工程熱力學(xué)第三章氣體和蒸氣的性質(zhì)

1第三章氣體和蒸氣的性質(zhì)Propertiesofgasandvapor3-1理想氣體3-2理想氣體的比熱容3-3理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵3-4飽和狀態(tài)、飽和溫度和飽和壓力3-5水的定壓加熱汽化過程3-6水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)3-7水蒸氣圖表和圖3-1理想氣體2分子為不占體積的彈性質(zhì)點除碰撞外分子間無作用力理想氣體是實際氣體在低壓高溫時的抽象。一、理想氣體(perfectgasoridealgas)的基本假設(shè)Pam3kg氣體常數(shù),單位為J/(kg·K)KR=MRg=8.3145J/(mol·K)二、理想氣體的狀態(tài)方程(ideal-gasequation)3

考察按理想氣體狀態(tài)方程求得的空氣在表列溫度、壓力條件下的比體積v，并與實測值比較?？諝鈿怏w常數(shù)Rg=287.06J/(kg·K)計算依據(jù)相對誤差=4（1）溫度較高，隨壓力增大，誤差增大;（2）雖壓力較高，當(dāng)溫度較高時誤差還不大，但溫度較低，則誤差極大;（3）壓力低時，即使溫度較低誤差也較小。本例說明：低溫高壓時，應(yīng)用理想氣體假設(shè)有較大誤差。例A411133討論理想氣體狀態(tài)方程式53–2理想氣體的比熱容一、比熱容(specificheat)定義和分類定義：c與過程有關(guān)c是溫度的函數(shù)分類：按物量質(zhì)量熱容（比熱容）cJ/(kg·K)(specificheatcapacityperunitofmass)體積熱容C'J/（Nm3·K）(volumetricspecificheatcapacity)摩爾熱容CmJ/（mol·K）(molespecificheatcapacity)注：Nm3為非法定表示法，標(biāo)準(zhǔn)表示法為“標(biāo)準(zhǔn)m3”。6按過程質(zhì)量定壓熱容（比定壓熱容）(constantpressurespecificheatcapacityperunitofmass)質(zhì)量定容熱容（比定容熱容）(constantvolumespecificheatcapacityperunitofmass)及二、理想氣體比定壓熱容，比定容熱容和邁耶公式1.比熱容一般表達式72.cV定容過程

dv=0若為理想氣體溫度的函數(shù)代入式（A）得比熱容的一般表達式83.cp據(jù)一般表達式若為理想氣體cp是溫度函數(shù)94.cp-cV邁耶公式（Mayer’sformula）5.討論1)cp與cV均為溫度函數(shù),但cp–cV恒為常數(shù)：Rg102)(理想氣體)cp恒大于cV物理解釋:11定容0定壓b與c溫度相同，，均為(T+1)K而12c)氣體常數(shù)Rg的物理意義義Rg是1kg某種理想氣氣體定壓升升高1K對外作的功功。三、理想氣氣體的比熱熱容比(specificheatratio；ratioofspecificheatcapacity)注：理想氣氣體可逆絕絕熱過程的的絕熱指數(shù)數(shù)(adiabaticexponent;isentropicexponent)例A90235513三、利用比比熱容計算算熱量原理:對cn作不同的技技術(shù)處理可可得精度不不同的熱量量計算方法法:真實比熱容容積分利用平均比比熱表利用平均比比熱直線定值比熱容容141.利用真實比比熱容(truespecificheatcapacity)積分2.利用平均比比熱容表(meanspecificheatcapacity)T1,T2均為變量,制表太繁復(fù)復(fù)=面積amoda-面積bnodb附表415而由此可制作作出平均比比熱容表附表516附:線性插值173.平均比熱直直線式令cn=a+bt,則即為區(qū)間的平均均比熱直線線式1)t的系數(shù)已除除過22)t需用t1+t2代入注意:附表6184.定值比熱容容(invariablespecificheatcapacity)據(jù)氣體分子子運動理論論，可導(dǎo)出出多原子誤差差更大19單原子氣體體i=3雙原子氣體體i=5多原子氣體體i=6203–3理想氣體熱熱力學(xué)能、、焓和熵1.理想氣體熱熱力學(xué)能和和焓僅是溫度的函數(shù)2)一、理想氣氣體的熱力力學(xué)能和焓焓1)因理想氣體體分子間無無作用力21討論：如圖：0022若為任意工工質(zhì)??對于理想氣體一切同溫限限之間的過過程Δu及Δh相同,且均可用cVΔT及cpΔT計算;對于實際氣體Δu及Δh不僅與ΔT有關(guān),還與過程有有關(guān)且只有有定容過程程Δu=cVΔT,定壓過程Δh=cpΔT。2.熱力學(xué)能和和焓零點的的規(guī)定可任取參考考點,令其熱力學(xué)學(xué)能為零,但通常取0K。23二、利用氣氣體熱力性性質(zhì)表計算算熱量例A411197附表7例A41327724三、理想氣體的的熵(entropy)1.定義2.理想氣體的的熵是狀態(tài)態(tài)參數(shù)25定比熱263.零點規(guī)定:通常取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的熵熵為零4.理想氣體變變比熱熵差差計算令則制成表則附表7例A9101331例A4111551例A4111552273–4飽和狀態(tài)、、飽和溫度度和飽和壓壓力一、汽化和液化化(vaporizationandliquefaction)汽化：由液態(tài)到氣氣態(tài)的過程程蒸發(fā)發(fā)：在液液體體表表面面進進行行的的汽汽化化過過程程液化化：由氣氣相相到到液液相相的的過過程程沸騰騰：在液液體體表表面面及及內(nèi)內(nèi)部部進進行行的強強烈烈汽汽化化過過程程。。28二、、飽和和狀狀態(tài)態(tài)(Saturatedstate)當(dāng)汽汽化化速速度度=液化化速速度度時時，，系系統(tǒng)統(tǒng)處于于動態(tài)態(tài)平平衡衡，宏宏觀觀上上氣氣、、液液兩兩相相保持持一一定定的的相相對對數(shù)數(shù)量量—飽和和狀狀態(tài)態(tài)。飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的溫溫度度—飽和和溫溫度度，ts(Ts)(Saturatedtemperature)飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的壓壓力力—飽和和壓壓力力，ps（Saturatedpressure）加熱熱，，使使溫溫度度升升高高如如t'，保保持持定定值，，系系統(tǒng)統(tǒng)建建立立新新的的動動態(tài)態(tài)平平衡衡。。與與之之對應(yīng)應(yīng)，，p變成成ps'。所以以一一一對對應(yīng)應(yīng)，只只有有一一個個獨獨立立變變量量，，即即如29t/℃02050100120150p/MPa0.00061120.00233850.01234460.10133250.1984830.4757130三、、幾幾個個名名詞詞飽和和液液(saturatedliquid)—處于于飽飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的液液體體：t=ts干飽飽和和蒸蒸汽汽(dry-saturatedvapor;dryvapor)—處于于飽飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的蒸蒸汽汽：t=ts未飽飽和和液液(unsaturatedliquid)—溫度度低低于于所所處處壓壓力力下下飽飽和和溫溫度度的的液液體體：t<ts過熱熱蒸蒸汽汽(superheatedvapor)—溫度度高高于于飽飽和和溫溫度度的的蒸蒸汽汽：t>ts,t–ts=d稱過過熱度度(degreeofsuperheat)。濕飽飽和和蒸蒸汽汽(wet-saturatedvapor;wetvapor)—飽和和液液和和干干飽飽和和蒸蒸汽汽的的混混合合物物：t=ts使未未飽飽和和液液達達飽飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的途途徑徑：：31干度度（（dryness）（濕度度y=1–x）x01飽和和液液濕飽飽和和蒸蒸汽汽干飽飽和和蒸蒸汽汽定義義：：濕濕蒸蒸汽汽中中干干飽飽和和蒸蒸汽汽的的質(zhì)質(zhì)量量分分?jǐn)?shù)數(shù)，，用用w或x表示示。。32四、、飽飽和和狀狀態(tài)態(tài)壓壓力力和和溫溫度度的的關(guān)關(guān)系系1.吉布布斯斯相相律律對于于多多元元（（如如k個組組元元））多多相相（（如如f個相相））元元化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)的的熱熱力力系系，，其其獨獨立立參參數(shù)數(shù)，，即即自自由由度度n=k––f+2例：：水水在在液液相相（（或或固固相相、、氣氣相相））k=1，F(xiàn)=1，故故n=1-1+2，此此時時壓壓力力，，溫溫度度均均可可獨立立變變化化。。水水在在汽汽液液共共存存時時k=1，f=2，故n=1，此此時時壓壓力力和和溫溫度度中中僅僅有有一一個個可可自由由變變化化。。三三相相點點：：k=1，f=3故n=0水的三相相點(triplepint)：?332.克拉貝隆方程分別為汽汽化潛熱熱(heatofvaporization)、熔解熱(heatoffusion)和升華熱熱(heatofsublimation)。分析：1）因γ、λ、σ為“+”；T為“+”；故相平平衡線斜率正負(fù)負(fù)由體積積差決定定；2）三相點點處不光光滑。34預(yù)熱汽化過熱t(yī)<tst=tst=tst=tst>ts3–5水定壓加加熱汽化化過程一、水定定壓加熱熱汽化過過程35二、水定定壓加熱熱汽化過過程的p-v圖及T-s圖一點臨界點Criticalpoint兩線上界限線線下界限線線三區(qū)液汽液共存存汽五態(tài)未飽和水水飽和水濕蒸汽干飽和蒸蒸汽過熱蒸汽汽36各種工質(zhì)質(zhì)均具有有類似水水的性質(zhì)質(zhì)373–6水和水蒸蒸氣狀態(tài)態(tài)參數(shù)●水和水蒸蒸氣的狀狀態(tài)參數(shù)數(shù)可按不同區(qū)區(qū)域，由由給出的的獨立狀狀態(tài)參數(shù)通通過實際際氣體狀狀態(tài)方程程及其他一一般關(guān)系系式計算算（通常常由計算機機計算））或查圖圖表確定定。●在動力工工程中水水蒸氣不不宜利用理理想氣體體性質(zhì)計計算38一、零點點規(guī)定規(guī)定：三三相點液液態(tài)水熱力學(xué)能能及熵為為零可近似為為零39二、未飽飽和水（（t，p）●查圖表或或由專用用程序計計算三、飽飽和水和和飽和水水蒸氣(ps和ts)查圖表或或由專用用程序計計算●壓力不太太高時，，可近似似四、過過熱蒸汽汽（p，t）注意：過熱蒸汽汽不可用用類似未未飽和水的近似似式，因因cp變化復(fù)雜雜。查圖表或或由專用用程序計計算。40五、濕濕飽和蒸蒸汽由ts（或ps）與x共同確定定：x較大時未飽和水水過熱蒸汽汽濕飽和蒸蒸汽413–7水蒸氣表表和圖一、水水蒸氣表表1.飽和水和和干飽和和蒸汽表表422.未飽和水水和過熱熱蒸汽表表p0.001MPa0.005MPa0.01MPa飽和參數(shù)ts=6.949℃v’=0.0010001,v”=129.185h’=29.21,h”=2513.3s’=0.1056,s”=8.9735ts=32.879℃v’=0.0010053,v”=28.191h’=137.72,h”=2560.6s’=0.4761,s”=8.3930ts=45.799℃v’=0.0010103,v”=14.673h’=191.76,h”=2583.7s’=0.6490,s”=8.1481tvhsvhsvhs℃m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)00.0010002-0.05-0.00020.00100020.0010003-0.05-0.00020.0010002-0.04-0.000210130.5982519.08.993842.010.15100.001000342.010.151020135.2262537.79.05880.001001883.870.29630.001001883.870.296340144.4752575.29.182328.8542574.08.43660.001009167.510.572350149.0962593.99.241229.7832592.98.496114.8692591.88.173260153.7172612.79.298430.7122611.88.553715.3362610.88.231380162.9562650.39.408032.5662649.78.663916.2682648.98.3422100172.1922688.09.512034.4182687.58.768217.1962686.98.4471120181.4262725.99.610936.2692725.58.867418.1242725.18.546643二、水水蒸氣的的焓—熵（h-s）圖●水蒸氣的t–s圖44●焓熵圖斜率定壓線定溫線定容線定干度線線45461）定壓線線群濕蒸汽區(qū)區(qū)，T=Ts，直線過熱蒸汽汽區(qū)，斜斜率隨T增大而增大大0472）定溫線線群濕蒸汽區(qū)區(qū)：直線，與與等壓線線重合過熱蒸汽汽區(qū)：等溫線較較等壓線線平坦，，低壓時趨趨于水平平。體積膨脹脹系數(shù)483）等容線線群4）等干度度線等容線比比等壓線線陡等熵條件件493–8水和水蒸蒸氣熱力力性質(zhì)程程序簡介介目前，多多數(shù)軟件件采用IFC公式，適適用范圍圍：273.16~1073.15K；0~100MPa；將整個個區(qū)域分分成6個子區(qū)域域，用不不同的公公式描述述，它們們的邊界界線也用用不同的的函數(shù)表表達。501997年,國際水水和蒸蒸汽性性質(zhì)協(xié)協(xié)會（（IAPWS）推出出IAPWS-IF97作為水和水水蒸汽汽熱力力學(xué)性性質(zhì)的的國際際工業(yè)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，適適用范范圍為為：273.15K≤T≤1073.15K，p≤100MPa；1073.15K＜T≤2273.15Kp≤10MPa。IAPWS-IF97將此有有效范范圍分分為5個計算算子區(qū)區(qū)域：：1—未飽和和水區(qū)區(qū)，2—過熱蒸蒸汽區(qū)區(qū)，3—臨界水水和臨臨界蒸蒸汽區(qū)區(qū)，4—飽和區(qū)，，5—超高溫溫（過過熱））蒸汽汽區(qū)。。嚴(yán)家騄騄教授授推算算出統(tǒng)統(tǒng)一公公式，，滿足足新骨骨架表表的要要求。。張喻研研究員員研制制了科科學(xué)研研究用用水和和水蒸蒸氣熱熱力性性質(zhì)程程序。。9、靜夜夜四無無鄰，，荒居居舊業(yè)業(yè)貧。。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。14:50:3114:50:3114:501/6/20232:50:31PM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。1月-2314:50:3114:50Jan-2306-Jan-2312、故人江海海別，幾度度隔山川。。。14:50:3114:50:3114:50Friday,January6,202313、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。1月-231月-2314:50:3114:50:31January6,202314、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。06一一月月20232:50:31下下午14:50:311月-2315、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。一月232:50下午午1月-2314:50January6,202316、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2023/1/614:50:3114:50:3106January202317、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。2:50:31下午午2:50下午午14:50:311月-239、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時時停停止止成成功功??！。。1月月-231月月-23Friday,January6,202310、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結(jié)結(jié)果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。14:50:3114:50:3114:501/6/20232:50:31PM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。1月-2314:50:3114:50Jan-2306-Jan-2312、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。14:50:3114:50:3114:50Friday,January6,202313、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。1月月-231月月-2314:50:3114:50:31January6,202314、意志志堅強強的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥塊一一樣任任意揉揉捏。。06一一月月20232:50:31下下午14:50:311月-2315、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。一月月232:50下下午午1月月-2314:50January6,202316、