工程热力学理想气体的热力性质及基本热力过程.ppt

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1、第三章 理想气体的热力性质及基本热力过程,第一篇 工程热力学,2,本章主要内容,理想气体及其状态方程式理想气体的比热容理想气体的混合物理想气体的基本热力过程,3,3-1 理想气体及其状态方程式,一、实际气体与理想气体 1.理想气体：是一种实际上并不存在的假想气体，气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。 2.实际气体：实际气体是真实气体，在工程使用范围内离液态较近，分子间作用力及分子本身体积不可忽略，热力性质复杂。如：火电厂中作为工质的水蒸气、制冷机中的氟里昂蒸汽、氨蒸汽等。,4,提出理想气体概念的意义,简化了物理模型，不仅可以定性分析气体某些热现象，而且可定量导出状态参

2、数间存在的简单函数关系。 下列情况下，可将实际气体视为理想气体：温度较高、压力较低、比体积较大，远离液态时。（理想气体是实际气体p0的极限情况）如：在常温、常压下，H2、O2、N2、CO2、CO、He及空气、燃气、烟气等均可作为理想气体处理，误差不超过百分之几。因此理想气体的提出具有重要的实用意义。,5,二、理想气体状态方程式,1.理想气体的状态方程式理想气体在任一平衡状态时，p、v、T之间的函数关系即理想气体状态方程式，或称克拉贝龙(Clapeyron)方程。,式中：Rg为气体常数（单位J/kgK），与气体所处的状态无关，随气体的种类不同而异。 p 的单位Pa；v 的单位m3/kg；T 的单

3、位K。,6,2.通用气体常数（也叫摩尔气体常数）R,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，不同气体的比体积是不同的。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，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：,式中：Vm=Mv 千摩尔体积（m3/kmol)； M 气体的千摩尔质量（kg/kmol)； R 通用气体常数，单位为J/(kmol.K),7,通用气体常数 R 的性质： 不仅与气体状态无关，与气体的种类也无关。,由标准状态（p0=1atm,t0=0）下，Vm0=22.4m3/kmol(根据阿伏伽德罗定律），可求出R的数

4、值：,各种物量单位之间的换算关系：,8,气体常数Rg与通用气体常数R的关系：,例：空气的气体常数为,9,不同物量下理想气体的状态方程式及应用,方程应用,m kg 理想气体,1 kg 理想气体,方程式,物 量,10,例题分析,例3-1（教材P31.习题1-5）,解：由 可得送风机出口的送风量（标态下）为,11,1.火电厂能量转换过程与三大主机：,复 习,2.热能动力装置的工作过程：,3.火电厂常用工质水蒸气：,12,4.热力学中两种常见热力系：,13,5.三个基本状态参数：,14,6.两个过程量功与热量：,15,3-2 理想气体的比热容,一、比热容的定义及单位 1.比热容定义,热容量：物体温度升

5、高1K（或1）所需的热量称为该物体的热容量，单位为J /K.,比热容：单位物量的物质温度升高1K（或1）所需的热量称为比热容，单位由物量单位决定。,16,2.比热容分类及单位,质量比热容：1kg物质的热容量，用c表示，单位为J/(kgK)；千摩尔比热容：1kmol物质的热容量，用Cm 表示，单位为J/(kmolK)；容积比热容：标准状态下1m3物质的热容量，用c表示，单位为J/(标准m3K).,三者之间的关系：,17,二、影响比热容的因素,1.过程特性对比热容的影响同一种气体在不同加热条件下，如在保持体积不变或压力不变的条件下加热，同样温度升高1K所需的热量是不同的。定容质量比热容（cv）：在

6、定容情况下，1kg气体温度升高1K所吸收的热量。定压质量比热容（cp）：在定压情况下，1kg气体温度升高1K所吸收的热量。,18,比较cp与cv的大小:,结论：cpcv,19,理想气体定压比热容与定容比热容的关系,迈耶公式：,令 ，称为比热比或绝热指数.,（适用于理想气体）,当比热容为定值时，为一常数，与组成气体的原子数有关。如： 单原子气体 =1.66； 双原子气体 =1.4； 多原子气体 =1.33.,20,2.温度对比热容的影响,实验和理论证明，不同气体的比热容要随温度的变化而变化，一般情况下，气体的比热容随温度的升高而升高，表达为多项式形式：,注意：不同的气体其变化的关系式和变化曲线不

7、一样；在温度不高时，其变化不大，可忽略温度对比热容的影响。,21,三、利用比热容计算热量的方法,根据比热容的定义式，可得：,当温度从t1变到t2所需的热量为：,为了简便，常使用气体的定值比热容和平均比热容来计算气体所吸收和放出的热量。,22,1.用定值比热容计算热量：,定值比热容概念：当精度要求不高时，可忽略温度对比热容的影响，取比热容为定值，称为定值比热容。对于理想气体，当温度较低时，凡分子中原子数目相同的气体，其千摩尔比热容相同且为定值，如下表3-1所示。这样定值质量比热容和定值容积比热容也可求出。,表3-1 理想气体的定值千摩尔比热容,23,对1kg（或标态下1m3）气体从T1变到T2所

8、需热量为:,对于m kg质量气体，所需热量为：,对于标准状态下V0 m3气体，所需热量为：,计算时注意：应根据加热条件来选用定压或定容比热容；应根据物量单位来选用质量比热容、容积比热容或摩尔比热容；在选用容积比热容时，应将体积换算为标态下的体积。,24,2.用平均比热容计算热量：,平均比热容：是指在一定温度范围内真实比热容的平均值，即一定温度范围内单位数量气体吸收或放出的热量与该温度差的比值。（温度很高时，比热容随温度变化较明显，常利用平均比热容来计算热量。）,25,对1kg气体从t1到t2的热量q等于0到t2的热量q2减去0到t1的热量q1，即,平均比热容计算热量,对于mkg质量气体，所需热

9、量为：,对于标态下V0m3气体，所需热量为：,26,例题分析,例3-2 用平均比热容计算将1kg空气从t1=150定压加热到360时所需的热量。,解：查附表1，得,用线性插值法，可算出,同理可求得,则,27,3-4 理想气体的混合物,如果混合气体中各组成气体都具有理想气体的性质，则整个混合气体也具有理想气体的性质，其状态参数间的关系也符合理想气体状态方程式，这样的混合气体称为理想混合气体。,如：空气（N2、O2、少量稀有气体） 烟气（CO2、CO、H2O、O2、N2、SO2等）,28,一、分压力和分容积的概念,(1)分压力：在与混合气体相同的温度下，各组成气体单独占有混合气体的容积时，给予容器

10、壁的压力。用pi表示。,(2)道尔顿分压力定律：理想混合气体的总压力等于各组成气体分压力之和。,1.分压力和分压力定律：,29,(1)分容积：使各组成气体保持与混合气体相同压力和温度的条件下，把各组成气体单独分离出来时，各组成气体所占有的容积。用Vi表示。,(2)亚美格分容积定律：理想混合气体的分容积之和等于混合气体的总容积。,2.分容积和分容积定律：,30,2.容积分数：混合气体中某组成气体的分容积Vi与混合气体总容积V的比值，称为该组成气体的容积成分。,3.摩尔分数：混合气体中各组成气体的摩尔数ni与混合气体总摩尔数n的比值，称为该组成气体的摩尔成分。,1.质量分数：混合气体中某组成气体的

11、质量mi与混合气体的总质量m的比值，称为该组成气体的质量成分。,二、理想气体混合物的成分,31,各成分之间的换算关系1）容积分数和摩尔分数相等：2）质量分数与容积分数的换算关系为：,分压力的确定,理想混合气体某组元的分压力：,在锅炉的热力计算中，常用此式来计算烟气中水蒸气的分压力。,32,三、平均千摩尔质量与平均气体常数,平均千摩尔质量：混合物的总质量与混合物总摩尔数的比。,平均气体常数：,33,理想气体的性质小结,（1）理想气体的状态方程式：,（2）理想气体的定压比热容和定容比热容的差值恒等于气体常数（即迈耶公式）：,（3）理想混合气体的成分表示方法有三种：wi、i和xi，其中i = xi

12、。,34,3-5 理想气体的基本热力过程,研究目的： 确定过程中工质状态变化的规律，以揭示能量转换关系，从而找到最有利的转换条件，以提高热力设备的经济性。,研究方法： 实际的不可逆过程理想的可逆过程 （忽略摩擦、散热等不可逆因素） 将实际过程中状态参数变化的特征加以抽象，概括成为具有简单规律的典型过程（如定压、定容、定温及绝热过程）,35,研究步骤：根据过程特点，列出过程方程式p=f(v)；建立基本状态参数间的关系式；在pv图、Ts图上绘出过程曲线；计算过程中的功和热量：q，w，wt。,主要公式：,36,一、定容过程,及,3.功量与热量的分析计算：,定容过程实质上是闭口系中热变功的准备过程,2

13、.基本状态参数间的关系式：,1.过程方程式： v = 定值,概念：定容过程是工质在变化过程中容积保持不变的热力过程。（如内燃机中的燃烧过程）,37,4.过程曲线：,1-2为定容加热过程，气体升温升压；2-1为定容放热过程，气体降温降压。,定容过程的p-v图及T-s图,p-v图上定容线为一条垂直于v坐标轴的直线；T-s图上定容线为一条斜率为正的指数曲线。,38,二、定压过程,及,3.功量与热量的分析计算：,定压过程中加给工质的热量等于工质焓的增加,2.基本状态参数间的关系式：,1.过程方程式： p = 定值,概念：压力保持不变时工质状态发生变化所经历的过程。（如电厂中各种换热器中的加热或冷却过程

14、）,39,4.过程曲线：,1-2为定压加热过程，气体升温膨胀；2-1为定压放热过程，气体降温压缩。,定压过程的p-v图及T-s图,p-v图上定压线为一条平行于v坐标轴的直线；T-s图上定压线为一条斜率为正的指数曲线。（注意：在T-s图中，通过同一状态点的定容线较定压线陡峭！）,40,三、定温过程,及,3.功量与热量的分析计算：,定温过程中工质吸收的热量全部转换为功,2.基本状态参数间的关系式：,1.过程方程式：pv = 定值（T=定值）,概念：工质在变化过程中温度保持不变的热力过程。（如活塞式压气机中冷却条件较好的压缩过程）,41,4.过程曲线：,1-2为定温加热过程，气体吸热膨胀；2-1为定

15、温放热过程，气体放热压缩。,定温过程的p-v图及T-s图,p-v图上定温线为一条等轴双曲线；T-s图上定温线为一条平行于s坐标轴的直线。,42,四、绝热过程,概念：工质与外界没有热交换的热力过程为绝热过程。（如电厂汽轮机中蒸汽的膨胀过程、泵与风机中对工质的压缩过程都可近似看作绝热过程）,可见，工质绝热膨胀时，比体积增大，压力降低，温度降低,2.基本状态参数间的关系式：,1.过程方程式：,单原子气体：k =1.66双原子气体：k =1.4多原子气体：k =1.33,43,3.功量与热量的分析计算：,上述各式表明，在绝热膨胀过程中，工质对外做的膨胀功等于工质热力学能的减少，对外做的技术功等于工质焓的减少。（热能机械能）,44,4.过程曲线,绝热过程在p-v图中为一条不等轴双曲线，比通过同一状态点的定温过程线陡峭；在T-s图中绝热线为一条垂直于s轴的直线。（注意：只有可逆的绝热过程才是定熵过程！）,1-2为定熵膨胀过程，气体降温降压；2-1为定熵压缩过程，气体升温升压。,绝热过程的p-v图及T-s图,45,不可逆绝热过程,不可逆绝热过程在T-s图上表示：,可见，不可逆绝热过程的熵变大于零。因此，绝热过程并不都是定熵过程。,1-2：可逆绝热过程；1-2：不可逆绝热过程。,