氣體的基本狀態(tài)參數(shù)

1、氣體的基本狀態(tài)參數(shù)第1頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 氣體的基本狀態(tài)參數(shù) 氣體狀態(tài)參數(shù)的特性 介紹氣體基本狀態(tài)參數(shù)及其特性 氣體基本狀態(tài)參數(shù) 狀態(tài)參數(shù)的特性 2/4第2頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 一、比容、密度和重度 單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的體積，叫做比容，以符號(hào)表示，若質(zhì)量為m的物質(zhì)占有的體積為V，則其比容為 單位體積內(nèi)含有物質(zhì)的質(zhì)量，叫做密度，以符號(hào)表示。若質(zhì)量為m(kg)的物質(zhì)占有的體積為V(m )，則其密度為 14 氣體的基本狀態(tài)參數(shù)第3頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四根據(jù)比容及密度的定義式，可知比容和密度互

2、為倒數(shù)。即由于密度的大小說明物質(zhì)分子的密集和松散程度，因此比容的大小也是說明氣體分子的疏密程度。第4頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 單位體積內(nèi)含有物質(zhì)的重量，叫做重度，以符號(hào)表示。質(zhì)量為m(kg)的物質(zhì)其重量為mg，若其占有的體積為V，則其重度為 =比容、密度和重度都是說明物質(zhì)在某一狀態(tài)的分子疏密程度，所以它們實(shí)質(zhì)上是一個(gè)說明、物質(zhì)物理性質(zhì)的參數(shù)。三者的關(guān)系為 第5頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四例 容積為60L的氧氣瓶內(nèi)，盛氧氣0.8KG，求氧氣的比容和重度。 解：因?yàn)?故 那么 v = = =0.075 m3 那么 = = =130.8N/

3、 m 第6頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四例 空氣在某一狀態(tài)下的重度為 ，求它的比容和密度。已知重力加速度 。解：第7頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四二、壓力或壓強(qiáng) 1、壓力的定義垂直作用在單位面積上的力，叫做壓力或壓強(qiáng)，以符號(hào)P表示。氣體的壓力乃是氣體分于作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)頻繁地撞擊容器內(nèi)壁的平均總結(jié)果。2、氣體壓力氣體的分子運(yùn)動(dòng)論指出氣體作用于容器壁上的壓力為 P= n 第8頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四式中 P 力； n分子濃度，即單位容積的分子數(shù)； 分子的平均移動(dòng)動(dòng)能； m 分子的質(zhì)量； 分子的均方根移動(dòng)速度，由下式

4、求得 = = 其中 ， 表示各個(gè)分子的移動(dòng)速度 第9頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 上式說明氣體的壓力在數(shù)值上等于單位容積內(nèi)氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能的三分之二。 若氣體作用于器壁面積A上的垂直作用力為F，則該壁面上的壓力為 P=第10頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四3、幾個(gè)壓力單位的換算壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕，以符號(hào)Pa表示，采用帕(Pa)作為壓力的單位，在工程實(shí)用上顯得太小，而數(shù)值太大，所以實(shí)際上采用千帕(KPa)或兆帕(MPa)作為壓力的實(shí)用單位，它們與帕(Pa)的關(guān)系為此外，暫時(shí)與國際單位制壓力單位并用的壓力單位還有：巴(bar) 1ba

5、r=10 Pa=01MPa第11頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 4、液柱高度壓力的大小有時(shí)用汞柱或水柱的高度表示。如圖(113)所示，設(shè)液注的截面積為A，高度為Z，液體的密度為，則作用于底面積A上的總作用力F應(yīng)為該液柱的重量，即則由于液體的密度為定值，所以液柱的高度與壓力成正比，因此用液柱的高度就可以代表壓力的大小。第12頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四5、物理大氣壓或標(biāo)準(zhǔn)大氣壓它是在緯度為45，大氣溫度為0的海平面上的大氣常年平均壓力，通過氣壓計(jì)測(cè)定1個(gè)物理大氣壓為760毫米汞柱高，即 1 atm = 760mmHg 若把物理大氣壓換算成SI

6、制中常用的單位，即得 1atm=760133.32=101325Nm =1.01325bar第13頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四6、工程大氣壓或大氣壓 工程制中力的單位為千克，面積的單位為平方米，于是壓力的單位是千克每平方米( )。在工程實(shí)用上這個(gè)單位亦顯得太小，所以取千克每平方厘米（ ）作為實(shí)際應(yīng)用的單位，顯而易見 1 =101at =0.98bar=735.6mmHg=0.968atm第14頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四7、液柱高度表示的壓力在熱力學(xué)中描寫氣體的狀態(tài)時(shí)，壓力應(yīng)是氣體的真實(shí)壓力或絕對(duì)壓力；它的數(shù)值不能用測(cè)量儀表直接測(cè)得，而是

7、根據(jù)力學(xué)平衡的概念利用氣壓計(jì)與壓力表或U形管兩者綜合求得。如果氣體的絕對(duì)壓力 P 高于大氣壓力，如圖114a所示，則 P = B + P 式中 B氣壓計(jì)測(cè)出的當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?；?5頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四L用液柱測(cè)出或用彈簧管式的壓力表測(cè)出：它是容器內(nèi)的氣體壓力高于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ臄?shù)值，所以叫做表壓力或超出壓力，在圖114a中， 如果氣體的絕對(duì)壓力P由低于大氣壓力，如圖114b所示，則 式中 B氣壓計(jì)測(cè)出的當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ?用液柱測(cè)或儀表測(cè)出的氣體壓力；第16頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 是容器內(nèi)的壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ臄?shù)值，其值越大，則氣

8、體的絕對(duì)壓力越小，亦即越接近真空，所以 叫為真空度，測(cè)定真空度的儀表叫做真空表。在圖114b中 上述的 ，B， ， ，的關(guān)系可用圖115表示。 第17頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四在某一確定的狀態(tài)下，氣體的絕對(duì)壓力保持不變，但是由于外界環(huán)境的變化，例如氣候的突變，氣壓計(jì)的讀數(shù)將發(fā)生變化，因此 亦將發(fā)生變化；所以 不是單值地與此確定狀態(tài)對(duì)應(yīng)，因而它不是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，這可由圖116看出。第18頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四例 用U形管測(cè)出某實(shí)驗(yàn)設(shè)備的出口壓力是05mHg,而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣壓計(jì)讀數(shù)為750mmHg，求該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的出口絕對(duì)壓力是多少?

9、解： 利用式(1113)得實(shí)驗(yàn)設(shè)備的出口絕對(duì)壓力是 =750+0.51000=1250mmHg =1250133.3=1.66710 Pa=1.67bar第19頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四例114，氧氣瓶上安裝的壓力表指示的壓力為47.5bar，這時(shí)氣壓計(jì)上的讀數(shù)為755mmHg,求瓶內(nèi)氧氣韻絕對(duì)壓力是多少? 解： 氣壓計(jì)上的讀數(shù)755mmHg換算為 =1.007bar1bar 代人式(1113)得氧氣瓶內(nèi)的絕對(duì)壓力為P =1.007+47.5=48.50748.5bar第20頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 三、溫度 熱力學(xué)第零定律 溫度表

10、示物質(zhì)冷熱的程度。兩個(gè)溫度不同的物體相接觸，高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高，兩者之間有熱的傳遞，經(jīng)過一段時(shí)間后，兩者的溫度相等，它們之間沒有熱量的傳遞，達(dá)到一個(gè)共同的熱平衡狀態(tài)。溫度概念的建立以及溫度的測(cè)定都是以熱平衡為依據(jù)的。由經(jīng)驗(yàn)可知，若某物體（例如溫度計(jì)）分別與其它兩個(gè)物體處于熱平衡時(shí)（或溫度相等時(shí)），則這兩個(gè)物體彼此也處于熱平衡，即它們的溫度也必定相等這就是熱力學(xué)第零定律。第21頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四分子運(yùn)動(dòng)論把溫度和氣體分子的平均移動(dòng)動(dòng)能聯(lián)系起來，它們之間具有如下的簡單正比關(guān)系 =CT （1115） 式中 T熱力學(xué)溫度； C比例數(shù)，對(duì)任何氣體

11、都是同一數(shù)值； 分子的平均移動(dòng)動(dòng)能。第22頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四從式（1115）可見，溫度的高低表示氣體分子的平均移動(dòng)動(dòng)能的大小，兩個(gè)溫度不等的物體相接觸，通過接觸面上分子的互相碰撞。溫度較高的物體，即分子平均移動(dòng)動(dòng)能較大的物體將部分能量傳給溫度較低的，即分子平均移動(dòng)動(dòng)能較小的物體，直到兩物體的平均移動(dòng)動(dòng)能相等時(shí)為止，亦即兩個(gè)物體的溫度相等，到達(dá)了熱平衡的狀態(tài)。 第23頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四溫度的高低使物體的體積、飽和蒸氣壓、氣態(tài)物質(zhì)在定容下的壓力或在定壓下的容積、電阻、接觸電動(dòng)勢(shì)等發(fā)生變化。因此，利用物質(zhì)的某一個(gè)隨冷熱程度有

12、顯著變化的物理量作為建立溫度計(jì)的標(biāo)志。例如，水銀溫度計(jì)就是利用水銀柱體體積與溫度的關(guān)系，電阻溫度計(jì)就是利用金屬絲的電阻與溫度的關(guān)系來決定溫度的高低。 第24頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四溫度的數(shù)值表示法叫做溫標(biāo)。過去老的攝氏溫標(biāo)規(guī)定在一個(gè)物理大氣壓純水結(jié)冰的溫度為0，沸騰的溫度為100，其間的溫度數(shù)值是按溫度與物質(zhì)物里量的線性函數(shù)確定的。由于溫度計(jì)中所選的測(cè)溫物質(zhì)不同，作為溫度標(biāo)志的物理量不同，切定的溫標(biāo)除在冰點(diǎn)與沸點(diǎn)相同外，其它溫度往往有較小的差別。為了避免這些差異提高溫度測(cè)量的精確度，1960年第十一次國際計(jì)量大會(huì)上通過的熱力學(xué)溫標(biāo)又名絕對(duì)溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)，它完全

13、不依賴于任何測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)。 第25頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四這種熱力學(xué)溫標(biāo)用符號(hào)T表示；其單位為開爾文或簡稱為開，用符號(hào)K表示。熱力學(xué)溫標(biāo)是取水的三相點(diǎn)的溫度作為單一固定點(diǎn)，并規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16K，而熱力學(xué)溫度單位開爾文為水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16。所謂水三相點(diǎn)溫度的是指水的固、液、氣三態(tài)共存，并處于平衡狀態(tài)時(shí)的溫度。水的三相點(diǎn)溫度比水的冰點(diǎn)溫度高0.01K，所以水的冰點(diǎn)溫度在熱力學(xué)溫標(biāo)中為273.15K。 第26頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四在攝氏溫標(biāo)中，水的冰點(diǎn)溫度為0C，而攝氏溫標(biāo)用符號(hào)t表示，采取熱力學(xué)溫標(biāo)相

14、同的間隔，因此，熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)具有如下關(guān)系： t = T273.15 或 T = 273.15+ t 273+t這是1960年第十一次國際計(jì)量大會(huì)對(duì)攝氏溫標(biāo)所給予新的定義，它是從熱力學(xué)溫標(biāo)換算出來的，并且應(yīng)該給以全名為熱力學(xué)攝氏溫標(biāo)。第27頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四選取水的三相點(diǎn)作為參考點(diǎn)比選水的冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)的好處有二：一是實(shí)驗(yàn)裝置中三相點(diǎn)的溫度比較容易穩(wěn)定，可長期維持在萬分之一度內(nèi)不變；二是三相點(diǎn)不牽涉到外界條件，如大氣壓等。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四15 氣體狀態(tài)參數(shù)的特性一、狀態(tài)參數(shù)的單值性前述的三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)描

15、述了在某一瞬時(shí)體系所處的狀態(tài)，也就是說，體系處于平衡狀態(tài)時(shí)，才可以用這些狀態(tài)參數(shù)來表示，而且某一參數(shù)只能有一個(gè)數(shù)值，不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)值，所以狀態(tài)參數(shù)的本身就說明了狀態(tài)的單值性，這不僅對(duì)比容、壓力和溫度三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)適用，而且對(duì)以后要介紹的內(nèi)能、焓和熵等狀態(tài)參數(shù)也適用。第29頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 狀態(tài)參數(shù)的單值性，就是體系的熱力學(xué)狀態(tài)一經(jīng)確定，則狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值即隨之確定，而與熱力學(xué)體系如何過渡到這一狀態(tài)的變化過程無關(guān)。確定狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)叫做點(diǎn)函數(shù)，它具有以下的數(shù)學(xué)特征。 第30頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四在任意變化過程中

16、，熱力學(xué)體系從狀態(tài)1過渡到狀態(tài)2時(shí)，狀態(tài)參數(shù)的變化量，永遠(yuǎn)等于其起始狀態(tài)下的和終了狀態(tài)下的此狀態(tài)參數(shù)的差值，而與過渡的方式無關(guān)，即 式中 Z任意狀態(tài)參數(shù)。第31頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四當(dāng)熱力學(xué)體系自起始狀態(tài)經(jīng)歷一個(gè)變化過程，最后又回到起始狀態(tài)，即完成一個(gè)封閉的變化過程，此時(shí)，狀態(tài)參數(shù)的變化量為0，即 由上所述，可見狀態(tài)函數(shù)的微分應(yīng)為全微分。狀態(tài)參數(shù)的本身雖然具有單值性，但是，各個(gè)狀態(tài)參數(shù)之間，并不都是互不相關(guān)的參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)和理論證明，在沒有化學(xué)反應(yīng)的工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，基本狀態(tài)參數(shù)了維持一定的函數(shù)關(guān)系，即第32頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期

17、四 這個(gè)關(guān)系式叫做氣體的狀態(tài)方程式或特性方程式，它的具體形式取決于氣體的性質(zhì)。此狀態(tài)方程式在 直角坐標(biāo)系上表示為一個(gè)曲面，叫做熱力學(xué)面。給定三個(gè)參數(shù)中任何一個(gè)參數(shù)的數(shù)值時(shí)，則可得到其它兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系，它表示在熱力學(xué)面上是一根曲線，若再給第二個(gè)參數(shù)的數(shù)值，則將確定第三個(gè)參數(shù)的數(shù)值；它表示在熱力學(xué)面上是一個(gè)點(diǎn)這表明了體系處于某一平衡狀態(tài)。 由于兩個(gè)參數(shù)決定了氣體的狀態(tài)，所以熱力學(xué)中廣泛采用平面坐標(biāo)圖描寫一定的狀態(tài)。經(jīng)常用壓容圖表示。第33頁，共38頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)52分，星期四 二、強(qiáng)度量和廣延量熱力學(xué)中所有物理量可以分為兩類：一類是代表熱力學(xué)體系的內(nèi)在性質(zhì)，與該體系的總質(zhì)量無關(guān)的物理量，叫強(qiáng)度量。另一類是代表熱力學(xué)體系的外延