气体和蒸汽的性质.ppt

第三章 气体和蒸气的性质Properties of gas and vapor,2,3-1 理想气体,一、 理想气体与实际气体,工质通常采用气态物质：气体或蒸气。,气体：远离液态，不易液化。,蒸气：离液态较近，容易液化。,工程热力学按描述方法来分，分为两大类,1、理想气体（ ideal gas）,可用简单的式子描述。 如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等。,2、实际气体（ real gas）,不能用简单的式子描述，真实工质。火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制冷工质等,3,二、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设,（1）理想气体分子的体积忽略不计；,理想气体的基本假设：,（2）理想气体分子之间无作用力；,（3）理想气体分子之间以及分子与容器壁的碰撞都是弹性碰撞。,理想气体在自然界并不存在，但常温下，压力不超过5 MPa的O2、N2、H2、CO等实际气体及其混合物都可以近似为理想气体。另外，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。,4,三. 理想气体状态方程式,又称克拉贝龙方程式(Clapeyron equation)。Rg为气体常数，单位为J/(kgK)，其数值取决于气体的种类，与气体状态无关。,对质量为m 的理想气体:,1.理想气体状态方程(ideal-gas equation),Pa,K,m3/kg,J/(kgK),m3,kg,5,物质的量与摩尔质量的关系：,1kmol物质的质量数值与气体的相对分子质量的数值相同。,摩尔质量与气体的相对分子量之间的关系：,物质的量：n ，单位： mol（摩尔）。,摩尔质量： M ，1 mol物质的质量，kg/mol。,2. 摩尔质量和摩尔体积,6,摩尔体积： Vm ，1 mol物质的体积， m3/mol。,在标准状态（p01.01325105Pa，T0273.15K）下，1mol任意气体的体积同为0.0224141m3,7,R 称为摩尔气体常数。,根据阿佛伽德罗定律，同温、同压下任何气体的摩尔体积Vm都相等，所以任何气体的摩尔气体常数R都等于常数，并且与气体所处的具体状态无关。,3. 摩尔气体常数,8,气体常数Rg 与摩尔气体常数R的关系：,可得物质的量为 n 的理想气体的状态方程式,由式,9,不同物理量时理想气体状态方程：,1kg气体：,1mol气体：,质量为m的气体：,物质的量为n的气体,10,理想气体状态方程的应用,1、求平衡态下的参数；,2、两平衡状态间参数的计算；,3、标准状态与任意状态密度间的换算；,4、求气体体积膨胀系数。,运用理想气体状态方程时，应注意：, p必须采用绝对压力，不能用表压力； T必须采用热力学温度K，不能用摄氏温度； 理想气体状态方程描述平衡状态下的参数之间的关系； 注意各单位的协调统一。,32 理想气体的比热容,一、比热容(specific heat)定义和分类,定义：,c与过程有关 c是温度的函数,分类：,按物量,质量热容（比热容）c J/(kgK) (specific heat capacity per unit of mass) 体积热容 C J/（Nm3K） (volumetric specific heat capacity) 摩尔热容 Cm J/（molK） (mole specific heat capacity),注： Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”。,按过程,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） (constant volume specific heat capacity per unit of mass),及,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,2. cV,定容过程 dv=0,若为理想气体,温度的函数,代入式（A）得,比热容的一般表达式,3. cp,据一般表达式,若为理想气体,cp是温度函数,4. cp- cV,迈耶公式（Mayers formula）,5. 讨论,1) cp与cV均为温度函数,但cpcV恒为常数：Rg,2) (理想气体)cp恒大于cV,物理解释:,定容,0,定压,b与c温度相同，均为(T+1)K,而,c)气体常数Rg的物理意义,Rg是1 kg某种理想气体定压升高1 K对外作的功。,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 (adiabatic exponent; isentropic exponent),33 理想气体热力学能、焓和熵,1. 理想气体热力学能和焓仅是温度的函数,2),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,讨论： 如图：,0,0,若为任意工质,?,?,对于理想气体一切同温限之间的过程u及h相同,且均可用 cV T及cp T计算; 对于实际气体u及h不仅与T 有关,还与过程有关且只有定容过程u = cVT,定压过程h = cp T。,2. 热力学能和焓零点的规定 可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取 0 K。,二、利用气体热力性质表计算热量,三、理想气体的熵 (entropy),1.定义,2.理想气体的熵是状态参数,24,因为：,定比热,26,强调：,（1）理想气体比熵的变化完全取决于初态和终态，与过程所经历的路径无关。理想气体的比熵是一个状态参数。,（2）虽然以上各式是根据理想气体可逆过程的热力学第一定律表达式导出，但适用于计算理想气体在任何过程中的熵的变化。,(3)零点规定: 通常取基准状态下气体的熵为零,27,3-4 理想气体混合物,1. 理想气体混合物的定义,由相互不发生化学反应的理想气体组成混合气体，其中每一组元的性质如同它们单独存在一样，因此整个混合气体也具有理想气体的性质。 混合气体的性质取决于各组元的性质与份额。,2. 理想气体混合物的基本定律,（1）分压力与道尔顿定律,分压力：,某组元i单独占有混合气体体积V并处于混合气体温度T 时的压力称为该组元的分压力。用 pi 表示。,28,道尔顿定律：,混合气体的总压力等于各组元分压力之和（仅适用于理想气体）。,分体积：,（2）分体积与分体积相加定律,混合气体中第i种组元处于与混合气体压力和温度时所单独占据的体积称为该组元的分体积，用Vi 表示。,分体积相加定律,：理想混合气体的总体积等于各组元的分体积之和，即,29,3. 理想气体混合物的成分,成分指各组元在混合气体中所占的数量份额。,（1） 成分的分类,1）质量分数,：某组元的质量与混合气体总质量的比值称为该组元的质量分数。,2）摩尔分数,：某组元物质的量与混合气体总物质的量的比值。,30,3）体积分数,：某组元分体积与混合气体总体积的比值称为该组元的体积分数。,组元i :,（2）各成分间的关系,混合气体：,混合气体的成分表示法实际上只有两种：质量分数wi和摩尔分数xi ，二者之间的关系为,31,4理想气体混合物的平均摩尔质量和平均气体常数,（1）理想气体混合物的平均摩尔质量,32,5理想气体混合物的比热容,（2）理想气体混合物平均气体常数,摩尔热容:,比热容:,33,6. 理想气体混合物的热力学能、焓,(1) 热力学能,(2) 焓,(3)热力学能和焓的变化,34,7.理想气体混合物的熵,理想气体混合物中各组成气体处于互不干扰的情况，各组成气体的熵相当于温度T下单独处在体积V的熵值。,这时压力为分压力Pi，故：,混合物的熵等于各组成气体熵的总和,35,1 kg第i种气体在微元过程中的熵变为：,理想气体混合物(无化学反应)过程熵变,理想气体混合物总熵变为：,36,水蒸气,37,基本要求,掌握蒸气的各种术语及其含义：汽化、凝结、饱和状态、饱和蒸气、饱和液体、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等。 了解蒸气定压发生过程及其在p-v图和T-s图上的一点、二线、三区和五态。 了解水蒸气图表的结构，并掌握其应用。,38,水蒸气是实际气体!,水蒸气,在空气中含量极小，当作理想气体,一般情况下，为实际气体，使用图表,18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质,直到内燃机发明，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， 膨胀性能好，传热性能好,39,3-5 饱和温度和饱和压力,一、汽化与凝结 汽化 物质由液态转变为气态的过程,40,汽化方式 蒸发：汽化过程在液体表面发生 沸腾：汽化过程在液体表面及内部同时发生 凝结 物质由气态转变为液态的过程。凝结的速度取决于空间蒸气的压力。,41,二、饱和状态 饱和状态,42,饱和温度和饱和压力 处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱和温度ts，蒸气的压力称为饱和压力ps ts上升， ps上升； ps上升， ts上升。 结论： 一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。,43,三相点 定义：固、液、气三相共存的状态 分析：1) 当压力低于ptp时，液相不可能存在，而只 可能是气相或固相。 ptp称为三相点压力， 对应的饱和温度ttp称为三相点温度。 2) 三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱 和压力。 3) 各种物质在三相点的温度与压力分别为定值， 但比体积则随固、液、气 三相的混合比例不同而异。 水的三相点温度和压力值：,44,思考题,有,1.北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相？,2. 有没有-3的蒸气？,45,3-6 水的定压加热汽化过程,工业上所用的水蒸气都是在定压加热设备中产生的。一般经过三个阶段：,预热阶段 汽化阶段 过热阶段,46,水蒸气定压发生过程图,47,预热阶段,饱和水,未饱和水（过冷水）,状态及状态参数：,这个阶段所需的热量称为液体热 ql,48,汽化阶段,干饱和蒸气,饱和水,湿(饱和)蒸气,湿饱和蒸气：饱和水与饱和蒸气混合物,这个阶段所需的热量称为汽化潜热 g,49,干度x： 湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比。,50,过热阶段,过热蒸气,干饱和蒸气,这个阶段所需的热量称为过热热 qsup。 t-ts称为过热度,51,水的定压汽化过程,t ts,t = ts,t = ts,t = ts,t ts,v v,v = v,v = v“,v v v“,v v“,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,h h,h = h,h = h“,h h h“,h h“,s s,s = s,s = s“,s s s“,s s“,52,s,p-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程,一点，二线，三区，五态,53,分析：(p-v图)影响v的主要是P和T 1) 对液态而言，T对v的影响比P的影响大，因而当P增加时，对应的饱和温度增加，则饱和液体的比体积增大； 2) 对汽态而言，正好相反，因而，随着P的增加，饱和蒸汽的比体积减小； 3) 饱和液体线与饱和蒸汽线必相交于一点C(临界点),54,一点：临界点 二线：上界线和下界线 三区：液态区、湿蒸气区及过热区 五态：未饱和水、饱和水、湿蒸气、 干饱和蒸气及过热蒸气,55,临界点：当ttcr时，无论压力如何增加都不可能使蒸汽液化。水的临界参数：,56,3-7 水和水蒸汽的状态参数,一、零点规定 水及水蒸气的参数计算中不必求其绝对值，仅求其增量或减少量，故可规定一任意起点。 国际水蒸气会议规定，水的三相点即273.16K的液相水作为基准点，规定其热力学能及熵为0，即对于t0=ttp=0.01C、p0=ptp=611.659 Pa的饱和水有：,57,二、温度为0.01、压力为P的过冷水忽略水的压缩性，即比体积v不变，温度不变，则: uo=u0=0, w=0 q=0 so=so=0, h0= uo+p0 v0=0,58,三、温度为t、压力为P的未饱和水 饱和水状态：,59,四、压力为P的干饱和蒸汽 五、压力为P的湿饱和蒸汽,60,六、压力为P的过热蒸汽 过热度：t ts,61,3-8 水蒸气表和图,水与水蒸气的状态参数p、v、t、h、s均可从水蒸气图表中查到，图表中没有的参数，可根据参数间的一般关系计算得到，如u按u=h-pv计算。,62,一、水蒸气表,饱和水及干饱和蒸气表（表36） 未饱和水及过热蒸气表（表37）,查表,蒸气表,判断工质所处的状态 查相应的表或进行相应的计算,63,64,65,未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）,66,情况一：已知（p,t） 查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度ts(p)（或饱和压力ps(t) ）：,在湿蒸气区，p、t不是两个独立的变量，因此不能由p、t确定状态点。,67,情况二：已知p（或t）及某一比参数y（v或s或h） 查饱和表得已知压力（或温度）下的y、y“：,在湿蒸气区干度及其它