第三章20流体的热力学性质1.ppt

第三章流体的热力学性质,热力学在工程上应用最广泛的是根据体系状态变化而产生的热力学性质变化来确定与途径有关的功量和热量。例：等压过程的热效应：绝热过程的功：,第三章流体的热力学性质,此外，根据熵增原理，用St判断过程进行的方向和限度；用体系的自由焓变化G，判断相平衡和化学平衡；以及计算过程的理想功Wid，损耗功WL，有效能等，也是根据体系始终状态函数的变化来计算的。因此，为了用热力学解决工程上的问题，就必须有各种物质在不同状态时的热力学性质数据。,第三章流体的热力学性质,本章目的：由易测的热力学性质（T、P、V、CP、CV）经过适当的数学方法（微积分）求得不可测定的热力学性质（H、U、S、G、），为以后的热力学分析计算打下基础。,第三章流体的热力学性质,3.1热力学性质之间的关系3.2热力学性质的计算3.3两相系统的热力学性质及热力学图表,第三章流体的热力学性质,3.1热力学性质之间的关系3.2热力学性质的计算3.3两相系统的热力学性质及热力学图表,3.1热力学性质之间的关系,3.1.1热力学函数的分类3.1.2热力学函数的基本关系式3.1.3Maxwell关系,3.1热力学性质之间的关系,3.1.1热力学函数的分类热力学函数一般分为两类1）按函数与物质质量间的关系分类广度性质：表现出系统量的特性，与物质的量有关，具有加和性。如：V，U，H，G，A，S等。强度性质：表现出系统的特性，与物质的量无关，没有加和性。如：P，T等。,3.1热力学性质之间的关系,3.1.1热力学函数的分类2）按其来源分类可直接测量的：P，V，T等；不能直接测量的：U，H，S，A，G等；可直接测量，也可推算的：Cp，Cv，K，z，等。,3.1热力学性质之间的关系,3.1.1热力学函数的分类3.1.2热力学函数的基本关系式3.1.3Maxwell关系,3.1热力学性质之间的关系,3.1.2热力学函数的基本关系式四大微分方程,3.1热力学性质之间的关系,3.1.2热力学函数的基本关系式基本定义式,3.1热力学性质之间的关系,3.1.2热力学函数的基本关系式四大微分方程式就是将热力学第一定律和热力学第二定律与这些函数的定义式相结合推导出来的，如：（3-1）式,3.1热力学性质之间的关系,3.1.2热力学函数的基本关系式（3-2）式：由知,3.1热力学性质之间的关系,3.1.1热力学函数的分类3.1.2热力学函数的基本关系式3.1.3Maxwell关系,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系3.1.3.2Maxwell关系式,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系基本关系式点函数可以用显函数表示微分，得,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系令则,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系在X不变时，M对Y的偏微分：在Y不变时，N对X求偏微分：,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系对于连续函数有所以有点函数最基本的数学关系式,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.2Maxwell关系式Maxwell第一关系式四大微分方程,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系变量关系式点函数的隐函数形式,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系若X不变，则dx=0，则,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系3.1.3.1点函数间的数学关系同理可得故有,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系Maxwell第二关系式由四大微分方程直接得到当时当时,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系Maxwell第二关系式由四大微分方程直接得到若则有比较得,3.1热力学性质之间的关系,3.1.3Maxwell关系Maxwell关系式和四大微分式很重要，在以后的课程中常常用到，希望大家能够掌握。在工程上，当我们希望将不可测函数联系在一起时，Maxwell关系式就起着重大的作用。,第三章流体的热力学性质,3.1热力学性质之间的关系3.2热力学性质的计算3.3两项系统的热力学性质及热力学图表,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式3.2.2理想气体热力学性质的计算3.2.3真实气体热力学性质计算2.2.4设计过程与应用举例,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式工程上主要用到H、S，把dH、dS与P、T、V、CP、CV等易测的性质关联起来。对于单相、纯（定）组分体系，自由度F=2，热力学函数可以表示为两个强度性质的函数，通常选T、PF=组分数-相数+2,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式焓的基本关系式,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式若温度一定，用除上式，得：,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式又因为：（Maxwell方程）则,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式上式是焓的基本定义式，在特定条件下，可以将此式简化：温度一定：,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式压力一定：,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式理想气体：所以说明,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式液体：所以,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式熵的基本关系式因为,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式熵的基本关系式,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式在特定条件下，可以对熵的关系式进行相应的简化：温度不变：,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式压力不变：,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式对理想气体：,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式对液体：因为所以,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式有了焓和熵的基本计算式，就可以解决热力学其它函数的计算问题了，如：教材上还有其它的推导式，这里就不再一一推导了。下去后大家自己推一推，要求掌握焓、熵的基本计算式。,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式3.2.2理想气体热力学性质的计算3.2.3真实气体热力学性质计算2.2.4设计过程与应用举例,3.2热力学性质的计算,3.2.2理想气体热力学性质的计算焓、熵计算通式,3.2热力学性质的计算,3.2.2理想气体热力学性质的计算对于理想气体,3.2热力学性质的计算,3.2.2理想气体热力学性质的计算注意：理想气体的焓与压力无关，只与温度有关；但熵与压力有关。如果从基准态积分到要求的状态，则,3.2热力学性质的计算,3.2.2理想气体热力学性质的计算基准态的选择是任意的，常常出于方便，但通常多选物质的某些特征状态做基准态，例如：水（水蒸气）以三相点为基准态，即：令三相点（0.01）的饱和水H=0，S=0对于气体，大多选取1atm（100kPa）；25（298K）为基准态。,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式3.2.2理想气体热力学性质的计算3.2.3真实气体热力学性质计算2.2.4设计过程与应用举例,3.2热力学性质的计算,3.2.3真实气体热力学性质计算原则上可用计算通式,3.2热力学性质的计算,3.2.3真实气体热力学性质计算但是理想气体真实气体可测，没有高压条件下的数据，直接计算有困难,3.2热力学性质的计算,3.2.3真实气体热力学性质计算引入“剩余性质”的概念和方法，对理想气体计算值进行校正，用于真实气体计算目的：解决真实气体热力学性质（H、S）计算,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义2）计算剩余性质的一般表达式3）剩余性质的计算方法4）真实气体热力学性质计算,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义定义：在相同的温度和压力下，真实气体的热力学性质与理想气体的热力学性质的差值。(其中M代表U、H、S、G等）,或,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义定义：在相同的温度和压力下，真实气体的热力学性质与理想气体的热力学性质的差值。(其中M代表U、H、S、G等）,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义注意：()的引入是为了计算真实气体的热力学性质服务的；M*和M分别为体系处于理想状态和真实状态、且具有相同压力和温度时，每或每摩尔的广度性的数值；,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义由此可知：对真实气体的热力学性质：,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义2）计算剩余性质的一般表达式3）剩余性质的计算方法4）真实气体热力学性质计算,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义2）计算剩余性质的一般表达式3）剩余性质的计算方法4）真实气体热力学性质计算,3.2.3真实气体热力学性质计算,2）计算剩余性质的一般表达式剩余焓计算：由剩余性质的定义知恒温下微分：,3.2.3真实气体热力学性质计算,2）计算剩余性质的一般表达式积分：,3.2.3真实气体热力学性质计算,2）计算剩余性质的一般表达式当时,真实气体理想气体,3.2.3真实气体热力学性质计算,2）计算剩余性质的一般表达式由前推倒知所以,（恒温）,3.2.3真实气体热力学性质计算,2）计算剩余性质的一般表达式同理,（恒温）,3.2.3真实气体热力学性质计算,2）计算剩余性质的一般表达式在恒温条件下剩余焓剩余熵,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义2）计算剩余性质的一般表达式3）剩余性质的计算方法4）真实气体热力学性质计算,3.2.3真实气体热力学性质计算,3）剩余性质的计算方法由气体PVT实验数据计算图解积分法状态方程法普遍化关系式法,3.2.3真实气体热力学性质计算,1）剩余性质定义2）计算剩余性质的一般表达式3）剩余性质的计算方法4）真实气体热力学性质计算,3.2.3真实气体热力学性质计算,4）真实气体热力学性质计算根据剩余性质的定义，得,3.2热力学性质的计算,3.2.1计算焓变H和熵变S的关系式3.2.2理想气体热力学性质的计算3.2.3真实气体热力学性质计算2.2.4设计过程与应用举例,3.2热力学性质的计算,2.2.4设计过程与应用举例思路：由于H、S是状态函数，只要始终态确定，则数值一定，与进行的过程（途径）无关，因此可设计一个可计算的过程进行分步计算。要求：熟练掌握设计计算途径计算H、S、H、S的方法、步骤（画方框流程图）常见的有三种情况,3.2热力学性质的计算,2.2.4设计过程与应用举例（1）始态（基准态）是理想气体，终态是真实气体，求H、S,始态（基准态）理想气体T0、P0,理想气体T、P（假想）,终态（真实气体）T、P、H、S待求,3.2热力学性质的计算,2.2.4设计过程与应用举例,剩余焓,剩余熵,3.2热力学性质的计算,2.2.4设计过程与应用举例（2）始态（基准态）饱和液体，终态是真实气体的H、S、H、S计算,始态（基准态）饱和液体,饱和气体（真）T0、P0,假理想气体T0、P0,终态（真实气体）T、P,蒸发,剩余性质,剩余性质,理想气体焓熵计算,假理想气体T、P,3.2热力学性质的计算,2.2.4设计过程与应用举例,3.2热力学性质的计算,2.2.4设计过程与应用举例（3）计算真实气体任意两状态间的H、S,始态（真）T1、P1,终态（真）T2、P2,始态（理）T1、P1,终态（理）T2、P2,H,S,剩余性质,剩余性质,理想气体,第三章流体的热力学性质,3.1热力学性质之间的关系3.2热力学性质的计算3.3两相系统的热力学性质及热力学图表,第三章流体的热力学性质,3.3两相系统的热力学性质及热力学图表对化工过程进行热力学分析，对工程进行工艺与设备计算时，需要物质在各种状态下的焓、熵、比容等热力学参数的数据，虽然可以用前面介绍的方法进行计算，但工程技术人员在解决各种问题时，却希望能够迅速、简便的获得所研究物质的各种热力学性质参数。,第三章流体的热力学性质,3.3两相系统的热力学性质及热力学图表为此，人们将某些常用物质（如水蒸气、空气、氟里昂等）的焓、熵、比容和温度、压力的关系制成专用的图或表，常用的有水和水蒸气的热力学性质表（附录四），温熵图、压焓图、焓熵图，这些热力学性质图表使用极为方便。,第三章流体的热力学性质,3.3两相系统的热力学性质及热力学图表在同一张图上，知道了温度、压力就可以查出各种热力学性质参数。,第三章流体的热力学性质,3.3两相系统的热力学性质及热力学图表3.3.1热力学性质表3.3.2热力学性质图,3.3两相系统的热力学性质及热力学图表,3.3.1热力学性质表热力学性质表很简单，它是把热力学性质以一一对应的表格形式表示出来，其特征表现在：对确定点数据准确，对非确定点需要内插计算，一般用直线内插。如附录后的水蒸气表,3.3两相系统的热力学性质及热力学图表,3.3.2热力学性质图热力学性质图在工程中经常遇到，如空气、氨、氟里昂等物质的热力学性质都制作成图，以便工程计算需要。热力学性质图的特点表现在：使用方便，易看出变化趋势，易于分析问题，但读数不如表格准确