工程热力学基本概念及气体状态方程式.ppt

热工学基础 1 1.1 工质及其状态参数（5） 单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式 1.1.1 关于工质（5） 单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式（5） 1.1.2 工质的基本状态参数（6） 1.2 热力系统（23） 1.2.1 闭口系统（24） 1.2.2 开口系统（25） 1.2.3 绝热系统（26） 1.2.4 孤立系统（27） 1.3 理想气体状态方程式（28） 1.3.1 理想气体与实际气体（28） 1.3.2 理想气体状态方程式（30） 1.4 混合气体的基本概念（38） 1.4.1 混合气体的分压力和总压力（39） 2 1.4.2 混合气体的分容积和总容积（40） 1.4.3 混合气体各组成气体的成分表示（41） 1.4.4 混合气体的折合相对分子质量及气体常数（46） 单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式 3 【知识点】 工质及其状态参数，理想气体状态方程式，热力系统 ，混合气体。 【能力目标】 掌握：工质、状态、状态参数、混合气体等基本概念 。 理解：热力系统的划分及其特征。 熟悉：理想气体与实际气体的区别。 应用：能应用相关概念和公式进行分析和计算。 单元1 工程热力学基本概念及气体状态方程式 4 在绪论中我们列举的一些工程实例均涉及了利用某种 工作物质（如水、湿空气、烟气、蒸汽等）来实现热 能的输送或转移，最终达到热能利用的目的。这些可 以用来携带、输送、转移热能或通过热力循环将热能 转变为机械能（电能）的媒介物质或工作物质统称为 工质。 工程实际中用到的工质（一般情况下均为流体）有气 体状态，有液体状态，或者气 液共存。为了安全有 效地进行热能利用和传输，研究工质的热工性质，选 择合适的工质，是非常必要的。 1.1 工质及其状态参数 1.1.1 1.1.1 关于工质关于工质 5 工质是通过一系列的热力状态变化来完成热能转换和 热能传递的。所谓热力状态，就是指工质在某一瞬间 所呈现的宏观物理状况，而其状态及状态变化则是通 过一些物理参数来描述或表示的。这些用来描述工质 状态的物理量称为工质的状态参数。常用到的工质状 态参数有温度、压强（压力）、比体积、内能、焓、 熵等。其中温度、压强（压力）和比体积可以用仪器 直接或间接地测出来，称为工质的基本状态参数；而 其余的参数则是通过基本状态参数来推导、计算得到 的，故称为导出状态参数。 1.1.2 1.1.2 工质的基本状态参数工质的基本状态参数 1.1 工质及其状态参数 6 事实上，热力系统的宏观状态与其宏观状态参数是一 一对应的关系，即工质或热力系统的状态发生变化时 ，其状态参数也相应变化。对应于某个确定的热力状 态，工质的各个状态参数也都有各自确定的数值。反 过来，当我们测出某状态下工质的一组确切的状态参 数时，其热力状态也就确定了。这就是说，工质的状 态参数只是状态的函数（态函数），而不是过程函数 ，即与过程无关。工质由初状态1变化到终状态2时， 任何状态参数的变化量只等于初、终状态下该状态参 数的差值，而与过程或路径无关。若工质从某状态开 始经一系列状态变化过程后又回到原状态（即经历了 一个循环过程），则工质的各个状态参数的变化量为 零。 1.1 工质及其状态参数 7 1.1.2.1 温度 从宏观上讲，温度是用来描述物体冷热程度的参数， 同时也反映自发过程中热能传递的方向：温度高的物 体会自发地向温度低的物体传递热能。 从微观上讲，温度反映了物质内部分子平均平动动能 的大小，也即物质分子运动的强烈程度。对于理想气 体，宏观的温度与微观的热运动存在以下关系： 1.1 工质及其状态参数 8 （1） 温标 描述或量度物体温度高低的统一衡量标尺称为温标。 温标具体规定了温度的基准点和温度间隔的冷热程度 。 热力学温标 热力学温标是国际单位制温度基本标准，也是我国法 定计量温度标尺。按国际单位制（SI）规定：热力学 温度用符号T表示，单位为开尔文，符号为K。 热力学温标规定：纯水的三相点温度（即气相、液相 、固相三相平衡时的温度）为基准点，规定为273.16 K，而每1 K的间隔则为水的三相点温度值的1/273.16 。 1.1 工质及其状态参数 9 摄氏温标 摄氏温标是我国广泛使用的另一个实用型法定温度标 尺。温度符号为t,单位为摄氏度，符号为，摄氏温 标每1的冷热程度与热力学温标的每1 K完全相同， 它的定义式为 t=T-273.15 (1.2) 式中T热力学温度，K； 273.15一个标准大气压下纯水的冰点热力学 温度值。 当t=0时，对应的热力学温度为T=273.15 K(冰点) 。 当t=100时，对应的热力学温度为T=373.15 K(沸点 )。 1.1 工质及其状态参数 10 在工程中，采用下式换算已足够精确： T=273+t （1.2a） 另外，欧美国家习惯使用华氏温标，符号用tF表示， 单位为华氏度，符号用 F 表示，与摄氏温标的换算 关系如下： t= (tF-32) (1.3) 1.1 工质及其状态参数 11 （2）常用测温仪器 玻璃管温度计 如图1.1(a)所示，当被测物体温度不同时，玻璃管内 的液体（如水银或酒精）将会因受热而膨胀，液面（ 刻度）上升；受冷则体积收缩，液面（刻度）下降。 水银温度计温度测量范围为-30700，而酒精温度 计的测量范围为-10075。 图1.1常用测量仪器 （a）玻璃管温度计 （b）热电偶温度计 1.1 工质及其状态参数 12 热电偶温度计 将两根不同的金属线的一端焊在一起，另一端与毫伏 计（电压表）连接构成一个回路，如图1.1（b）所示 。当焊接端温度变化时，则在闭合回路中有电动势产 生，这种现象称为温差电效应。用于测温的原理：事 先用温差电效应较明显的金属线（如铜 康铜）在已 知温差的情况下标定温度差与电势差的关系后，就可 以用此装置进行温度量测，即按照被测物端与另一端 之间产生的电势差（用毫伏计测出）去查事先制好的 表格，就可由所测电势差算出被测物温度。铜 康铜 热电偶温度计测温范围为-50350，而铂-铑-铂热 电偶的测温范围为-201300。 1.1 工质及其状态参数 13 1.1.2.2 压强 （1）压强的含义： 从一般意义上讲，物体单位面积上所受到的垂直作用 力称为压强。 在热力学中，从宏观上讲压强是指容 器壁单位面积上受到气体垂直作用力的大小，定义式 为： 式中：F-受力面积上的总作用力，（N）； -受力面积 m2 p=p=p= 1.1 工质及其状态参数 14 1.1 工质及其状态参数 15 （2）压强的表示方法 上面公式（1.4）和（1.5）均反应的是气体的真实压 强，又称为绝对压强，它是以绝对真空状态为计算基 准算起的被测对象的真实压强。本书中如无特别指明 ，都应理解为绝对压强或绝对压力，唯此才能作为工 质的状态参数。 由于地球表面大气层（大气压力）的存在，使得工程 中常用的测压仪器只能测出容器中绝对压强（绝对压 力）与当地大气压的差值，这个值通常称为表压强（ 表压力）或相对压强，其计量基准点是以当地大气压 值B为零点算起的压强值，不代表工质的真实压强。 1.1 工质及其状态参数 16 当工质的绝对压强值小于当地大气压值B时，我们习 惯上称此状态为真空状态，此时，相对压强值为负值 。工程中为避免出现负压值，通常将此负压值取绝对 值，并称为真空度。这样，绝对压强p，相对压强px ，真空度H三者之间有如下关系： 正压状态时（工质绝对压强大于当地大气压）： p=B+px （1.6） 负压状态时（工质绝对压强小于当地大气压）： p=B-H （1.7） 1.1 工质及其状态参数 17 式中p工质绝对压强，即流体的真实压强； px正压状态时的表压强（相对压强），反映 流体真实压强超出当地大气压的值； H负压状态时的表压 强绝对值，即真空度，反映流 体真实压强不足于当地大气压 的值。 图1.2为常用弹簧式压力表测 压示意图 图1.2弹簧式压力表测压示意图 1弹簧管；2固定端；3接头；4拉杆； 5扇形齿轮；6中心齿轮；7指针；8游丝 1.1 工质及其状态参数 18 （3）压强的单位 工程中测压仪器不尽相同，为方便起见，压强的单位 表示有三种： 按压强定义式，即单位面积上所受作用力来表示 ：如帕（Pa），即牛/米2(N/m2)。 用流体柱高来表示：如米水柱（mH2O） 、毫米 水柱（mmH2O） 、毫米汞柱（mmHg）等。 用大气压的倍数来表示：如标准大气压(atm)。 各种压强单位表示的换算关系如下： 1 atm=760 mmHg=101 325 Pa=10.332 3 mH2O 1 mmHg=133.322 4 Pa=1.315 7910-3 atm=13.595 1 mmH2O 另外，工程中习惯将压强称为压力。 1.1 工质及其状态参数 19 1.1.2.3 比体积和密度 单位质量的工质所具有的容积称为比体积，用符号v 表示，单位是m3/kg，如容积为V(m)3的容器内有质量 为m(kg)的工质，则其比体积为 v= （1.8） 单位容积的工质所具有的质量称为密度，用符号表 示，单位为kg/m3,可表示为 = （1.9） 而且有 v=1 (1.10) 1.1 工质及其状态参数 20 这里需要强调的有两点： 首先，容积V不单包括工质微粒的体积，而且包括这 些微粒的活动空间（即整个容器）。 其次，比体积v和密度不是两个而是一个独立的状态 参数，而且从微观的角度反映了单位容积中工质分子 数的多少和分子之间平均距离的大小。 图1.3 例题1.1示意图 1.1 工质及其状态参数 21 【例1.1】图1.3所示为某压力容器，压力表读数为 0.35 MPa，当地大气压B为0.1 MPa。 问：容器中 液面绝对压强和相对压强为多少? 【例1.2】溴化锂吸收式直燃机作为空调冷、热源设 备，夏天可供12冷冻水，其循环冷冻水侧压力表读 数为0.4 MPa，吸收器内真空表读数为720 mmHg， 若当地大气压为B=750 mmHg，试求该直燃机循环水 侧和吸收器内的绝对压力。 【例1.3】某氧气瓶中的氧气质量为20 kg，容积为0.4 m3，试求氧气的比体积和密度。 1.1 工质及其状态参数 22 在热力学中，为了便于分析问题，我们把研究对象用 人为确定的分界面从其周围环境中划分出来，边界内 部为热力系统（简称系统），边界外部统称为环境或 外界。系统的边界可以是实际存在的（如图1.4所示 ），也可以是假想的（如图1.5(a)所示）；可以是固 定不变的，也可以是运动的或可变形的。 图1.4热力系统 1.2 热力系统 23 没有物质穿过边界的系统称为闭口系统。此时系统与 外界无质量交换，系统的质量保持恒定，如图1.4所 示，界面是实际存在的，系统与外界可有热量和功量 的交换。 1.2.1 1.2.1 闭口系统闭口系统 1.2 热力系统 24 有工质穿过边界的系统称为开口系统。如图1.5所示 ，系统与外界既可以有热量、功量等能量交换，还有 质量交换，而且有部分界面是假想的。 图1.5闭口与开口系统 (a)闭口系统；(b)开口系统 1.2.2 1.2.2 开口系统开口系统 1.2 热力系统 25 如果系统的边界是由完全隔热的材料构成的实有边界 ，热量不能够穿越边界，系统与外界之间没有热量传 递，这种系统称为绝热系统。完全绝热的热力系统是 不可能存在的，但当热力过程进行得极快，极短暂， 或边界保温性能很好，传递的热量小到可以忽略不计 时（如喷管流动、活塞快速压缩等工程实例），就可 以将研究对象简化为绝热系统进行分析。 1.2.3 1.2.3 绝热系统绝热系统 1.2 热力系统 26 热力系统与外界既无功量交换，又无热量交换，也无 工质穿越边界，即系统与外界不存在任何的相互作用 ，这样的系统称为孤立系统。上述的热力学系统模型 是为了便于研究复杂的宏观事物，能够抓住主要矛盾 进而解决实际问题而人为设定的（有如力学中的“刚 体”）。类似的假设今后还会遇到很多，如理想气体 、平衡状态、可逆过程等。大家应从方法论的角度来 理解这些假设的实质意义。 1.2.4 1.2.4 孤立系统孤立系统 1.2 热力系统 27 所谓理想气体是经过科学的抽象人为设定的气体模型 ，即假设气体分子是弹性的、不占有体积的质点；分 子之间没有引力和斥力。在这两个假设条件下，气体 分子运动规律大大简化，公式（1.1）和(1.5)就是在 这样的假设条件下推导出来的。实际上自然界符合这 样条件的气体是不存在的，那么经过假设和简化后得 到的这些理想气体公式是否符合实际，误差有多大呢 ？对工程中遇到的各种工质气体，能否作为理想气体 处理，要依其所处状态及工程精度要求来定。 1.3.1 1.3.1 理想气体与实际气体理想气体与实际气体 1.3 理想气体状态方程式 28 事实证明，当气体状态处于很高的压力或很低的 温度，或密度很大并接近于液态时，不可视为理想气体 。例如锅炉中的水蒸气，制冷剂蒸气及其他气 液共存 状态下的蒸气工质，都不能视为理想气体。而对于远离 液体状态的气体而言，如自然状态下的空气（包括其中 所含水蒸气）、烟气等按理想气体对待时，所产生的偏 差完全符合工程要求。 1.3 理想气体状态方程式 29 1.3.2.1 热力平衡状态 所谓热力平衡状态，指的是热力系统内部的温度、压 力等各个状态参数均有确定的数值而不随时间变化， 即热力系统各点的温度和压力都均匀一致，并且工质 温度等于外界温度（热平衡），工质作用在边界上的 力和外界对系统的作用力相平衡（力平衡）。 完全的热力平衡状态在工程实际中是不存在的，这只 是一种理想化的假设，但由于大多实际热力状态与平 衡状态的偏差均在允许误差范围，故可以按平衡状态 处理。 1.3.2 1.3.2 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 1.3 理想气体状态方程式 30 1.3.2.2热力过程 热力系统中工质的一系列状态变化称为热力过程，能 量的传递或转换都是借助热力过程来实现的。而系统 状态的改变都是系统与外界之间存在温差或压差时才 能发生，也就是说，实际的热力过程均是由一系列的 不平衡状态变化所形成的，整个过程中难以有确定的 状态参数，热力过程的分析计算难以进行。因此，类 似于平衡状态的概念，再引入准平衡过程与可逆过程 的概念。 1.3 理想气体状态方程式 31 （1）准平衡过程 热力系统中工质所经历的热力过程如果非常缓慢地进 行，使得每一个热力状态都无限地接近平衡状态，则 这样的热力过程称为准平衡过程。要指出的是，首先 ，过程的快、慢是相对的，如活塞对气体的压缩过程 ，活塞运动速度似乎很快（约每秒几米），但与气体 分子受压缩后趋于平衡的速度（可视为气体分子运动 速度，约每秒几百米）比相对要缓慢得多。其次，只 有平衡状态才可以在状态参数的坐标图上（如p-v图 ，T-s图）确切地用一个状态点来表示。也只有是准 平衡过程，才能在参数坐标图上用一条曲线来表示。 当热力过程不是准平衡过程时，只能约略用虚线表示 。因此，工程热力学中涉及的热力过程一般均指准平 衡过程。 1.3 理想气体状态方程式 32 （2）可逆过程 如果热力系统完成了某一热力过程后，再沿原来路线 逆向进行，返回到其最初状态，同时外界也回复到原 来状态而不产生任何变化，则这一热力过程称为可逆 过程。如果不能满足上述条件则是不可逆过程。 可逆过程必须是准平衡过程，而且系统和外界环境经 历了正向和逆向过程后必须都恢复原来状态。由此可 见，一切实际存在的热力过程都是不可逆过程。因为 要想实现可逆过程，势必要满足以下条件： 作机械运动时，热力系统和外界保持力平衡 ，即没有因摩擦而使机械能转化为热能的现象（使功 转变为热的效应，称为耗散效应） 传热过程中热力系统和外界保持热平衡，即 无温差。 1.3 理想气体状态方程式 33 1.3.2.3理想气体状态方程式 对于1 kg理想气体而言，公式（1.5）中的分子浓度 可表示为： n=N/ V 式中N容积为V(m3)的容器中理想气体分子总数 。 经推导，可得到下式： pv=RT (1.11) 式中p气体绝对压强，Pa； v气体比体积，m3/kg； T热力学温度，K； R气体常数，J/（kgK），只与气体性质（种类 ）有关，而与气体状态无关。 1.3 理想气体状态方程式 34 式(1.11)为1 kg理想气体状态方程式,反映理想气体在 某一平衡状态下三个基本状态参数之间的关系。 对于m kg的气体，则有： pV=mRT （1.12） 常用气体常数见表1.1。表中相对分子质量通常用符 号表示，单位是：克/摩(g/mol)。 表1.1 几种常见气体的气体常数 1.3 理想气体状态方程式 35 1.3 理想气体状态方程式 36 【例1.4】氮气瓶体积为0.3 m3，压力表读数为1.2 MPa，环境温度为27，当地大气压B=0.1 MPa，求 ：（1）氮气的质量；（2）氮气的比体积和密度。 【例1.5】将例1.4中氮气换算为标准状态下的体积。 【例1.6】某钢瓶内原有压力为p1=0.1 MPa，钢瓶体 积V=3 m3，现将CO2气体压入，终了表压力为 p2=0.4 MPa，相应温度由t1=20增至t2=80，试 求被压入钢瓶的CO2气体质量。当地大气压为0.1 MPa。 【例1.7】已知空气进入加热器前风量V1=5 000 m3 ，温度t1=-10，经加热后温度升至20，问此时风 量为多少？ 1.3 理想气体状态方程式 37 工程中遇到的气体通常不是单一气体，而是由若干种 性质不同的气体所组成的混合物。如锅炉中燃料燃烧 产生的烟气，是由CO2、H2O、N2、CO、SO2等各种 气体组成。又如环境空气则是由干空气和水蒸气（ H2O）所组成，而干空气则包含O2、N2等各种气体。 下面讨论由各种理想气体组成的混合气体，而且混合 气体中各组成气体之间不发生化学反应。 1.4 混合气体的基本概念 38 所谓混合气体的分压力， 指的是假定混合气体的各 组成气体单独存在，并保 持原来混合状态时的温度 和容积的情况下，该组成 气体所具有的压力。如图 1.6中（a）、（b）、（c） 所示（图中假设混合气体 含“”和“+”两种组成气体）。 按道尔顿定律，混合气体的总压力p等于各组成气体 分压力pi之和。即： p=p1+p2+p3+pn= （1.14 ） 图1.6 混合气体的分压力和总压力 1.4.1 1.4.1 混合气体的分压力和总压力混合气体的分压力和总压力 1.4 混合气体的基本概念 39 类似于分压力的概念，所谓分容积，是假设将混合气 体中的各组成气体分离开来，分别盛在几个容器中， 而且使容器内保持与混合状态时相同的压力和温度， 这时各组成气体所具有的容积称为分容积。如图1.6 （a）、（d）、（e）所示。 根据理想气体状态方程式和道尔顿定律，可得到混合 气体总容积和各组成气体分容积之间的关系： V=V1+V2+V3+Vn=ni=1Vi (1.15) 即：混合气体的总容积V等于各组成气体分容积Vi之 和。 1.4.2 1.4.2 混合气体的分容积和总容积混合气体的分容积和总容积 1.4 混合气体的基本概念 40 工程中常需要确定和计算混合气体的组成成份，以便 掌握混合气体性质。混合气体中各组成气体相对于混 合气体所占的份