工程热力学理论篇1

1、公司公司徽标徽标工程热力学工程热力学 - - 理论篇理论篇I I建筑环境与设备工程教研室 蒯大秋绪绪 论论0.1 热能及其利用热能及其利用 能源能源是指能够提供各种有效能量的物质资源。 天然气、煤炭、石油等矿物燃料的化学能，太阳能，风能，水力能，地热能，原子能和生物质能等。其中风能和水力能是自然界中以机械能形式提供的能量，其他的则热能的形式或转换为热能的形式供人们利用，85%以上为热能形式提供的能量。 热能基本上有两种利用形式： 热利用，热能直接利用，如生活中热水、在食品加工中干燥、化工和冶金等行业的加热过程等； 动力利用，将热能转化成机械能或电能，如动力机械(正循环)和制冷、热泵(逆循环)等

2、。 举例(煤炭为例)绪绪 论论 锅炉 烟气 水 水蒸气(直接利用)供热； 锅炉 烟气 水 水蒸气汽轮机 (间接利用)发电。 消耗 能，冰箱制冷、空调制冷供暖等。 热力学热力学的定义 热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。体现在从宏观和微观角度，将物质系统看成连续体。 工程热力学工程热力学的定义 从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及如何加以有效、合理地利用热能的途径。阐述热力学普遍原理基础上，探讨如何应用这些原理的学科，重点研究热能与其他形式能量(主要是机械能)之间的转换规律及其绪绪 论论 工程应用。0.2 本课程

3、的研究对象及主要内容本课程的研究对象及主要内容 研究对象是与热现象有关的能量利用与转换规律的科学。包括：l 研究能量转换的客观规律，即热力学第一与第二定律；l 研究工质的基本热力性质；l 研究各种热工设备中的工作过程；l 研究与热工设备工作过程直接有关的一些化学和物理化学问题。研究方法宏观方法：宏观方法：连续体，连续体，用宏观物理量描述用宏观物理量描述其状态，其状态，特点：特点：可可靠普遍，不能任意靠普遍，不能任意推广推广微观方法：微观方法：从微观从微观粒子的运动及相互粒子的运动及相互作用角度研究热现作用角度研究热现象及规律。象及规律。特点：特点：揭示本质，模型近揭示本质，模型近似似绪绪 论论

4、 学习本课程的目的 “学以致用”。能源的地位与作用及我国能源面临的主要问题、节能的重要性、建筑节能、辩证思维。 首先在网络上查找相关文献和资料，可查找关键词“能源、节能、绿色建筑”。 以节能为例 发电量： 电力装机总量在9亿千瓦上1 电力结构：火电78% ，水电20% ，核电1.2%2 燃煤：SO2，粉尘，CO2 ；污染环境 3 建筑能耗：约占社会终端能耗的20.7%4第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 本章基本要求本章基本要求 深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。 本章重点本章重点 选取热力系

5、统，对工质状态的描述，状态与状态参数的关系，状态参数，平衡状态，状态方程，可逆过程。 1.1 热能和机械能相互转换的过程热能和机械能相互转换的过程 热能动力装置，将燃料(煤炭、天然气、石油等)燃烧中得到热能(化学能转化为热能)，并将热能转化为动力的整套设备。 有空气(燃气)动力装置和蒸汽动力装置 内燃机、燃气轮机装置和喷气发动机属于空气动力装置；第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 电厂蒸汽动力装置和核电站蒸汽动力装置属于蒸汽动力装置。 总结总结：在热能动力装置中实现将热能源源不断地转变为功。其中的工作介质都经历了吸热、膨胀、放热(排热)和压缩过程。 制冷装置和热泵属于另一类能量转换装置

6、，它是通过消耗外部机械能(或电能、其他形式的能量)，从而实现热能由低温物体向高温物体转移。 人体肌肉细胞的功能与发动机相类似，将物质的化学能转化为机械能(部分的，接近20%，用于活动、工作、生活等)。但也与发动机不同的地方，就是并不借助于工作介质的过程变化。 几个基本概念几个基本概念 工质(working substance; working medium)指实现热能和机械能相互转化的媒介物质(或工作介质)。第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 对工质的要求：膨胀性；流动性；热容量；稳定性、安全性；对环境友善；价廉、易大量获取。物质三态中气态最适宜。 热源(heat source; he

7、at reservoir)是指向工质提供热量(或冷量)的物质系统。有高温热源(热源-heat source)和低温热源(冷源-heat sink), 恒温热源(constant heat reservoir)和变温热源。 1.2 热力系统热力系统 系统系统hermodynamic system(system)是指用界面从周围环境中分割出来的研究对象(空间内物体总和)。 外界外界surrounding指与系统相互作用的环境。 界面界面boundary指假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。 依据系统与外界的作用关系分热交换、功交换、质交换； 按系统与外界有无物质交换可分为闭口系统和开口系统；第

8、一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。 开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积 。 绝热系统：系统内外无热量交换(系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热)。 孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换。 孤立系统=系统+相关外界=各相互作用的子系统之和 =一切热力系统连同相互作用的外界(或称为复合孤立系)第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 根据系统内部状况划分 可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。 简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化。 均匀系统：内部各部分化学成分和物理性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。 非均匀系统：由两

9、个或两个以上的相所组成的系统。 单元系统one component system; pure substance system ：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。 多元系统multicomponent system ：由两种或两种以上物质组成的系统。 单相系homogeneous system ：系统中工质物理、化学性质都均匀一致的系统。第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 复相系heterogeneous system ：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。 注意注意 1）不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀湿蒸汽；单元系未必均匀气液平衡分离状态

10、； 对热力系统的分类看起来是很简单的，也是很自由的，但是应用中可不能随意的，应根据问题来确定。 思考题思考题 孤立系统一定是闭口系统吗？反之怎样。孤立系统一定不是开口的吗？孤立系统是否一定绝热。 下面对热力系统进行总结第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 其他分类方法1.3 工质的热力学状态及其基本状态参数工质的热力学状态及其基本状态参数 状态状态是指热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。也可以表述为某一瞬间热力系所呈现的宏观状况。以系统与外界关系以系统与外界关系有无是否传质开口系统闭口系统是否传热非绝热系统绝热系统是否传功非绝功系统绝功系统是否传热、功、质 非孤立系统孤立系统均匀

11、系非均匀系单元系多元系单相系多相系物理化学性质工质种类相态第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 状态参数状态参数指描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。如温度(T)、压力(p)、比体积()或密度()、内能(u)、焓(h)、熵(s)、自由能(f)、自由焓(g)等，体积并不是状态参数。 状态参数具有如下特性：l 状态确定，则状态参数也确定，反之亦然；l 状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关，状态参数循环积分值等于0(积分特征)；l 满足全微分(微分特征)。 基本状态参数基本状态参数是指可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。如温度、压力、比体积或密度。下面分别介绍基本状态参数： 温度

12、温度：宏观上是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量；微观上是大量分子热运动强烈程度的量度，即 mc2/2=BT, B=3k/2。第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 热力学第零定律热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。根据热力学第零定律，可以确定温度，测量温度的仪器称为温度计，给温度确定数值就是温标(或是温度的数值表示方法称为温标)，有经验温标(如摄氏度、华氏度等)和热力学温标(K)。摄氏度与热力学温度、华氏度的换算公式 T=273.15+t； F=9t/5+32。 压力压力指垂直作用于器壁单位面积上的力，也称压强，p=F/f。微观上，分

13、子热运动产生的垂直作用于容器壁上单位面积的力。 p=(2n/3)mc2/2=2nBT/3 压力测量依据是力平衡原理。压力单位：pa, bar, atm。 相对压力指相对于大气环境所测得的压力。工程上常用测压仪表测定的压力。以大气压力为计算起点，也称表压力。第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 p=B+pg；p=B-H。其中B为当地大气压，pg表压力，H真空度。 注意注意：只有绝对压力才能代表工质的状态参数。 比体积比体积是指单位质量工质所具有的容积，用v表示。 密度指单位容积的工质所具有的质量，用表示。 两者的关系： v =1。 例例1表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不

14、变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 状态参数又可分为强度量和广延量。 强度性参数又称强度量，特点与质量无关的状态参数，如p、T； 广延性参数又称广延量，具有可加性，如V、U、S、H等。1.4 平衡状态、状态方程平衡状态、状态方程和坐标图和坐标图 平衡状态平衡状态是指系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。 平衡状态的充要条件：热平衡(温度平衡)、力平衡(压力平衡)、化学势平衡(包括相平衡和化学平衡)。 从平衡的充要条件得到平衡的判据：是否存在

15、热流和粒子流。 稳态(恒稳态)：只是满足宏观热力性质不随时间而变化，常说的稳态导热。举例：太阳(温度的概念可以适用于非平衡系统)。第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 注意注意 平衡必稳定，反之稳定未必平衡。 平衡与均匀是不同的概念，均匀是相对于空间，平衡是相对于时间，平衡不一定均匀。 状态公理状态公理：确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1，式中n表示传递可逆功的形式，而加1表示能量传递中的热量传递。 例如：对除热量传递外只有膨胀功(容积功)传递的简单可压缩系统，n=1，于是确定系统平衡状态的独立参数为1十1=2。 所有状态参数都可表示为任意两个独立参数的函数。 状态方程状态方程指反

16、映工质处于平衡状态时基本状态参数的制约关系。 纯物质简单可压缩系统的状态方程 f(p,v,T)=0。 理想气体的状态方程 pv=RgT，pV=mRgT，pV=nRT。其中Rg为气第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 体常数，仅与气体种类有关而与气体的状态无关；R为摩尔气体常数(也称通用气体常数)，R =8.3145J/(mol.K)。 对于一个简单可压缩系统来说，完全可以利用两个状态参数确定系统的(平衡)状态，因此可利用平面坐标图上的任意一点表示确定的状态参数。常见的有p-v(示功)图，T-s(热量)图，h-s图和h-d图等。1.5 工质的状态变化过程工质的状态变化过程 ( (热力热力)

17、 )过程过程指系统状态的连续变化称系统经历了一个热力过程。 准静态过程准静态过程是指如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程。在热能和机械能的相互转换中必须通过工质的状态变化过程才能实现。平衡状态状态不变化能量不转换(包括转第一章第一章 基本概念及定义基本概念及定义 移)；但是非平衡状态又无法描述，因此在热力学中引入了准静态(准平衡)过程概念。如气体在压力(温度)差无限小的力(热)作用下实现的准平衡过程。 准静态过程既是平衡，又是变化。既可以用状态参数描述，又可进行热功转换。 注意注意：准静态过程是一种理想化的过程，实际过程只

18、能接近准静态过程。理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？ 定义弛豫时间，相对弛豫时间来说，准平衡过程是一个进行得无限缓慢的过程。如活塞的运动v0K时，大数微观粒子(原子、分子或离子)都处在不断地作无规则的热运动之中。结合气体分子运动的理第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 论，对于理想气体，由能量均分定理和量子理论，能量是温度的函数，即分子热运动具有内动能是温度的函数、分子间有相互作用力存在而具有的内位能是气体体积和温度的函数。 热力学能热力学能(或内能)指热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，包含气体分子的内动能、内位能和维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原

19、子能以及电磁场作用下的电磁能。 在无化学反应和原子核反应的过程中，热力学能的变化只是内动能和内位能的变化，而化学能和原子核能都不发生变化。单位质量工质所具有的内能，称为比内能，简称内能U=mu，内能也称内储存能。 根据气体分子运动学说，热力学能是热力状态的单值函数，即热第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 力学能是状态参数，具有状态参数的性质。 由状态公理可知，气体的热力学状态可由两个独立的状态参数来决定，即热力学能一定是两个独立状态参数的函数，如u=f(T,v)；u=f(T,p)；u=f(p,v)。 内能总以变化量出现，内能的零点人为选定。 外储存能外储存能指系统工质与外力场的相互作用

20、(如重力位能)及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量(宏观动能)。 总能总能是指热力系统的内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏观运动能及位能的总和，称总储存能。 系统总储存能：E=U+Ek+Ep=mu+mc2/2+mgz，e=u+c2/2+gz。2.3 能量的传递和转化能量的传递和转化 系统与外界传递的能量表现为热力系与外界热源、功源和质源之第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 间进行的能量传递。 热量：在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定系统吸热为正，系统放热为负。单位：kJ kcal 1 kcal=4.1868kJ。 特点：热量是传递过程中能量的一种形式，热

21、量与热力过程有关热量功量随物质传递的能量热热力力系系外界热源外界功源外界质源系统与外界传递的能量第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 或与过程的路径有关。 功：除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量。规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。l 膨胀功w：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量，即w =pdv 。单位：1J=1Nm。膨胀功是热变功的源泉。l 轴功ws：通过轴系统与外界传递的机械功。注意：对于刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换。l 推动功：在开口系中工质因流动而传递的功，1kg工质的推动功等于pv。注意：推动功不是膨胀功 pdv，因v

22、没有变化。l 流动功wf ：推动功差就是系统维持工质流动所需的功，推动1kg工质进、出控制体所必须的功，结合开口系统和外界之间功的交换可得到流动功， wf =p2v2-p1v1。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 流动功是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功。l 技术功wt:在热力过程中可被直接利用来作功的能量,wt=-vdp。 注意注意：流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态，流动功是由泵风机等提供。因此，当不考虑工质的宏观动能及位能变化时，开口系统与外界交换的功量等于膨胀功和流动功之差(也就是技术功)。 随物质传递的能量包括两部分，即流动工质本身具有的能量和流动功(或推动功

23、)。 流动工质本身具有的能量(总能)， E=U+Ek+Ep=mu+mc2/2+mgz。 推动1kg工质进、出控制体所必须的功， wf =p2v2-p1v1 。 思考思考题题：各种形式功的区别？2.4 焓焓第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 为了简化计算，定义一个新变量焓H或h(单位：J或kJ)。 焓=内能+流动功 H=U+pV 或 h=u+pv。 焓的物理意义：l 对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量，取决于热力状态的那部分能量；l 对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数。 焓是状态参数，具有状态参数的特性。对于理想气体 h= f (T) 。2.5 热力学第一定

24、律的基本形式热力学第一定律的基本形式能量方程能量方程 根据热力学第一定律的实质，可以写出系统变化过程中的能量平衡方程式，即进入系统的能量离开系统的能量 = 系统中储存能量的增加。闭口系统的能量方程表达式 U=Q-W(适用于mkg质量工质)； u=q-w (适用于1kg质量工质)。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 注意注意：该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。 虽然以上两式都是从闭口系推出来的，但反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口系统、任何工质、任何过程。 对于可逆过程 u=q-pdv； 循环过程第一定律表达式：q= w，对于循环来说，净功量等于净热量。

25、结论结论：第一类永动机不可能制造出来。2.6 开口系统能量方程式开口系统能量方程式 对于开口系统开口系统，常采用控制容积的分析方法。l 由质量守恒原理：进入控制体的质量 - 离开控制体的质量=控制体中质量的增量。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律l 能量守恒原理：进入控制体的能量 - 控制体输出的能量=控制体中储存能的增量。 设控制体在d时间内 进入控制体的能量= dQ+(u1+c12/2+gz1)m1 离开控制体的能量= dWtot+(u2+c22/2+gz2)m2 控制体储存能的变化 dEcv=(E+dE)cv-Ecv 代入后得到如下公式 dQ = dWtot+(u2+c22/2+

26、gz2)m2 - (u1+c12/2+gz1)m1 +dEcv 注意：本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程，也适用于闭口系统，总功量Wtot=Ws+流动功。 若考虑单位时间内系统的能量方程式，对上式两边除时间d 。 稳定流动能量方程稳定流动能量方程第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化的状态。 条件：l 符合连续性方程 ，min=mout=恒定值；l 系统与外界传递能量，收入=支出，且不随时间变化。即热流q不变，净功w=轴功ws，每个截面状态也不变。

27、其能量方程式 q=dh+dc2/2+gdz+ws 适用条件：适用于任何工质，稳态稳流热力过程。 技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量。技术功=膨胀功+流动功；对于可逆过程：wt=w+p2v2-p1v1=-vdp。 注意：技术功是过程量。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 上式若忽略工质动能和位能的变化，则 dh= q-ws。 几种功的关系 膨胀功 dw=pdv 轴功 ws 推动功 w=pv 流动功 wf =p2v2-p1v1 技术功 wt=c2/2+gz+ws 讨论机械能守恒，结合技术功的定义式wt =-vdp=dc2/2+gdz+ws 对于流体流过管道， ws =0 则 vd

28、p + dc2/2 + gdz = 0 (压力能) + (动能) + (位能) = 0 (机械能守恒) 上式也就是流体力学中的伯努利方程。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律2.7 能量方程式的应用能量方程式的应用l 动力机：利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。l 压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备。l 热交换器 q=h2-h1l 管道 ( c2f2 - c2f1 )/2 = h1 h2l 绝热节流 h1 = h2 下面讨论一些工程实例 工程中常见的几种特殊过程的计算：不做功过程与绝热过程、绝热自由膨胀过程与绝热节流过程、定容混合过程与流动混合过程和充气过程与放气过程。l 不

29、作功过程不作功过程 它包括两种形式：不作膨胀功过程和不作技术功的过程。第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 不作膨胀功过程，指闭口热力系经历的不作功的情况，注意注意：不作膨胀功的过程不等于定容过程，不作膨胀功的过程其热量必定等于热力学能的变化。 则能量方程 不作技术功的过程，指热力系在稳定的流动过程中或一个工作周期中(活塞式动力机械)，不对外作出技术功，也不消耗外功。注注意意：不作技术功的过程不是定压过程，不作技术功的过程其热量必定等于焓的变化。 则能量方程l 绝热过程绝热过程00; 00; 0dvwwwpdvdvpdvwwLdTcquuqduwduqV 012;00; 00; 0dpw

30、wwvdpdpvdpwwLLtttdTcqhhqdhwdhqPt012;第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 绝热过程指热力系与外界无热量交换的过程。若不存在摩擦且过程是内平衡的，绝热过程就是定熵过程；若存在摩擦，绝热过程必定引起熵的增加。 则能量方程l 绝热自由膨胀过程绝热自由膨胀过程 指气体在与外界绝热的条件下向真空进行的不作膨胀功的膨胀过程，气体在初始和终了状态是处于平衡状态，中间过程不是，在压容图中是一条虚线表示。l 绝热节流过程绝热节流过程 指流体在管道中流动时，中途遇到阀门(孔板)等物体形成的局部阻力，造成流体压力显著下降的过程。00; 00; 0dsqqqwwdupdvdu

31、TdsdsTdspdvduqqgLdhwduwwdhwduqtt;0120; 0; 0uuwquqw1212;sspp第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 忽略流体节流前后的位能和动能变化，节流过程前后的焓不变。 节流过程是一个存在内摩擦的过程，从减少可用能损失的角度应避免节流过程。l 定容混合过程和流动混合过程定容混合过程和流动混合过程(略，自学) 充气过程和放气过程，它们属于非稳态流动过程，特点是不仅进出容器的流量随时间变化，而且容器中气体的状态也随时间发生变化。l 充气过程充气过程 由气源向容器中充气，气源的参数是不变的(p0、T0、h0)。取容器中的气体为热力系，且保持体积V不变

32、，充气前容器中气体的参数(p1、T1、m1)，充气后气体的参数变为(p2、T2、m2)。00; 0hqwt第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 上述四式分别计算各项，由热力学第一定律可得： 充气包括两种情况：快速充气(充气在短时间内完成或者容器绝缘很好，又称绝热充气)和缓慢充气(定温充气)。 对于绝热充气过程，有Q=0，m2u2=m1u1+(m2-m1)h0，说明绝热充气后容器中气体的热力学能等于原有气体的热力学能与充入气体的焓之和。 对于定温充气过程，假设气体为理想气体(后面讨论)。l 放气过程放气过程 指容器中较高压力的气体向外界排出的过程。取容器中的气体为112212;umumUU

33、UEQQ)()(12000mmumumumemeininininoutout001200)(vpmmvpmWintot012112200120121122)()()()(hmmumumvpmmummumumQ第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 热力系，其体积V不变。假设放气前容器中气体参数(p1、T1、m1) 放气后气体的参数变为(p2、T2、m2)。 由热力学第一定律可得： 两种情况：绝热放气过程和定温放气过程。 绝热放气过程 Q=0，m2u2=m1u1+m1 m2hdm 。 对于定温放气过程，假设气体为理想气体(后面讨论)。 (END)112212;umumUUUEQQ21)()(

34、mmoutininoutoutudmdmumumeme21mmouttotpvdmmpvW211122mmhdmumumQ第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 本章教学目的 掌握膨胀工质的基本性质 研究工质的目的与意义 由热力学第一定律可知，热能与机械能的转换，是通过工质的膨胀做功来完成的。因此，工质膨胀做功的这一性质，就是要求选用合适的膨胀工质。 本章首先讨论理想气体的性质及其状态方程，通过状态方程确定理想气体状态参数间的关系；理想气体热容的定义、性质和计算方法；导出理想气体的热力学能、焓和熵的计算式；然后讨论水蒸气(实际气体)的热力学性质；水和水蒸气的状态参数(即热力学能、焓和熵

35、)计算，这其中包含水的汽化过程、相图和临界点的概念与特点。第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质3.1 理想气体的概念理想气体的概念l 理想气体模型理想气体模型 物质一般具有三态：固态、液态和气态，都是由大数微观粒子(分子、原子或离子)组成，且分子的运动在任何一个方向上都机会均等，即宏观上表现为各向同性，在忽略外力场的作用下，压力各处各向相同，具有相同的密度，其中气态物质也是如此。 气体本身具有一定的体积，分子间存在相互作用力，分子在两次碰撞之间运动又是非直线运动，精确描述和分析其复杂的运动。 理想气体理想气体：气体分子是一些弹性的，忽略分子相互作用力，不占有体积的质点。满足理想气体的

36、两个假定条件：没有体积的质点；分子间相互没有作用力。 注意注意：当实际气体p0或v的极限状态时，实际气体可视为理第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 想气体。如湿空气、烟气、燃气等等。l 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 结合气体分子运动论和理想气体运动模型可导出如下几种形式 适用于1kg理想气体 pv=RgT 适用于mkg理想气体 pV=mRgT 适用于1千摩尔理想气体 pVm=R0T 适用于n千摩尔理想气体 pV=nR0T 仅适用于闭口系统 p1v1/T1=p2v2/T2和p1V1/T1=p2V2/T2 状态方程的应用状态方程的应用 求平衡态下的参数； 两平衡状态间参数的计算

37、； 标准状态与任意状态或密度间的换算；第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 气体体积膨胀系数。l 摩尔质量和摩尔体积摩尔质量和摩尔体积 在国际单位制中表示物质的量的基本单位是摩尔(mol)，规定物质中包含的基本单位数与0.012kg碳12的原子数目相等时物质的量为1摩尔(1mol)。1mol任何物质的分子数6.02251023个。 1mol物质的质量就是摩尔质量，符号M表示，单位g/mol。 1mol气体的体积是摩尔体积。阿伏伽德罗定律指出在同温、同压下，各种气体摩尔体积都相同。Vm=Mv10-3，Vm0=22.414110-3 单位为m3/mol。l 摩尔气体常数摩尔气体常数 由理

38、想气体状态方程式和阿伏伽德罗定律得：(MRg)1=(MRg)2= =MRg=R0=8.3145100.000070J/(mol.K)。第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 注意注意：R0与气体性质、状态均无关。 而气体常数Rg，与状态无关，仅决定于气体性质。3.2 理想气体的比热容理想气体的比热容l 比热容的定义比热容的定义 单位物量的物体，温度升高或降低1K(1)所吸收或放出的热量。 单位：J/(kg.K) 1mol物质的热容称为摩尔热容摩尔热容，J/(mol.K)，符号Cm表示。标准状态下1m3物质的热容称为体积热容体积热容，J/(m3.K)，符号C表示。 定容比热定容比热容容表

39、明单位物量的气体在定容情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量(也称质量定容热容)，符号cV表示。 定压比热容定压比热容表明单位物量的气体在定压情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量(也称质量定压热容)，符号cp表示。dTqc第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 结合热力学第一定律 q=du+pdv 或q=dh-vdp 可得l 迈耶公式和比热容比迈耶公式和比热容比 可利用理想气体的焓定义式h=u+RgT 两边求导得到： cp-cV=Rg，Mcp-McV=MRg=R0 结论结论：同温度下任意气体的cp总是大于cV，且差值恒等于气体常数Rg。 比热容比(或称质量热容比)l 利用比热容计算热

40、量利用比热容计算热量 根据比热容的定义式，可以通过比热容计算过程中系统与外界交换的热量，即q=cdT=cdt ，关键是确定气体的真实比热容。vvvvTudTdudTqcdTdhdTqcppvpvpvpMcMccccc1Rcv1nRcp第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 实验表明：理想气体的比热容是温度的复杂函数，随着温度的升高而增大。下面给出三个比热容的定义 定值比热定值比热：凡分子中原子数目相同因而其运动自由度也相同的气体，它们的摩尔比热值都相等。 真实比热真实比热：相应于每一温度下的比热值称为气体的真实比热。 常将比热与温度的函数关系表示为温度的三次多项式 平均比热平均比热：q

41、=cdt=c(t2 - t1) 参见右图，工程上简化处理方法： 将比热容看成与温度成直线关系 的近似计算，如查物性参数的值； 当气体温度在室温附近且温度变332210TaTaTaaMcp第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 化范围不大时，或计算精度要求不高时，将比热容近似作为定值处理(定值比热)。3.3 理想气体的热力学能、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵l 热力学能和焓热力学能和焓 理想气体的热力学能和焓都只是温度的函数，因此根据热力学第一定律解析式：q=du+pdv 或 q=dh-vdp 可得出热力学能和焓的计算式 u=qV ; h=qp 。 考虑到热工计算中通常只要求确定过程中

42、热力学能或焓值的变化量，其基准选取可以任意，一般认为规定基准态，如水蒸汽规定水蒸汽三相态中液态水的热力学能为0，某些制冷工质规定-20或-40 时饱和液态的数值为0，理想气体则规定0K或0 时的焓为0，热力学能也为0，其他的值就可以利用上式计算得到。第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质l 状态参数熵状态参数熵 熵的定义式ds=qrev /T，其中qrev为1kg工质在微元可逆过程中与热源交换的热量，T为传热时工质的热力学温度。 理想气体熵的另一种表达形式，可联立熵的定义式和可逆过程热力学第一定律解析式求得 ds=(cpdT-vdp)/T=(cVdT+pdv)/T。 由上式可知理想气体

43、的熵也是状态参数，可用其他任意两个独立的状态参数来表示。理想气体的熵变计算（See Chapter 5）。 注意注意：理想气体的热力学能和焓值只是温度的函数，而熵却是温度和压力(或体积)的函数，即基准态的熵并不等于0。 补充补充：计算理想气体的充气过程和放气过程。3.4 水蒸气的饱和状态和相图水蒸气的饱和状态和相图 相图相图也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成第三章第三章 气体和蒸汽的性质气体和蒸汽的性质 与一些参数(如温度、压力)之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。在工程热力学中主要是p-T图。 自然界中物质的聚集态有三种：固相、液相和气相。以水为例进行讨论 融解(凝固)过程：在一定压力下，固态冰-液态水(融点温度)； 汽化(凝结)过程：在一定压力下，水汽(沸点温度)； 升华(凝华)过程：在一定压力下，固态冰汽(升华温度)。 纯