華電熱力學(xué)第六章

工程熱力學(xué)課件華北電力大學(xué)（北京）動力工程系工程熱物理教研室制作2004年8月

第六章

實(shí)際氣體性質(zhì)及熱力學(xué)一般關(guān)系式§6–1理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體偏差理想氣體實(shí)際氣體壓縮因子Z>1

壓縮性小=1

<1壓縮性大氫不同溫度時壓縮因子與壓力關(guān)系

反應(yīng)實(shí)際氣體與理想氣體偏離程度偏離原因:

理想氣體不考慮分子體積及相互間作用力實(shí)際氣體

分子之間既存在引力，又有斥力，分子本身也占據(jù)一定體積§6–2范德瓦爾方程和R-K方程一.范德瓦爾方程a,b—物性常數(shù)內(nèi)壓力氣態(tài)物質(zhì)較小；

液態(tài)，較大

Vm–b—分子自由活動的空間范.德瓦爾狀態(tài)方程定性分析

在（p,T）下，v有三個根一個實(shí)根，兩個虛根范.德瓦爾方程三個不等實(shí)根三個相等實(shí)根G，H連線上界限線飽和蒸汽線E，F(xiàn)連線下界限線飽和液體線C點(diǎn)為臨界點(diǎn)

等溫線無直線段壓力再高，氣體不能液化。

該點(diǎn)既是駐點(diǎn)又是拐點(diǎn)

范氏方程：

1）定性反映氣體

p-v-T關(guān)系；

2）遠(yuǎn)離液態(tài)時，即使壓力較高，計算值與實(shí)驗值誤差

較小。在接近液態(tài)時，誤差較大，如CO2常溫下5MPa時誤差約4%，100MPa時誤差35%；范德瓦爾常數(shù)a，b求法

1）利用p、v、T實(shí)測數(shù)據(jù)擬合;

2）利用通過臨界點(diǎn)c的等溫線性質(zhì)求取:臨界點(diǎn)p、v、T值滿足范氏方程表6-1

臨界參數(shù)及a、b值二、R-K方程（Redlich和Kwong)a,b—物性常數(shù)

1）由p，v，T實(shí)驗數(shù)據(jù)擬合；

2）由臨界參數(shù)求取三.多常數(shù)方程

1.B-W-R方程2.M-H方程§6-3維里（Virial）方程

1901年，卡.昂尼斯（K.Onnes）提出形式的狀態(tài)方程拉丁文“力”主要思想考慮分子間作用力或或特點(diǎn)：

1）用統(tǒng)計力學(xué)方法能導(dǎo)出維里系數(shù)；

2）維里系數(shù)有明確物理意義；如第二維里系數(shù)表示

二個分子間相互作用；

3）有很大適用性，或取不同項

數(shù)，可滿足不同精度要求。例：R134a的維里型對比態(tài)方程§6–4

對應(yīng)態(tài)原理與通用壓縮因子圖一.對應(yīng)態(tài)原理代入范氏方程：可導(dǎo)得范德瓦爾對比態(tài)方程對比參數(shù):把對比參數(shù)

及討論：

1）對比態(tài)方程中沒有物性常數(shù)，所以是通用方程；

2）從對比態(tài)方程中可得出

對應(yīng)態(tài)原理：

f(pr,Tr,vr)=0

相同的p，T下，不同氣體的v不同，相同的pr，Tr下，不同氣體的vr相同，即各種氣體在對應(yīng)狀態(tài)下有相同的比體積。二.通用壓縮因子和通用壓縮因子圖

2.通用壓縮因子圖若取Zc為常數(shù)？，則1.壓縮因子圖N2的壓縮因子圖通用壓縮因子圖22

低壓區(qū)中壓區(qū)高壓區(qū)§6–5麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)理想氣體實(shí)際氣體

氣體的u，h，s等參數(shù)無法直接測量，實(shí)際氣體的u，h，s也不能利用理想氣體的簡單關(guān)系，通常需依據(jù)熱力學(xué)第一，第二定律建立這些參數(shù)與可測參數(shù)的微分關(guān)系求解。一.全微分條件和循環(huán)關(guān)系

1.全微分判據(jù)

設(shè)則2.循環(huán)關(guān)系

若dZ=0，則3.鏈?zhǔn)疥P(guān)系

若x，y，z，w中有

兩個獨(dú)立變量，則同理：將(b)代入(a)令dw=0（a)（b)

1.亥姆霍茲函數(shù)F（比亥姆霍茲函數(shù)

f）—又稱自由能

a）定義：F=U–TS；f=u–Ts

b）因U，T，S均為狀態(tài)參數(shù)，所以F也是狀態(tài)參數(shù)

c）單位J

（

kJ）

d）物理意義二.亥姆霍茲函數(shù)(Helmholtz

function)和

吉布斯函數(shù)(Glibbsian

function)定溫過程所以，可逆定溫過程中自由能的減少量是過程膨脹功。2.吉布斯函數(shù)G（比吉布斯函數(shù)g）—又稱自由焓

a）定義：G=H–TS

g=h–Ts

b）因H，T，S均為狀態(tài)參數(shù)，所以G也是狀態(tài)參數(shù)

c）單位

J

（kJ）

d）物理意義定溫過程：所以可逆定溫過程中自由焓的減少量是過程的技術(shù)功。三.特性函數(shù)

某些狀態(tài)參數(shù)若表示成特定的兩個獨(dú)立參數(shù)的函數(shù)

時，只需一個狀態(tài)函數(shù)就可以確定系統(tǒng)的其他參數(shù)，這

樣的函數(shù)稱之為“特性函數(shù)”。如

u=u(s,v)；

h=h(s,p)；f=f(T,v)

及

g=g(p,T)，例：根據(jù)特性函數(shù)建立了各種熱力學(xué)函數(shù)之間的簡要關(guān)系四.麥克斯韋關(guān)系式

據(jù)z=z(x,y)則：令：則：四大微分關(guān)系式：又因為：

則：兩邊求導(dǎo)：麥克斯韋關(guān)系式之一麥克斯韋關(guān)系式建立了不可測的熵參數(shù)與易測參數(shù)p、

v、T的一般關(guān)系。麥克斯韋關(guān)系式：

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋是偉大的英國物理學(xué)家，經(jīng)典電磁理論的創(chuàng)始人。1831年生于蘇格蘭愛丁堡。他的智力發(fā)育格外早，年僅十五歲時，就向愛丁堡皇家學(xué)院遞交了一份科研論文。他就讀于愛丁堡大學(xué)，畢業(yè)于劍橋大學(xué)。他成年時期的大部分時光是在大學(xué)里當(dāng)教授，最后是在劍橋大學(xué)任教。一般認(rèn)為麥克斯韋是從牛頓到愛因斯坦這一整個階段中最偉大的理論物理學(xué)家。1879年他在48歲時因病與世長辭。麥克斯韋生前沒有享受到他應(yīng)得的榮譽(yù)，因為他的科學(xué)思想和科學(xué)方法的重要意義直到20世紀(jì)科學(xué)革命來臨時才充分體現(xiàn)出來。然而他沒能看到科學(xué)革命的發(fā)生。1879年11月5日，麥克斯韋因病在劍橋逝世，年僅48歲。那一年正好愛因斯坦出生?？茖W(xué)史上這種巧合還有一次是在1642年，那一年伽利略去世，牛頓出生。五.熱系數(shù)

1.定義

(定壓下比體積隨溫度的變化率)等溫壓縮率（又稱定溫壓縮系數(shù)）

(定溫下比體積隨壓力的變化率)定容壓力溫度系數(shù)：定比體積下壓力隨溫度的變化率2.相互關(guān)系

由循環(huán)關(guān)系可導(dǎo)得：體積膨脹系數(shù)(又稱定壓熱膨脹系數(shù)）

3.其他熱系數(shù)

等熵壓縮率(表明在可逆絕熱過程中膨脹或壓縮時體積的變化特性)：焦耳-湯姆遜系數(shù)：等4.這些熱系數(shù)有明顯物理意義，由可測量（p,v,T）構(gòu)

成，故應(yīng)用廣泛。例由實(shí)驗測定熱系數(shù)，并據(jù)此

積分求得狀態(tài)方程。§6–6熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式一.熵的微分方程式

令s=s(v,T)，則第一ds方程目的：建立內(nèi)能，焓、熵與易測參數(shù)CvCpP、V、T間關(guān)系類似可得討論：

1）三式可用于任意工質(zhì)

如理想氣體2）cp實(shí)驗測定較易，所以第二ds方程應(yīng)用更廣二.熱力學(xué)能微分方程

將第一ds方程第一du方程第二du方程類似得對于理想氣體：u與v無關(guān)，只取決于T三.焓的微分方程將ds方程代入dh=Tds+vdp可得§6–7

比熱容的一般關(guān)系式研究目的：

1）s，u，h的微分方程中均含有cp，cV；

2）利用較易實(shí)驗測量的cp計算cV；

3）利用由實(shí)驗數(shù)據(jù)構(gòu)造的cp的一般關(guān)系式導(dǎo)出狀態(tài)方程。

一.比熱容與p，v關(guān)系二.cp–cV的一般關(guān)系式由熵的兩個關(guān)系式聯(lián)立可得：則：由循環(huán)關(guān)系得：討論：

1）cp–cV取決于狀態(tài)方程；

2）3）因液體，固體v，αv均很小，故工程上近似取

cp=cV

例：某氣體服從p(v-b)=RgT，式中b為常數(shù)，若其比熱容cV=常數(shù)，試證其比熱比γ=cp/cV是常數(shù)證明：