第三章 气体和蒸汽的热力性质.ppt

1、第三章 气体与蒸汽的热力性质3.1 理想气体及其状态方程,1、 忽略气体分子间相互作用力和分子本身体积影响,仅具有弹性质点的气体 2、注意：当实际气体p0 的极限状态时，气体为理想气体。,3、在通常工作参数范围内，按照理想气体计算有足够精度 4、是研究工质热力性质的基础，其它工质热力性质往往在理想气体基础上修正得到。,理想气体状态方程,通用气体常数 (与气体种类无关),气体常数 (随气体种类变化),M-摩尔质量,3.2 热容、内能、焓,热容,比热容,千摩尔热容,容积比热容,*热容和比热容,比热容是过程量还是状态量?,用的最多的某些特定过程的比热容,定容比热容,定压比热容,T,s,(1),(2)

2、,1K,c1,c2,*比定容热容和比定压热容,定容比热容cv,任意准静态过程,u是状态量，设,定容,物理意义： v 时1kg工质升高1K内能的增加量,定压比热容cp,任意准静态过程,h是状态量，设,定压,物理意义： p 时1kg工质升高1K焓的增加量,cv和cp的说明,1、 cv 和 cp ，过程已定, 可当作状态量,2、前面的推导没有用到理想气体性质,适用于任何气体,3、适用于可逆过程，也适用于不可逆过程,*内能和焓,均从定义推导：适用于任何工质,3.3 理想气体内能、焓和比热容,*理想气体内能和焓的特性,内位能：体积的函数,内动能：温度的函数,内能,理想气体：内位能=0,焓,实际气体：适用

3、于定容和定压过程 理想气体：适用于任何过程,v,p,3,2,1,5,4,T1,T2,理想气体热力学能（焓）都是温度的单值函数 实际气体热力学能（焓）不是温度的单值函数,*理想气体的比热容,比热容比（绝热指数）,理想气体比定压热容与比定容热容之间的关系,理想气体比热容与温度的关系,一些常用气体的比热容公式中的常数值列于附录表2,理想气体内能和焓的计算,按比定值热容计算,按比热容经验公式积分计算,附表3,利用平均比热容计算,利用平均比热容计算,附表4,附表5,利用气体热力性质表中h、u值计算,附表612,3.4 理想气体的熵,理想气体,理想气体状态方程的微分形式,按比定值热容计算,按比热容经验公式

4、积分计算,利用气体热力性质表中h、u值计算,附表612,3.5 理想气体的混合物,混合物中各组元的份量叫做混合物的成分。常用的表示方法有质量成分、摩尔成分和容积成分。,*理想气体混合物的成分,质量成分,摩尔成分,容积成分,分容积定律或阿马伽定律,某一种组元(ni摩尔)单独存在，并处于混合物温度T和压力p时所占有的体积称为该组元的分体积，用Vi表示,三种成分之间的关系,*道尔顿（Dalton）分压定律,当混合气体中第i种组元气体(ni摩尔)单独占有与混合物相同的容积V，并处于与混合物相同的温度T时，所呈现的压力叫做该组元的分压力，用pi表示,道尔顿（Dalton）分压定律,*理想气体混合物的平均

5、分子量和气体常数,混合物的总质量与其物质的量的比是混合物的平均分子量M,摩尔气体常数Rm与混合物的摩尔质量M的比值是混合物的气体常数R,*理想气体混合物的比热容、内能、焓和熵,比热容,理想气体的分子自身不占有体积，分子间无相互作用力。因此可以设想，在占有体积V、处于温度T的理想气体混合物中，任一种组元所处的状态不受其它组元存在的影响，而与它单独占有体积V，并处于温度T和各自的分压力pi时的状态是一样的 理想气体混合物中每一种组元的参数（如内能、焓及熵），可以按其作为单元物质时的参数计算 混合物的内能、焓及熵，按照它们的可加性分别是各组元内能、焓及熵的总和,内能,焓,熵,3.6 实际气体与理想气

6、体的偏离,氢气压缩因子,Z反映了气体压缩性的大小。,P，T实际气体的体积,P，T理想气体的体积,难压缩,易压缩,压缩因子与物质种类和物质所处的状态有关,3.7 对比态定律与普遍化压缩因子,*临界状态,*对比态定律,以临界状态为基准点，构造无因次状态参数对比参数,对比参数反应了物质所处的状态偏离其临界状态的程度,对比态方程：,凡遵循同一对比态方程的任何物质，如他们的对比参数中有两个对应相等，则另一个对比参数也一定相等，这些物质也就处于相同的对应状态，这就是对比态定律,凡服从对比态定律，并能满足同一对比态方程的各种物质，称为热力学上相似的物质,*普遍化压缩因子,对比态双参数法,实际气体的临界压缩因

7、子,对比态三参数法,偏心因子：附表3,简单流体的压缩因子，相当于简单流体对理想气体的偏差,非对称球型实际气体压缩因子的修正项，相当于非对称球型实际气体对简单流体的偏差,是对比参量（pc，Tc）的函数：附图2,3.8 实际气体的状态方程,得出状态方程有两种方法：一是直接利用由实验得到的各种热系数数据，按热力学关系组成状态方程。二是从理论分析出发，考虑气体分子运动的行为而对理想气体状态方程引入一些常数加以修正，得出方程的形式，引入常数的值则根据实验数据确定。,*维里方程,取前两项,皮查尔：第二维里系数的普遍化关联式,*范德华方程,体积修正项,分子引力修正项,范德华常数，随气体不同而异,范德华方程可

8、定性地解释实际气体的性质,（1）压缩因子Z,当分子体积的影响占主导地位,当分子引力的影响占主导地位,反映气体压缩性小的特性,反映气体压缩性大的特性,（2）液体的不可压缩性,外压力对液体体积的影响很小,（3）实际气体的等温线,三个不等实根,三个相等实根,一个实根两个虚根,定性地反映了实际气体的基本性质,揭示了实际气体偏离理想气体的根本原因,对离液态较近的气体，误差加大，工程上不宜定量计算,*瑞里奇-邝（R-K）方程,*索夫-瑞里奇-邝（S-R-K）方程,a、b物性常数：由pvt实验数据拟合或由临界参数求取,*彭-鲁宾逊（P-R）方程,3.9 纯物质相变区的状态及参数坐标图,物质有三种聚集状态：固

9、态、液态、气态,* p-T-v三维坐标图：以p,v,T表示的物质各种状态的曲面，能形象的表明纯物质的三态及其相变过程。,凝固时比体积增加的物质的p-T-v图（如水） 凝固时比体积减小的物质的p-T-v图（大部分、如CO2）,凝固时比体积增加的物质的p-T-v图,两相区,单相区,气,液,固,六个区：三个单相区、三个两相区,液-气,固-气,固-液,p,v,四个线：三个饱和线、一个三相线,饱和气线,三相线,饱和液线,饱和固线,T,临界点,一个点：临界点,三相线与临界点,水的临界点状态,饱和液线与饱和气线的交点,气液两相共存的pmax,Tmax,等温线是鞍点,临界点,水的三相线,*纯物质的p-T相图,

10、p,p,T,T,液,液,气,气,固,固,凝固时比体积增加的物质,凝固时比体积减小的物质,三相点,三相点,临界点,临界点,流体,流体,升华线,升华线,凝固线,凝固线,汽化线,汽化线,没有。t374.16 ,有,思考题,2. 有没有500C的水？,1. 北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相,3. 有没有-3 的蒸汽？,4. 一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加热，是否一定能变成蒸汽？,*纯物质的p-v和T-s相图,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

11、,h = h,h h h,h h,s s,s = s,s = s,s s s,s s,a蒸汽的定压发生过程,水蒸气定压发生过程说明,(1),(2),只有熵加热时永远增加,(3) 理想气体,实际气体汽化时，TTs不变，但h增加,汽化潜热,(4) 未饱和水,过冷度,过冷水,过热蒸汽,过热度,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,b蒸汽的定压发生过程,等压线上饱和态参数,p,ts,v,(bar),v,s,s,kJ/(kg.K),0.01,0.00100022,206.175,0.0,9.1562,1.0,99.63,0.0010434,1.6946,1.3027,7.

12、3608,5.0,151.85,0.0010928,0.37481,1.8604,6.8215,50.0,263.92,0.0012858,0.03941,2.9209,5.9712,221.29,374.15,0.00326,0.00326,4.429,4.429,(bar),(),b,d,b,d,*湿蒸汽状态参数的确定,(干度x),定义,干饱和蒸汽,饱和水,对干度x的说明：,0 x 1,在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,如果有1kg湿蒸气，干度为x, 即有xkg饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。,已知p或T(h,v,s,h,v,s)+干度x,h ,v ,s,*液体和蒸汽图表,两类,2、未饱和

13、水和过热蒸汽表,1、饱和水和干饱和蒸汽表,表的出处和零点的规定,原则上可任取零点，国际上统一规定。,但 原则上不为0， 对水：,表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）1967和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。,焓、内能、熵零点的规定：,水的三相点,*蒸汽热力性质图,蒸气热力性质表中所列参数值的精确度较高，这是热力性质表的优点。,热力性质表中的数据是离散的，应用中往往需要采用内插计算，带来应用的不便；,数据表不能形象地表示热工设备中工质的热力过程。,按照各种工程具体应用的要求，选用不同的参数坐标，

14、将工质的热力状态参数关系制成线图供工程应用。这种线图称热力性质图。,常用的热力性质图有焓熵(hs)图、制冷工程中采用的压焓(p-h)图、深冷工程中常用的温熵(Ts)图，等等。,换热设备的换热量、热力机械完成的技术功量常常都用设备进、出口工质的焓差计算，而熵是表达过程方向的参数，故以焓为纵坐标，熵为横坐标的焓熵图在化工机械中广为应用,焓熵(h-s)图,蒸气压缩制冷循环的主要过程中包括制冷剂在蒸发器内的定压吸热过程，在冷凝器中的定压放热过程，和一个进、出口焓值相等的绝热节流过程。压力和焓值是确定、分析、计算蒸气压缩制冷循环的主要参数。因此，以压力为纵坐标、焓为横坐标的压焓图在制冷工程中广为应用。,

15、压焓(ph)图,3.10 湿空气,湿空气的特点蒸汽在一定条件下将发生集态的变化 假定： (1) 把气相混合物看作是理想气体混合物，即无论是其中的干空气或水蒸气，或混合物整体，均按理想气体性质计算； (2) 当蒸汽凝结成液相或固相时，液相或固相中不包含溶解的空气； (3) 空气的存在，不影响蒸汽与其凝聚相之间的相平衡。,湿空气是指干空气与水蒸气的混合物,*压力和温度,饱和蒸汽压ps 露点温度Td,1 绝对湿度 在一定温度下，湿空气中水蒸气的分压力愈高，其绝对湿度愈大。,*湿度,脚标“v”表示该参数属于水蒸气，“a”表示属于干空气，“s”表示是水蒸气的饱和参数，不加脚标的量表示属于整个湿空气,2 相对湿度 相对湿度的数值在0100%的范围内,干湿球温度计,1 应用干-湿球温度计是测定空气相对湿度或含湿量的较简便的方法 2 湿空气的湿球温度与绝热饱和温度数值很接近,4湿空气的焓 考虑到湿空气中水蒸气的质量经常变化的，而干空气的质量是稳定的，所以湿空气的比焓h是相对于单位质量的干空气而言的,3含湿量d,4湿空气的熵与比体积,*焓湿 图,一 定含湿量d，定蒸汽分压力pv，