少? 解： 气压计上的读数755mmHg换算为 =1.007bar1bar 代人式(1113)得氧气瓶内的绝对压力 为 P =1.007+47.5=48.50748.5bar 三、温度 热力学第零定律 温度表示物质冷热的程度。两个温度不同 的物体相接触，高温物体的温度降低，低 温物体的温度升高，两者之间有热的传递 ，经过一段时间后，两者的温度相等，它 们之间没有热量的传递，达到一个共同的 热平衡状态。温度概念的建立以及温度的 测定都是以热平衡为依据的。由经验可知 ，若某物体（例如温度计）分别与其它两 个物体处于热平衡时（或温度相等时）， 则这两个物体彼此也处于热平衡，即它们 的温度也必定相等这就是热力学第零 定律。 分子运动论把温度和气体分子的平均移动动 能联系起来，它们之间具有如下的简单正比 关系 =CT （1115） 式中 T热力学温度； C比例数，对任何气体都是同一 数值； 分子的平均移动动能。 从式（1115）可见，温度的高低表示 气体分子的平均移动动能的大小，两个温 度不等的物体相接触，通过接触面上分子 的互相碰撞。温度较高的物体，即分子平 均移动动能较大的物体将部分能量传给温 度较低的，即分子平均移动动能较小的物 体，直到两物体的平均移动动能相等时为 止，亦即两个物体的温度相等，到达了热 平衡的状态。 温度的高低使物体的体积、饱和蒸气压、 气态物质在定容下的压力或在定压下的容 积、电阻、接触电动势等发生变化。因此 ，利用物质的某一个随冷热程度有显著变 化的物理量作为建立温度计的标志。例如 ，水银温度计就是利用水银柱体体积与温 度的关系，电阻温度计就是利用金属丝的 电阻与温度的关系来决定温度的高低。 温度的数值表示法叫做温标。过去老的摄氏 温标规定在一个物理大气压纯水结冰的温度 为0，沸腾的温度为100，其间的温度数 值是按温度与物质物里量的线性函数确定的 。由于温度计中所选的测温物质不同，作为 温度标志的物理量不同，切定的温标除在冰 点与沸点相同外，其它温度往往有较小的差 别。为了避免这些差异提高温度测量的精确 度，1960年第十一次国际计量大会上通过的 热力学温标又名绝对温标或开尔文温标，它 完全不依赖于任何测温物质的性质。 这种热力学温标用符号T表示；其单位为开 尔文或简称为开，用符号K表示。热力学温 标是取水的三相点的温度作为单一固定点 ，并规定水的三相点温度为273.16K，而热 力学温度单位开尔文为水的三相点温度的 1/273.16。所谓水三相点温度的是指水的固 、液、气三态共存，并处于平衡状态时的 温度。水的三相点温度比水的冰点温度高 0.01K，所以水的冰点温度在热力学温标中 为273.15K。 在摄氏温标中，水的冰点温度为0C，而摄 氏温标用符号t表示，采取热力学温标相同 的间隔，因此，热力学温标和摄氏温标具 有如下关系： t = T273.15 或 T = 273.15+ t 273+t 这是1960年第十一次国际计量大会对摄氏 温标所给予新的定义，它是从热力学温标 换算出来的，并且应该给以全名为热力学 摄氏温标。 选取水的三相点作为参考点比选水的冰点 作为参考点的好处有二：一是实验装置中 三相点的温度比较容易稳定，可长期维持 在万分之一度内不变；二是三相点不牵涉 到外界条件，如大气压等。 15 气体状态参数的特性 一、状态参数的单值性 前述的三个基本状态参数描述了在某一瞬 时体系所处的状态，也就是说，体系处于 平衡状态时，才可以用这些状态参数来表 示，而且某一参数只能有一个数值，不可 能有两个或两个以上的数值，所以状态参 数的本身就说明了状态的单值性，这不仅 对比容、压力和温度三个基本状态参数适 用，而且对以后要介绍的内能、焓和熵等 状态参数也适用。 状态参数的单值性，就是体系的热力学状 态一经确定，则状态参数的数值即随之确 定，而与热力学体系如何过渡到这一状态 的变化过程无关。确定状态参数的函数叫 做点函数，它具有以下的数学特征。 在任意变化过程中，热力学体系从状态1过 渡到状态2时，状态参数的变化量，永远等 于其起始状态下的和终了状态下的此状态参 数的差值，而与过渡的方式无关，即 式中 Z任意状态参数。 当热力学体系自起始状态经历一个变化过 程，最后又回到起始状态，即完成一个封 闭的变化过程，此时，状态参数的变化量 为0，即 由上所述，可见状态函数的微分应为全 微分。 状态参数的本身虽然具有单值性，但是， 各个状态参数之间，并不都是互不相关的 参数。经验和理论证明，在没有化学反应 的工质处于平衡状态时，基本状态参数了 维持一定的函数关系，即 这个关系式叫做气体的状态方程式或特性方 程式，它的具体形式取决于气体的性质。此 状态方程式在 直角坐标系上表示为一 个曲面，叫做热力学面。给定三个参数中任 何一个参数的数值时，则可得到其它两个参 数的关系，它表示在热力学面上是一根曲线 ，若再给第二个参数的数值，则将确定第三 个参数的数值；它表示在热力学面上是一个 点这表明了体系处于某一平衡状态。 由于两个参数决定了气体的状态，所以热 力学中广泛采用平面坐标图