第2章气体的热力性质

1、理想气体与实际气体理想气体与实际气体定义：定义：热力学中，把完全符合热力学中，把完全符合 及热及热力学能仅为温度的函数力学能仅为温度的函数 的气体，称的气体，称为理想气体；否则称为实际气体。为理想气体；否则称为实际气体。RTpv )(Tuu 理想气体：理想气体：氧气、氢气、氮气、一氧化碳、二氧气、氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、空气、燃气、烟气氧化碳、空气、燃气、烟气（在通常使（在通常使用的温度、压力下）用的温度、压力下）实际气体：实际气体：氨、氟里昂、蒸汽动力装置中的水氨、氟里昂、蒸汽动力装置中的水蒸气蒸气简化了物理模型，不仅可以定性分析气简化了物理模型，不仅可以定性分析气体某些热现象，而且

2、可定量导出状态参体某些热现象，而且可定量导出状态参数间存在的简单函数关系；数间存在的简单函数关系；TmRmpvpVTRpvgg或Rg为气体常数（单位为气体常数（单位J/kgK），与气体所处），与气体所处的状态无关，随气体的种类不同而异的状态无关，随气体的种类不同而异理想气体在理想气体在任一平衡状态时任一平衡状态时p、v、T之间关系之间关系的方程式即理想气体状态方程式，或称克拉贝龙的方程式即理想气体状态方程式，或称克拉贝龙(Clapeyron)方程。方程。通用气体常数不仅与气体状态无关，与气体的种类也通用气体常数不仅与气体状态无关，与气体的种类也无关无关nRTpVRTpVm或或K)kJ/(kmo

3、l3145. 8R气体常数之所以随气体种类不同而不同，是因为在同气体常数之所以随气体种类不同而不同，是因为在同温、同压下，不同气体的比容是不同的。如果单位物量不用温、同压下，不同气体的比容是不同的。如果单位物量不用质量而用摩尔，则由阿伏伽德罗定律可知，在同温、同压下质量而用摩尔，则由阿伏伽德罗定律可知，在同温、同压下不同气体的摩尔体积是相同的，因此得到通用气体常数不同气体的摩尔体积是相同的，因此得到通用气体常数 R 表示的状态方程式：表示的状态方程式：TmRpVRTMmnRTpVg M 为气体的摩尔质量为气体的摩尔质量ggMRRMRR或或nRTpVRTpVTmRpVTRpvmggm kg 理想

4、气体理想气体1 kg 理想气体理想气体nkmol 理想气体理想气体1kmol 理想气体理想气体例例2-12-1 已知氧气瓶的容积已知氧气瓶的容积 ，瓶内氧气，瓶内氧气温度为温度为2020，安装在瓶上的压力表指示的压力，安装在瓶上的压力表指示的压力为为15MPa15MPa，试求瓶内氧气的质量是多少？设大气，试求瓶内氧气的质量是多少？设大气压力为压力为 PaPa。33m1040 VPap666101 .15101 . 01015K29327320 Tkg93. 72938 .2591040101 .1536TRpVmg解：解：K)(kgJ.8259328314gR氧气：氧气：kmolkgM32Tm

5、RpVgTmRpVg60.1 10解：解：111TRmVpg112)3(TRmVpg1113TRTRmgg113TRVpg1213ppTRVg1211211111133pppppTRTRpTRVpmgggJ/Kd单位：xTQC)KJ/(kgd单位：Tqc1、比热的定义和单位、比热的定义和单位 物体温度升高物体温度升高1 1K所需的热量称为所需的热量称为比热容比热容：mCMcCm3104 .22定压比热容：定压比热容：可逆定压过程的比热容可逆定压过程的比热容vvvvTuTvpuTqc dddd ppppThTpvhTqc dddd 2、气体的定容比热容和定压比热气体的定容比热容和定压比热 热量是

6、过程量，因此比热容也与各过程特性热量是过程量，因此比热容也与各过程特性有关，不同的热力过程，比热容也不相同：有关，不同的热力过程，比热容也不相同： 定容比热容定容比热容：可逆定容过程的比热容：可逆定容过程的比热容焓值焓值h=u+pv，对于理想气体，对于理想气体h=u+RT，可见焓与压力无关，可见焓与压力无关，理想气体的焓也是温度的单值函数：理想气体的焓也是温度的单值函数：TuTucVVdd对于理想气体，对于理想气体，c cp p、 c cV V 是温度的单值函数，因此它们是温度的单值函数，因此它们也是状态参数。也是状态参数。TcuVdd ThThcppdd Tchpdd 对于理想气体，其分子间

7、无作用力，不存在势能，内能对于理想气体，其分子间无作用力，不存在势能，内能只包括取决于温度的分子动能，与比容无关，理想气体的只包括取决于温度的分子动能，与比容无关，理想气体的内能是温度的单值函数：内能是温度的单值函数：TRupvuhggVpRccgRTuThddddRMRCCgmVmp,迈耶公式迈耶公式 比热容比：比热容比：mVmpVpCCcc,gpgVRcRc111gVpRcc对于理想气体，比热容比等于绝热指数。对于理想气体，比热容比等于绝热指数。22102210tbtbbcTaTaac真实比热容真实比热容将实验测得的不同气体的比热容随温度的变化关系，将实验测得的不同气体的比热容随温度的变化

8、关系，表达为多项式形式：表达为多项式形式：( (比热容与绝对温度的关系比热容与绝对温度的关系) )( (比热容与摄氏温度的关系比热容与摄氏温度的关系) )平均比热容平均比热容 21TTpdTcq面积面积ABCDA= =面积面积1BC01-1BC01-面积面积1AD011AD01ct012ABD(t1)C(t2)c=b0+b1t+b2t2+ =q02-q01 1200ddTpTptctc212100ttctct2121()ttctt211200,00ttccCtCt表示温度自到 和到 的平均比热容.1210201200121212122121dddtttctcttTcTcttTcttqcttTp

9、TpTTptt 见表见表2-42-4，比热容的起始温度同为，比热容的起始温度同为0C，这时同一种气体的只取决于终态温度，这时同一种气体的只取决于终态温度t t201021tctctttc0定值比热容定值比热容根据分子运动论，凡是原子数相同的气体，其摩尔根据分子运动论，凡是原子数相同的气体，其摩尔热容也相同，反之，其摩尔热容不相同。热容也相同，反之，其摩尔热容不相同。)(12ttcqx实际情况是多原子气体的误差比单原子气体的误差大。实际情况是多原子气体的误差比单原子气体的误差大。 2121ddTchTcupv理想气体的热力学能和焓是温度的单理想气体的热力学能和焓是温度的单值函数：值函数：Tcuv

10、dd Tchpdd )(d)(d12211221TTcTchTTcTcuppvv 按定值比热容计算按定值比热容计算: :按平均比热容计算按平均比热容计算: :221122112121()()ttVVttttppttuc dtctthc dtctt 熵的定义：熵的定义：RRTqsTQSdd或式中，下标式中，下标 “ R ” 表示可逆，表示可逆，T为工质的绝对温度。为工质的绝对温度。1 1、熵是系统内部不确定、熵是系统内部不确定( (无序无序) )程度的度量程度的度量; ;2 2、如何理解上述两个定义式、如何理解上述两个定义式? ?0dd),(),(),(12212121ssssssvTfsTpf

11、svpfsbadupdvT以以 为参数为参数( , )T vTvvRgTTcVddvvRTTcgVddRTqsdrevqdsTdpdvdTpvT两边微分两边微分dhvdpTVpdpdvccpv以 为参数( , )T p以 为参数( , )p vTppRgTTcpddppRTTcgpddTRpvgppRvvppcsgpddddvvcppRcpgpddvvcppcsppRTTcsvvRTTcspVgpgVddddddddd212121122121122121ddlndlndvvcppcsppRTTcsvvRTTcspVgpgV微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：N理想气体熵方程是从理想气体熵方

12、程是从可逆过程可逆过程推导而来，但方程中只推导而来，但方程中只涉及状态量或状态量的增量，因此涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程不可逆过程同样适用。同样适用。按定比热容计算：按定比热容计算：121221121221121221lnlnlnlnlnlnvvcppcsppRTTcsvvRTTcspVgpgV沸騰吸收能量吸收能量 2260 kJ熔解吸收能量吸收能量 334 kJ凝結釋放能量釋放能量2260 kJ凝固凝固釋放能量釋放能量334 kJ蒸汽(1 kg)水(1 kg)冰(1 kg)1.汽化汽化物质由液态变为汽态的过程称为汽化。物质由液态变为汽态的过程称为汽化。 汽汽化化 蒸发蒸发：特指发

13、生在液体表面的汽化过程，：特指发生在液体表面的汽化过程，可在可在任何温度下发生任何温度下发生。 沸腾沸腾：汽化在液体内部和表面发生的强烈的气：汽化在液体内部和表面发生的强烈的气化过程，并产生大量气泡产生。化过程，并产生大量气泡产生。 沸腾沸腾过程只在过程只在沸点沸点下才会发生。下才会发生。 2.2.凝结凝结物质由汽态转变为液态的过程称为凝结物质由汽态转变为液态的过程称为凝结 。又称液化现象，是汽化的反过程又称液化现象，是汽化的反过程 3.3.汽化潜热汽化潜热汽化过程中汽化过程中1kg液态物质（饱和液）完全转变为液态物质（饱和液）完全转变为汽态时所需的热量称为汽化潜热。汽态时所需的热量称为汽化潜

14、热。 液体分子脱离其液体分子脱离其表面的汽化速度表面的汽化速度汽体分子回到液汽体分子回到液体中的凝结速度体中的凝结速度这时液体与蒸汽处于动态这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为平衡状态，称为饱和状态饱和状态饱和液体饱和液体饱和蒸汽饱和蒸汽饱和现象饱和现象一定条件下，当液化和汽化过一定条件下，当液化和汽化过程达到动态的平衡，物质汽液程达到动态的平衡，物质汽液两相的质量各自保持不变时，两相的质量各自保持不变时，称这时的系统为饱和状态。称这时的系统为饱和状态。 饱和状态下的液体称为饱和状态下的液体称为饱饱和液体和液体, ,蒸汽则称为蒸汽则称为饱和蒸汽饱和蒸汽例如：例如： 处于平衡状态的汽处于平衡状态

15、的汽液混合物液混合物沸腾中的液体沸腾中的液体 sstfp Pa659.611K16.273 tptppTtpptpp预热阶段汽化阶段过热阶段4 4sttstt4 4sttsttstt4 4stt4 4sttstt4 4未饱和水状态未饱和水状态 饱和水状态饱和水状态 湿饱和蒸汽状态湿饱和蒸汽状态 干饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态过热蒸汽状态过热阶段过热阶段水蒸汽的定压生成过程水蒸汽的定压生成过程饱和水的汽化阶段饱和水的汽化阶段水的加热阶段水的加热阶段sttsttsttsttsttaaaaaaaaaaa说明：在此说明：在此a可代表可代表,vuhs饱和水饱和水未饱和水（过冷水）未饱和水（过

16、冷水）状态及状态参数：状态及状态参数：hhssvvttconstps .hhssvvttconstps . 这个阶段所需的热量称为液体热这个阶段所需的热量称为液体热 q q1 1干饱和蒸汽干饱和蒸汽饱和水饱和水湿湿(饱和饱和)蒸汽蒸汽饱和水与饱和饱和水与饱和蒸汽混合物蒸汽混合物hhssvvttconstps .hhhsssvvvttconstps .hhssvvttconstps . 这个阶段所需的热量称为汽化潜热这个阶段所需的热量称为汽化潜热r r湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。百分比。mmxV过热蒸汽过热蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽hhssvvttconstps .

17、hhssvvttconstps . 这个阶段所需的热量称为过热热这个阶段所需的热量称为过热热 q qSUPSUP。 t-tt-ts s称为过热度称为过热度水的水的状态状态 压缩水压缩水压力高于水压力高于水温对应的饱温对应的饱和压力和压力过冷水过冷水温度低于水压温度低于水压对应的饱和温对应的饱和温度；过冷度度；过冷度未饱和水未饱和水上述两种未达到饱上述两种未达到饱和状态的水的统称和状态的水的统称汽化潜热汽化潜热定压汽化过程定压汽化过程所需的热量所需的热量干度干度xvlvmmmxmv：饱和蒸气质量：饱和蒸气质量ml：饱和水质量：饱和水质量过热蒸汽过热蒸汽及过热度及过热度温度高于所处压力下的温度高于

18、所处压力下的饱和温度的蒸汽。这两饱和温度的蒸汽。这两个温度之差为过热度。个温度之差为过热度。1.1.水的定压预热阶段水的定压预热阶段1Ts11x1液体热液体热0220( )( )()lsuqqrqhhhhhhhh lq2.2.饱和水的定压汽化过程饱和水的定压汽化过程汽化潜热汽化潜热kJ/kgrhhr3.3.水蒸汽的定压过热过程水蒸汽的定压过热过程sT2过热热过热热2kJ/kgsuqhh1kg1kg水从水从1 1状态被加热到状态被加热到2 2状态所吸收的热量状态所吸收的热量0kJ/kglqhhsuqkJ/kgsrTsss s22.115MPa;374.12ccpt；30.003147m /kg;

19、cv 2095.2kJ/kg;4.4237kJ/(kg K)cchsv一点一点: :临界点临界点; ; 三线三线: :饱和水线、干饱和蒸汽线、等临界温度线饱和水线、干饱和蒸汽线、等临界温度线; ;三区三区: :未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区; ;五态五态: :未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽. .vpsT一点一点两线两线三区三区五态五态一点一点物质的临界点物质的临界点两线两线饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和液体状态连线（下界限线）饱和液体状态连线（下界限线）

20、 三区三区汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域 湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域 五态五态过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。 饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。或

21、者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。 湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。 饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。 未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。 饱和水及干饱和蒸汽表饱和水及干饱和蒸汽表未饱和水及过热蒸汽表未饱和水及过热蒸汽表查表查表蒸汽表蒸汽表判断工质所处的状态判断工质所处的状态查相应的表或进行相应的计算查相应的表或进行相应的计算1、饱和蒸汽表与饱和蒸汽的状态确定、饱和蒸汽表与饱和蒸汽的状态确定2、过热蒸汽表及未饱和水与过热蒸汽参数的确定、过热蒸汽表及未饱和水与过热蒸汽参数的确定3、湿蒸