实际气体节流过程ppt课件

1、实践气体节流过程 第七节 实践气体、节流过程 一、物质的形状方程一、物质的形状方程(state equation) 任何纯物质的形状均可用形状方程任何纯物质的形状均可用形状方程来表示，所谓形状方程是联络体系来表示，所谓形状方程是联络体系p-V-T三者之间关系的方程式。三者之间关系的方程式。 最常见的形状方程是理想气体形状方最常见的形状方程是理想气体形状方程：程： pV=nRT 实践气体因分子之间的作用势能不能实践气体因分子之间的作用势能不能忽视，故不遵守理想气体形状方程。忽视，故不遵守理想气体形状方程。对于实践气体人们从大量的实验数据对于实践气体人们从大量的实验数据总结出几百种形状方程。总结出

2、几百种形状方程。 最著名、最常用的非理想气体的形状方程式是范最著名、最常用的非理想气体的形状方程式是范氏方程，即氏方程，即van der Waals equation： (p+a/Vm2)(Vm-b)=RT 式中的式中的a,b均为取决于物质本身性质的常数均为取决于物质本身性质的常数. a/Vm2：表示分子间的作用力所产生的压力：表示分子间的作用力所产生的压力, 称为称为 内压力内压力; b： 是对体系体积的修正是对体系体积的修正,实际上，统计热力学实际上，统计热力学 可以证明可以证明, b的数值等于分子体积的的数值等于分子体积的4倍倍. 常用的形状方程还有常用的形状方程还有: 维里方程维里方程

3、: (与热容的维里方程式类似与热容的维里方程式类似) pVm=A+B/Vm+C/Vm2+ 贝赛罗方程贝赛罗方程: p=RT/(Vm-b) a/(TVm2) 贝蒂方程贝蒂方程: V=(+)(1) A/RT 式中式中: =RT/p =B0(1b/a) =c/aT3 A=A0(1a/ ) 二二. . 节流过程节流过程 1843年Joule曾进展过气体自在膨胀的实验, 并由此得出理想气体的U与体积V无关的结论. 但当时的实验是不准确的. 1852年, Joule-Thomson设计了新的安装重新测定气体的体积发生变化时, 其温度随之变化的情况. 焦耳与汤姆逊设计了一种节流安装. 这个过程可视为绝热过程

4、. 可设体系在左边是体积为V1, 经节流膨胀后, 压力降为p2, 体积变为V2. 左边左边: 环境对体系做功环境对体系做功W1=p1V1 右边右边: 体系对环境做功体系对环境做功W2=p2V2 由于可视为绝热过程由于可视为绝热过程 Q=0 由热力学第一定律由热力学第一定律: U=WW1+W2=p1V1p2V2 U2U1= p1V1p2V2 整理可得：整理可得： U2p2V2U1p1V1 H2H1 上式阐明：气体绝热节流过程是等焓过程。上式阐明：气体绝热节流过程是等焓过程。gasp1V1T1T2gasp1V1T1T2p2V2gasp1V1T1T2p2V2gasp1V1T1T2p2V2 气体经气体

5、经JT等焓节流后，温度会发生变化：等焓节流后，温度会发生变化： 令：令： =(T/p)H :J-T系数系数 0dp0 气体节流气体节流后温度升高后温度升高; 0dp0dT0 气体节流气体节流后温度降低后温度降低; =0 气体节流后温气体节流后温度不变度不变. 大多数气体的大多数气体的在常温下大于零在常温下大于零, 故节流后温故节流后温度降低度降低. 利用利用J-T效应效应, 可以使液化可以使液化. 氢气曾被以为是不可液化的气体氢气曾被以为是不可液化的气体, 由于在常温下由于在常温下, 氢氢气经节流膨胀后气经节流膨胀后, 温度不但不降低温度不但不降低, 反而升高反而升高. 这是由这是由于氢气的于

6、氢气的J-T系数在常温下小于零的缘故系数在常温下小于零的缘故.当将氢气温当将氢气温度降至度降至195K以下时以下时, 氢气的氢气的 才变为正值才变为正值, 在此温度之在此温度之下下,对氢气进展节流膨胀对氢气进展节流膨胀, 氢气才会液化氢气才会液化. 气体的气体的J-T系数是温度的函数系数是温度的函数. 在某一特定温度值下在某一特定温度值下,气体的气体的J-T系数等于零系数等于零: =0,此时所对应的温度称为此时所对应的温度称为: 转化温度转化温度(inversion temperature) 气体在转化温度下进展节流膨胀气体在转化温度下进展节流膨胀, 气温不会发生变化气温不会发生变化. 对J-

7、T系数的分析: J-T节流膨胀是一等焓过程, dH=0, 故: dH=(H/T)pdT+ (H/p)Tdp=0 (H/T)pdT= (H/p)Tdp(dH=0) 整理: =(T/p)H= (H/p)T/ (H/T)p =1/Cp(U+pV)/pT(H/T)p=Cp = 1/Cp(U/p)T+(pV)/pT A. 理想气体理想气体: ( U/ p)T=0 ( (pV)/ pT=0 = 1/Cp( U/ p)T+( (pV)/ pT =0 理想气体理想气体: =0, 节流膨胀后温度不变节流膨胀后温度不变. B. 实践气体实践气体: =1/Cp(U/p)T 1/Cp(pV)/p)T 第一项第一项:

8、实践气体分子间存在范德华引力实践气体分子间存在范德华引力 p 降低降低, V添加添加, 分子间距增大分子间距增大, 需吸收能量以需吸收能量以抑制分子间的引力抑制分子间的引力, 体系的势能升高体系的势能升高,故有故有: (U/p)T0 dp0 实践气体实践气体的第一项总是正值的第一项总是正值.EppVmH2CH4RT273K下的下的pVm-p关系图关系图蓝线蓝线:理想气体理想气体, pV值为常值为常 数数.绿线绿线:CH4, 在在E点之前斜率为负点之前斜率为负, (pV)/p)TCH4 0, 第二项第二项0, 故故(273K,CH4)0,节流降温节流降温.红线是红线是H2的曲线的曲线, 曲线斜率

9、不断曲线斜率不断为正值为正值, 即即:(pV)/p)TH2 0H2: 的第一项的第一项0, 第二项第二项0, 且且第二项的绝对值大于第一项的绝第二项的绝对值大于第一项的绝对值对值, 故有故有:(273K,H2)0, 节流降温节流降温;在点在点3的右边的右边, 0；虚线外的区；虚线外的区间间, 0 0 不同气体的转化曲线不同气体的转化曲线三、三、实践气体的实践气体的U U和和H H 实践气体的实践气体的U和和H不仅仅是温度的函数不仅仅是温度的函数, 也与压力和体积相关也与压力和体积相关. 以范德华气体为例：以范德华气体为例： (p+a/Vm2)(Vm-b)=RT p=RT/(Vm-b) a/Vm2 dU = (U/T)VdT+ (U/V)TdV = CVdT+ (U/V)TdV 由热力学第二定律，可得下式：由热力学第二定律，可得下式： (U/V)T=T (p/T)Vp=T(RT/(Vm-b) a/Vm2/T)Vp=TR/(Vm-b) RT/(Vm-b) a/Vm2 =a/Vm2 dU= CVdT+a/Vm2 dV Um=CV,mdT+a/Vm2 dV 积