工质的热力性质和热力过程.ppt

热工基础,巫英伟,西安交通大学 Tel:Email: ,第三章 工质的热力性质和 热力过程,概 述,纯物质具有三种不同的集态形式：固态、液态和气态。 相：热力系中物理性质和化学组成完全均匀的部分。 固、液、气三态物质均可作为热能和机械能相互转换所凭借的物质。,物质的三种集态及多相共存的热力学性质均要进行研究。,热能和机械能的相互转换通过物质的体积变化实现,气体能快速、有效实现体积变化,工质热力性质 理想气体 实际气体 蒸气,一 理想气体,1、宏观定义,若基本状态参数 p、v、T 满足方程,这样的气体称为理想气体。,2、微观定义,假定：(1) 气体分子是些弹性的、不占体积的质点； (2) 气体分子间没有相互作用力。,理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力趋近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。,第一节 理想气体的热力性质,克拉贝龙状态方程,二 理想气体状态方程,单位：pPa； vm3/kg; TK; RgJ/(kg.K),Rg为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常数请看p250附录A-2,若物质的质量m以kg为单位，物质的量n以mol为单位，用M表示物质的摩尔质量，则,1mol气体的体积以Vm表示，,两边同乘以M得,对于各种气体的气体常数的,所以MRg与物质的种类无关。（也与状态无关）令R MRg ， R 称为摩尔气体常数。取标准状态参数得,由于1摩尔的任何气体在压力 p ,温度 T 的状态下的摩尔体积相等。,式中 Vnmol气体所占有的 容积，m3； n气体的摩尔数，mol ，,理想气体状态方程,式中 p 绝对压力 Pa,比容 m3/kg,T 热力学温度 K,适用于1千克理想气体。,式中 V质量为mkg气体所占 的容积,适用于m千克理想气体。,式中 VM=Mv气体的摩尔容 积， m3/mol； R0=MR通用气体常数， J/molK,适用于1摩尔理想气体。,适用于n摩尔理想气体。,三原子分子（H2O, CO2，石油气)一般不能当作理想气体。,特殊，如空调的湿空气，高温烟气的CO2,大气或燃气中少量的分压力很低的水蒸气也可作为理想气体处理,哪些气体可当作理想气体？,对于双原子和单原子气体，压力直到5MPa，温度在常温以上，可视为理想气体。,工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。,理想气体与实际气体没有明显界限，在某种状态下，应视作为何种气体，要根据工程计算所容许的误差范围而定。,三 理想气体的比热容,1、比热容的定义,物体升高1K所需的热量称为热容，以C表示，,1kg物质升高1K所需的热量称为比热容，单位J(kg.K),以c表示，,1mol物质的比热容称为摩尔热容，单位J(mol.K)，符号为Cm,比热 c 应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常用的有比定容比热容和比定压比热容。,定容比热容与定压比热容与过程的关系,气体的比热容与热力过程有关，在热力计算中定容比热容与定压比热容最为重要。,容积不变 加入的热量全用于增加气体的热力学能，使气体温度升高,压力不变 加入的热量部分增加气体热力学能，部分用于推动活塞升高而对外作膨胀功,2、理想气体的定压比热容和定容比热容,应用第一定律，并假定过程可逆则有：,热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作用力，所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度有关，所以理想气体的热力学能是温度的单值函数, 即u= u(T), 而h=u+pvu+RgT, 所以理想气体的焓也是温度的单位函数，即h=h(T).,3、理想气体定压比热容与定容比热容的关系,即：,上式乘摩尔质量M，则有：,式（314）和（315）称为迈耶公式。,(1)、迈耶公式,*(2)、比热容比,4、理想气体比热容的计算,(1)、真实比热容,附录A-3(p250)中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方经验关系式。,(2)、平均比热容表,对于一个定压过程，如果要计算过程的吸热量，则,称为平均定压比热容。,(3)、平均比热容直线关系,上式称为比热容的线性关系。附录A-5p252给出了一些常用气体的平均比热容直线关系式。,4、定值比热容,由分子运动论也可导出1mol理想气体的热力学能,由些得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。,i 是分子运动的自由度，单原子 i 3，双原子 i5，多原子取i7,理想气体定值摩热容和比热容比R8.3143J(mol.K),四 理想气体的热力学能、焓和熵,由上式可得,1、热力学能与焓,当比热容取定值时,若取0 K作为零点则,2、状态参数熵,熵的定义式为,下标rev表示可逆，可逆时有,当比热容取定值时(不讲变比热容熵差计算),五 理想气体混合物,1、理想气体的分压力定律 及分容积律,p1、p2、p3称为分压力，并有,上式称为道尔顿分压力定律。,由质量守恒得：,状态方程,(1)、分压力定律,(2)、理想气体的分容积定律,V1、V2、V3称为分容积，并有,上式称为亚美格分容积定律。,质量守恒,状态方程,2、混合物的成分,(1)质量成分,(2)摩尔成分,(3)容积成分,由式（b)、(d)及(f)可得：,3、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数,由式（f）可知，理想气体混合物也满足状态方式pV=nRT。,对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式,Meq称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得：,折合气体常数Rg,eq式（a ）或式（c）求得,折合气体常数Rg,eq可写成,4、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵,1kg混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即,定压比热容和定容比热容可写成：,根据比热容的定义式得,(1)、比热容,混合气体吸收的总热量,(2)、热力学能和焓,(3)、混合气体的熵,第二节 理想气体的热力过程,一 研究热力过程的目的及一般方法,1、目的,2、一般方法,(1)、对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为简化问题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可逆过程。,揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，进而找出影响转化的主要因素。,(2)、用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。,(3)、考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。,本章分析理想气体热力过程的具体方法：,1)、根据过程特点确定过程方程式，得到 p=f (v)。 2)、用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。 3)、在p-v、T-s图上画出过程曲线。 4)、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。 5)、计算过程中膨胀功、技术功和过程热量。,本节研究理想气体的可逆过程。,二、四个基本热力过程分析,1、定容过程,(1)、过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,2、定压过程,(1)、过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,3、定温过程,(1)、过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,4、定熵过程,定熵过程绝热过程+可逆过程,对于理想气体可逆绝热过程（定熵过程），由第一定律得：,令， 称为过程指数。定熵过程的过程指数等于比热比。,对于一般气体的可逆绝热过程（定熵过程）有,(1)、定熵过程方程,(2)、初、终态参数间的关系,(3)、在p-v、T-s图,(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,(5)、膨胀功、技术功和热量,对于可逆过程，还可得：,技术功,对于可逆过程，可得：,三 多变过程分析,1、多变过程方程,2、初、终态参数间的关系,3、初、终态热学能、比焓、比熵的变化,4、膨胀功、技术功和热量,技术功,过程热量,cn 称为多过程的比热容,5、在p-v、T-s图,多变过程方程式为 pvn=常数，这里n为变量，n取不同的可得到不同的过程。,当n0时，p常数，则为定压过程 当n1时，pv常数，则为定温过程 当n时，pv 常数，则为定熵过程 当n时，v 常数，则为定容过程,因此，把多变过程表示在p-v图上时，要选画出四个基本热力过程，然后再根据 n 值的大小画出相应的多变过程。,四个基本热力过程,多变过程,在p-v、T-s图上用 T 的正负判断u 、h的正负， 用s正负判断 q 的正负；用v的正负判断 w 的正负。,热力过程计算公式表,在空气中含量极小，水蒸气分压力低，当作理想气体。,但一般情况下，为实际气体，物性采用热力性质图表。,18世纪，蒸汽机（1784）的发明，水蒸气热机的唯一工质；,直到1862年，奥托（德国）发明四冲程内燃机，才有 燃气工质；,目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质；,优点: 便宜，易得，无毒，不污染环境，膨胀性能 好，传热性能好。,第三节 水 蒸 气,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应，压力越高，饱和温度也越高。,公式表现为：,针对气液间的状态变化，总结有以下一些术语：,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡。 饱和蒸汽：处于饱和状态下的蒸汽 饱和水：处于饱和状态下的液体。,湿饱和蒸汽：饱和蒸汽和饱和水的混合物。,干饱和蒸汽：不含饱和水的饱和蒸汽。,t ts,t = ts,t = ts,t = ts,t ts,水蒸气的定压发生过程,定压预热阶段,饱和水定压汽化阶段,干饱和蒸汽定 压过热阶段,v v,v = v,v = v“,v v v“,v v“,h h,h = h,h = h“,h h h“,h h“,s s,s = s,s = s“,s s s“,s s“,一、水蒸气的定压发生过程（0.01开始加热）,水蒸气的定压发生过程,过冷度：,汽化潜热：,过热度：,一、水蒸气的定压发生过程,二、水蒸气的p-v图与T-s图,a0 未饱和水,a饱和水,a干饱和蒸汽,a 过热蒸汽,水的压缩性极小，故压力提高，只要温度不变(0.01)，其比体积就基本保持不变。,二、水蒸气的p-v图与T-s图,a0 未饱和水,a饱和水,a干饱和蒸汽,a 过热蒸汽,水受热膨胀的影响大于压缩的影响，压力增大时，其比体积变化甚小，而随饱和温度的升高，水的比体积明显增大。,二、水蒸气的p-v图与T-s图,a0 未饱和水,a饱和水,a干饱和蒸汽,a 过热蒸汽,蒸汽比体积受热膨胀的影响小于受压缩的影响，因而压力较高时的干蒸汽比体积小于压力较低的比体积。,二、水蒸气的p-v图与T-s图,一点：临界点C,两线：饱和液体线AC(下界线)、饱和蒸汽线BC(上界线),三区：未饱和液体区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区,未饱和液体区,过热蒸汽区,湿饱和蒸汽区,pcr = 22.064 MPa Tcr = 647.14K,二、水蒸气的p-v图与T-s图,湿饱和蒸汽区,湿蒸汽的成分用干度x表示：,x = 0 饱和水,x = 1 干饱和蒸汽,1 x 为湿度,五种状态：,湿饱和蒸汽状态 干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态,未饱和水状态 饱和水状态,三 水和水蒸气的表和图,1、水和水蒸气表,(1)、饱和水与饱和蒸汽热力性质表表 在饱和线上，只有一个独立变量，可以饱和温度或饱和压力为自变量来设计表格。这样就有两种形式的饱和水与饱和蒸汽热力性质表。,饱和液体的参数用 表示；饱和气体的参数用 “ 表示。,（1）饱和水与饱和蒸汽表（以温度排列）,（2）饱和水与饱和蒸汽表（以压力排列）,在湿饱和蒸气区, 定义干度 x,mg饱和蒸气的质量, mv饱和水的质量,湿饱和蒸气的状态参数为:,(2)、未饱和水与过热蒸汽热力性质表,在未饱和区和过热区，有两个独立变量，可以温度和压力为自变量来设计表格。,2、水蒸气的图,(1) p-v图(定性分析),(2) T-s图(定性分析),3、水蒸气的焓熵图,根据热力学微分关系式，定容线比定压线陡。 在实际的水蒸气h-s图上,定容线用红色与定压线区分。,3、水蒸气的焓熵图,湿蒸汽区域：,定压线与定温线重合,在过热蒸汽区:定温线较平坦，定压线较陡。 随着温度升高，压力降低，水蒸气接近理想气体，定温线趋于水平 。,？,3、水蒸气的焓熵图,定干度线：,x = 常数的线,会合于临界点,工程上用到的焓熵图，一般只绘出干度大于0.6 的部分。因为小干度区，线条太密，工程上又不经常使用。,任 务：确定初终态参数；计算过程中的功和热。,热力过程：定容、定压、定温和绝热四种,第一定律与第二定律表达式均成立,理想气体特有的性质和表达式不能用,可逆,注意与理想气体过程的区别：,水蒸气的基本热力过程,使用水蒸气表和焓熵图确定水蒸气的状态参数； 水蒸气的比热容、内能、焓等不是温度的单值函数。热力过程的能量转换规律发生了变化。,与理想气体基本热力过程区别之处：,已知初态的两个独立参数，在水蒸气表格上查出其它参数 根据过程特点和终态参数，确定终态，查出其它终态参数 根据初终状态参数计算内能，热量和功量的大小,分析步骤：,求解任务：,与解理想气体的过程一样，要求： 初态和终态的参数； 过程中的热量和功。,定温过程,绝热过程,定压过程,定容过程,定温过程,绝热过程,定压过程,定容过程,锅炉中水的加热过程和水蒸气的冷凝过程,定温过程,绝热过程,定压过程,定容过程,实际设备中不常见,定温过程,绝热过程,定压过程,定容过程,实际设备中很少见,定温过程,绝热过程,定压过程,定容过程,汽轮机、膨胀机和压缩机,可逆绝热过程,第四节 湿空气,冷却塔的工作原理,湿空气性质,湿空气 干空气 水蒸气,水蒸气的含量及相态都可能发生变化,空气的温度湿度调节，木材、纺织品等的干燥，冷却塔中水的冷却过程，湿空气起着非常大的作用。,湿空气中的蒸汽可以凝聚成液态或固态； 环境中的水可以蒸发到空气中去。,对湿空气研究时，可作如下假设： 1.气相混合物作为理想气体混合物； 2.干空气不影响水蒸气与其凝聚相的相平衡； 3.当水蒸气凝结成液相或固相时，液相或固相中不含有溶解的空气。,湿空气中水蒸气的分压力pv通常低于其温度(即湿空气温度)所对应的饱和压力ps，处于过热蒸汽状态。,道尔顿分压定律,一、饱和空气与未饱和空气,未饱和空气 = 干空气 + 过热水蒸气,增加水蒸气量,饱和空气 = 干空气 + 饱和水蒸气,增加水蒸气量,水滴出现而析出，湿空气保持饱和状态,如果湿空气温度不变，增加湿空气中水蒸气含量使其分压力增加，当水蒸气分压力达到其温度所对应的饱和压力时，水蒸气达到饱和蒸汽状态,一、饱和空气与未饱和空气,露点td：对应水蒸气分压力pv的饱和温度,冷却,水蒸气变为凝结水而析出,比如，在潮湿的夏季，自来水管上凝结的水珠,如果保持水蒸气分压力pv不变，若降低湿空气的温度可使水蒸气从过热状态达到饱和状态，此时所对应的湿空气状态为露点,二、绝对湿度与相对湿度,湿空气的绝对湿度：每立方米湿空气中所含有的水蒸 气质