第三章热能转换物质的热力性和热力过程课件.ppt
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1、第三章第三章 热能转换物质的热力性热能转换物质的热力性 和热力过程和热力过程1.理想气体的状态方程式理想气体的状态方程式理想气体理想气体假定:假定:(1)气体分子是些弹性的、不占体积的质点;气体分子是些弹性的、不占体积的质点;(2)气体分子间没有相互作用力。气体分子间没有相互作用力。理想气体是一种实际上不存在的假想气体,它是压力理想气体是一种实际上不存在的假想气体,它是压力趋近于零,比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程趋近于零,比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程中很多气体远离液态时,接近于理想气体的假设条件。中很多气体远离液态时,接近于理想气体的假设条件。2.1状态方程状态方程常见的
2、氢气,氮气,氧气,二氧化碳,空气常见的氢气,氮气,氧气,二氧化碳,空气和烟气等在压力不是很高和温度不是很低的和烟气等在压力不是很高和温度不是很低的条件下,性质非常接近理想气体。条件下,性质非常接近理想气体。动力工程锅炉产生的水蒸气、制冷剂(氟利动力工程锅炉产生的水蒸气、制冷剂(氟利昂),由于距离也液态较近,不能忽略蒸气昂),由于距离也液态较近,不能忽略蒸气分子所占有的体积和分子间的相互作用,应分子所占有的体积和分子间的相互作用,应作实际气体对待。作实际气体对待。二二 理想气体状态方程理想气体状态方程根据理想气体宏观定义根据理想气体宏观定义:常数Tpv令常数为令常数为Rg (31)g pvR T
3、单位:单位:pPa;vm3/kg;TK;RgJ/(kg.K)Rg为气体常数,它与气体的种类有关,常用气体的气体常为气体常数,它与气体的种类有关,常用气体的气体常数请看数请看p250附录附录A-2 若若物质的质量物质的质量m以以kg为单位,为单位,物质的量物质的量n以以mol为单位,为单位,用用M表示物质的摩尔质量,则表示物质的摩尔质量,则 (32)mnM1mol气体的体积以气体的体积以Vm表示,表示,m VMv对式(对式(32)两边同乘以)两边同乘以M得得J/(mol.K)3145.8 273.15K/molm0224141.0Pa101325300m0TVpMRRg)53(MRRg对于各种气
4、体的气体常数的对于各种气体的气体常数的 所以所以MRg与物质的种类无关与物质的种类无关。(。(也与状态无关也与状态无关)令)令R MRg,R 称为摩尔气体常数。取标准状态参数得称为摩尔气体常数。取标准状态参数得2a)(3 mTMRpV pMvg由于由于1摩尔的任何气体在压力摩尔的任何气体在压力 p,温度温度 T 的状态下的摩尔体积相等。的状态下的摩尔体积相等。m4m3m2m1VVVV理想气体状态方程可有以下四种形式理想气体状态方程可有以下四种形式:gmg1 kg (3-1)1 mol (3-4)(3-6)pvR TpVRTmpVmR TnpVnRT气体气体质量为的气体物质的量为的气体 (3-7
5、)三三 理想气体的比热容理想气体的比热容1、比热容的定义、比热容的定义物体升高物体升高1K所需的热量称为热容,以所需的热量称为热容,以C表示,表示,dTQC 1kg物质升高物质升高1K所需的热量称为比热容,单位所需的热量称为比热容,单位J(kg.K),以以c表示,表示,dTqc1mol物质的比热容称为摩尔热容,单位物质的比热容称为摩尔热容,单位J(mol.K),符号为符号为Cm 比热比热 c 应与过程有关,不同的过程比热容不同。工程中常应与过程有关,不同的过程比热容不同。工程中常用的有比定容比热容和比定压比热容。用的有比定容比热容和比定压比热容。ppv()dTqc)dTqcv比定压热容比定容热
6、容2、理想气体的定压比热容和定容比热容、理想气体的定压比热容和定容比热容应用第一定律,并假定过程可逆则有:应用第一定律,并假定过程可逆则有:vdpdhqpdvduq )113()()()103()()(ppvpvvThdTvdpdh)dTqcTudTpdvdu)dTqc 热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作用力,所理想气体的热力学能只含有内动能,而内动能只于温度用力,所理想气体的热力学能只含有内动能,而内动能只于温度有关,所以有关,所以理想气体的热力学能是温度的单值函数理想气体的热力学能是温度的单值函数,即即u=u(T),而而
7、h=u+pvu+RgT,所以所以理想气体的焓也是温度的单位函数理想气体的焓也是温度的单位函数,即,即h=h(T).vp (3 12)(3 13)ducdTdhcdT3、理相气体定压比热容与定容比热容的关系、理相气体定压比热容与定容比热容的关系ggRdTdudTTRddudTdh)(即:即:(3 14)pvgccR上式乘摩尔质量上式乘摩尔质量M,则有:则有:pmVm (3 15)CCR式(式(316)和()和(316a)称为称为迈耶公式迈耶公式。(1)、迈耶公式、迈耶公式*(2)、比热容比、比热容比p,mvv,m pcCcCv 11 1pggcRcR4、理想气体比热容的计算、理想气体比热容的计算
8、(1)、真实比热容、真实比热容432,v432,1)(TTTTRCTTTTRCmmp比热容可表示为是实验拟合常数。定容、附录附录A-3(p250)中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方经验关系式。经验关系式。.bbbb .332210332210tttcTaTaTaacpp或MCcMCcmVmppV,(2)、平均比热容表、平均比热容表对于一个定压过程,如果要计算过程的吸热量,则对于一个定压过程,如果要计算过程的吸热量,则,)()()(1221 ,12 ,212121ttdttccttcdttcqpttpttppp 21 ,ttpc称为平均定压比热容。称
9、为平均定压比热容。102021)()()(dttcdttcdttcqpppp1 0,2 0,12-tctctptp2121 ,02,01 ,21-(3 18)ttpptp tct ctctt(3)、平均比热容直线关系、平均比热容直线关系)(2)()(12212121ttttbadtbtadttcqpp21 ,12()(3 19)2tp tbcatt 上上式式称为比热容的线称为比热容的线性关系。附录性关系。附录A-5p252给给出了一些常用气体的平出了一些常用气体的平均比热容直线关系式。均比热容直线关系式。4、定值比热容、定值比热容ac p 由分子运动论也可导出由分子运动论也可导出1mol理想气
10、体的热力学能理想气体的热力学能RTiU2m由些得出理想气体的摩尔定容比热容,定压比热容的比热容比。由些得出理想气体的摩尔定容比热容,定压比热容的比热容比。22 22 2m,mV,iRiCRiCpi 是分子运动的自由度,单原子是分子运动的自由度,单原子 i 3,双原子双原子 i5,多原子取多原子取i7R251.291.401.67多原子气体(i7)双原子气体(i5)单原子气体(i3)mV,mp,/CC)J/(mol.K/mV,C)J/(mol.K/mp,CR23R25R27R27R29理想气体定值摩热容和比热容比理想气体定值摩热容和比热容比R8.3143J(mol.K)四四 理想气体的热力学能、
11、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵)153()143(pvdTdhcdTduc由上式可得由上式可得21pp21vv dTchdTcdhdTcudTcdu1、热力学能与焓、热力学能与焓当当比热容取定值时比热容取定值时TcTTcdTchTcTTcdTcup12p21pv12v21v)()(若取若取0 K作为零点则作为零点则TchTcupv ;2、状态参数熵、状态参数熵熵的熵的定义式为(以后要证明)定义式为(以后要证明)Tqdsrev下标下标rev表示可逆,可逆时有表示可逆,可逆时有vdpdTcqpdvdTcqpresVres TvdpdTcdTpdvdTcdspVs 12211221ln lnppR
12、TdTcsvvRTdTcsgpgV当比热容取定值时当比热容取定值时(不讲变比热容熵差计算不讲变比热容熵差计算)22112211lnln (326)lnln (327)VgpgTvscRTvTpscRTp五五 理想气体混合物理想气体混合物1、理想气体的分压力定律、理想气体的分压力定律 及分容积律及分容积律p1、p2、p3称为分压力,并有称为分压力,并有321ppppipp上式称为道尔顿分压力定律。上式称为道尔顿分压力定律。321321mmmmnnnniimmnn 由质量守恒得:由质量守恒得:)b(a)RTnVpTRmVpiigiii状态方程状态方程(1)、分压力定律、分压力定律)f()()(nR
13、TpVRTnVpii(2)、理想气体的分容积定律、理想气体的分容积定律V1、V2、V3称为分容积,并有称为分容积,并有321VVVViVV上式称为亚美格分容积定律。上式称为亚美格分容积定律。质量守恒质量守恒321321mmmmnnnniimmnn )d(c)RTnpVTRmpViigiii状态方程状态方程)f()()(nRTpVRTnpVii2、混合物的成分、混合物的成分(1)质量成分质量成分mmmmiii (2)摩尔成分摩尔成分nnxnniii (3)容积成分容积成分VVVViii 由由式(式(b)、(d)及及(f)可得:可得:pxpxnnppVViiiiiii ,3、混合气体的折合摩尔质量
14、和折合气体常数、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数由式(由式(f)可知,理想气体混合物也满足状态方式可知,理想气体混合物也满足状态方式pV=nRT。对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式eq (342)iiieqiimmn MnMMx MMeq称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得:称为混合气体的折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得:eqeqg,MRR折合气体常数折合气体常数Rg,eq式(式(a)或式(或式(c)求得求得 eqg,giTmRTRmpVig,eqgi iRR折合气体常数折合气体常数Rg,eq可写成可写成eqeqiiiiiiM
15、nm Mxnm MM4、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵1kg混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和,即混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和,即iiqq定压比热容和定容比热容可写成:定压比热容和定容比热容可写成:iiiicdTqdTqc)(根据比热容的定义式得根据比热容的定义式得ViiVpiipcccc (1)、比热容、比热容混合气体吸收的总热量混合气体吸收的总热量iQQ(2)、热力学能和焓、热力学能和焓)()()()(ThmTHHTumTUUiiiiii)()(ThmhmmHhTumummUuiiiiiiii)()(ThhTuuiiii
16、(3)、混合气体的熵、混合气体的熵iiissSS ),(iipTfs,iipig iidpdTdscRTp,()()(3 51)iipig iiidpdTdscRTp请看思考题第二节第二节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程一一 研究热力过程的目的及一般方法研究热力过程的目的及一般方法1、目的、目的2、一般方法、一般方法(1)、对实际热力过程进行分析,将各种过程近似地概括对实际热力过程进行分析,将各种过程近似地概括为几种典型过程,即定容、定压、定温和绝热过程。为为几种典型过程,即定容、定压、定温和绝热过程。为使问题,暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可使问题,暂不考虑实际过程中的不可逆的
17、耗损而作为可逆过程。逆过程。揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况,进而找出影响转化的主要因素。况,进而找出影响转化的主要因素。(2)、用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。(3)、考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。本章分析理想气体热力过程的具体方法本章分析理想气体热力过程的具体方法1)、根据过程特点确定过程方程式,得到、根据过程特点确定过程方程式,得到 p=f(v).2)、用过程方程和状态方程,计算初、终态参数。用过程方程和状
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