1、第三章 熱能轉(zhuǎn)換物質(zhì)的熱力性 和熱力過程,1. 理想氣體的狀態(tài)方程式,理想氣體,假定：(1) 氣體分子是些彈性的、不占體積的質(zhì)點(diǎn)； (2) 氣體分子間沒有相互作用力。,理想氣體是一種實(shí)際上不存在的假想氣體，它是壓力趨近于零，比體積趨近近于無窮大時的極限狀態(tài)。但工程中很多氣體遠(yuǎn)離液態(tài)時，接近于理想氣體的假設(shè)條件。,2.1狀態(tài)方程,常見的氫氣，氮?dú)猓鯕?，二氧化碳，空氣和煙氣等在壓力不是很高和溫度不是很低的條件下，性質(zhì)非常接近理想氣體。 動力工程鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣、制冷劑（氟利昂），由于距離也液態(tài)較近，不能忽略蒸氣分子所占有的體積和分子間的相互作用，應(yīng)作實(shí)際氣體對待。,二 理想氣體狀態(tài)方程,單位：p

2、Pa； vm3/kg; TK; RgJ/(kg.K),Rg為氣體常數(shù)，它與氣體的種類有關(guān)，常用氣體的氣體常數(shù)請看p250附錄A-2,若物質(zhì)的質(zhì)量m以kg為單位，物質(zhì)的量n以mol為單位，用M表示物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，則,1mol氣體的體積以Vm表示，,對式（32）兩邊同乘以M得,對于各種氣體的氣體常數(shù)的,所以MRg與物質(zhì)的種類無關(guān)。（也與狀態(tài)無關(guān)）令R MRg ， R 稱為摩爾氣體常數(shù)。取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)參數(shù)得,由于1摩爾的任何氣體在壓力 p ,溫度 T 的狀態(tài)下的摩爾體積相等。,理想氣體狀態(tài)方程可有以下四種形式：,三 理想氣體的比熱容,1、比熱容的定義,物體升高1K所需的熱量稱為熱容，以C表示，,1kg物

3、質(zhì)升高1K所需的熱量稱為比熱容，單位J(kg.K),以c表示，,1mol物質(zhì)的比熱容稱為摩爾熱容，單位J(mol.K)，符號為Cm,比熱 c 應(yīng)與過程有關(guān)，不同的過程比熱容不同。工程中常用的有比定容比熱容和比定壓比熱容。,2、理想氣體的定壓比熱容和定容比熱容,應(yīng)用第一定律，并假定過程可逆則有：,熱力學(xué)能包含內(nèi)動能和內(nèi)位能。對于理想氣體其分子間無作用力，所理想氣體的熱力學(xué)能只含有內(nèi)動能，而內(nèi)動能只于溫度有關(guān)，所以理想氣體的熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù), 即u= u(T), 而h=u+pvu+RgT, 所以理想氣體的焓也是溫度的單位函數(shù)，即h=h(T).,3、理相氣體定壓比熱容與定容比熱容的關(guān)系,即：

4、,上式乘摩爾質(zhì)量M，則有：,式（316）和（316a）稱為邁耶公式。,(1)、邁耶公式,*(2)、比熱容比,4、理想氣體比熱容的計(jì)算,(1)、真實(shí)比熱容,附錄A-3(p250)中給出了真實(shí)摩爾定壓比熱容的無量綱四次方經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。,(2)、平均比熱容表,對于一個定壓過程，如果要計(jì)算過程的吸熱量，則,稱為平均定壓比熱容。,(3)、平均比熱容直線關(guān)系,上式稱為比熱容的線性關(guān)系。附錄A-5p252給出了一些常用氣體的平均比熱容直線關(guān)系式。,4、定值比熱容,由分子運(yùn)動論也可導(dǎo)出1mol理想氣體的熱力學(xué)能,由些得出理想氣體的摩爾定容比熱容，定壓比熱容的比熱容比。,i 是分子運(yùn)動的自由度，單原子 i 3，雙

5、原子 i5，多原子取i7,理想氣體定值摩熱容和比熱容比R8.3143J(mol.K),四 理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵,由上式可得,1、熱力學(xué)能與焓,當(dāng)比熱容取定值時,若取0 K作為零點(diǎn)則,2、狀態(tài)參數(shù)熵,熵的定義式為（以后要證明）,下標(biāo)rev表示可逆，可逆時有,當(dāng)比熱容取定值時(不講變比熱容熵差計(jì)算),五 理想氣體混合物,1、理想氣體的分壓力定律 及分容積律,p1、p2、p3稱為分壓力，并有,上式稱為道爾頓分壓力定律。,由質(zhì)量守恒得：,狀態(tài)方程,(1)、分壓力定律,(2)、理想氣體的分容積定律,V1、V2、V3稱為分容積，并有,上式稱為亞美格分容積定律。,質(zhì)量守恒,狀態(tài)方程,2、混合物的成分,

6、(1)質(zhì)量成分,(2)摩爾成分,(3)容積成分,由式（b)、(d)及(f)可得：,3、混合氣體的折合摩爾質(zhì)量和折合氣體常數(shù),由式（f）可知，理想氣體混合物也滿足狀態(tài)方式pV=nRT。,對于理想氣體混合物仿照純質(zhì)理想氣體得到下式,Meq稱為混合氣體的折合摩爾質(zhì)量。由摩爾成分的定義可得：,折合氣體常數(shù)Rg,eq式（a)或式（c）求得,折合氣體常數(shù)Rg,eq可寫成,4、理想氣體混合物的比熱容、熱力學(xué)能、焓和熵,1kg混合物吸收的熱量應(yīng)等于各組分吸收熱量之和，即,定壓比熱容和定容比熱容可寫成：,根據(jù)比熱容的定義式得,(1)、比熱容,混合氣體吸收的總熱量,(2)、熱力學(xué)能和焓,(3)、混合氣體的熵,請看

7、思考題,第二節(jié) 理想氣體的熱力過程,一 研究熱力過程的目的及一般方法,1、目的,2、一般方法,(1)、對實(shí)際熱力過程進(jìn)行分析，將各種過程近似地概括為幾種典型過程，即定容、定壓、定溫和絕熱過程。為使問題，暫不考慮實(shí)際過程中的不可逆的耗損而作為可逆過程。,揭示過程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)換情況，進(jìn)而找出影響轉(zhuǎn)化的主要因素。,(2)、用簡單的熱力學(xué)方法對四種基本熱力過程進(jìn)行分析計(jì)算。,(3)、考慮不可逆耗損再借助一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正。,本章分析理想氣體熱力過程的具體方法,1)、根據(jù)過程特點(diǎn)確定過程方程式，得到 p=f (v). 2)、用過程方程和狀態(tài)方程，計(jì)算初、終態(tài)參數(shù)。 3)、在p-v

8、、T-s圖上畫出過程曲線。 4)、確定工質(zhì)的初、終態(tài)比熱學(xué)能、比焓、比熵的變化。 5)、計(jì)算過程中膨脹功、技術(shù)功和過程熱量。,本節(jié)研究理想氣體的可逆過程。,二 四個基本熱力過程分析,1、定容過程,(1)、過程方程,(2)、初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系,(3)、在p-v、T-s圖,(4)、初、終態(tài)熱學(xué)能、比焓、比熵的變化,(5)、膨脹功、技術(shù)功和熱量,2、定壓過程,(1)、過程方程,(2)、初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系,(3)、在p-v、T-s圖,(4)、初、終態(tài)熱學(xué)能、比焓、比熵的變化,(5)、膨脹功、技術(shù)功和熱量,3、定溫過程,(1)、過程方程,(2)、初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系,(3)、在p-v、T-s圖,(4

9、)、初、終態(tài)熱學(xué)能、比焓、比熵的變化,(5)、膨脹功、技術(shù)功和熱量,4、定熵過程,定熵過程絕熱過程+可逆過程,對于理想氣體可逆絕熱過程（定熵過程），由第一定律得：,令， 稱為過程指數(shù)。定熵過程的過程指數(shù)等于比熱比。,對于一般氣體的可逆絕熱過程（定熵過程）有,(1)、定熵過程方程,(2)、初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系,(3)、在p-v、T-s圖,(4)、初、終態(tài)熱學(xué)能、比焓、比熵的變化,(5)、膨脹功、技術(shù)功和熱量,對于可逆過程，還可得：,技術(shù)功,對于可逆過程，可得：,三 多變過程分析,1、多變過程方程,2、初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系,3、初、終態(tài)熱學(xué)能、比焓、比熵的變化,4、膨脹功、技術(shù)功和熱量,技術(shù)功,過

10、程熱量,cn 稱為多過程的比熱容,5、在p-v、T-s圖,多變過程方程式為 pvn=常數(shù)，這里n為變量，n取不同的可得到不同的過程。,當(dāng)n0時，p常數(shù)，則為定壓過程 當(dāng)n1時，pv常數(shù)，則為定溫過程 當(dāng)n時，pv 常數(shù)，則為定熵過程 當(dāng)n時，v 常數(shù)，則為定容過程,因此，把多變過程表示在p-v圖上時，要選畫出四個基本熱力過程，然后再根據(jù) n 值的大小畫出相應(yīng)的多變過程。,四個基本熱力過程,多變過程,在p-v、T-s圖上用 T 的正負(fù)判斷u 、h的正負(fù)， 用s正負(fù)判斷 q 的正負(fù)；用v的正負(fù)判斷 w 的正負(fù)。,熱力過程計(jì)算公式表,請看思考題,第三節(jié) 水 蒸 氣,一 水蒸氣的定壓發(fā)生過程,五個狀態(tài)

11、,a點(diǎn):過冷和水(未飽和液體),b點(diǎn): 飽和水(液體),c點(diǎn): 濕飽和蒸氣,d點(diǎn): 干飽和蒸氣,e點(diǎn): 過熱蒸氣(過熱度t = t ts),兩條線,飽和液體線A,飽和氣體線,臨界點(diǎn)(一個點(diǎn) ),pcr=22.064MPa Tcr=647.14K vcr=0.003106m3/kg,一點(diǎn)、兩線、三區(qū)、五個狀態(tài),三 相 線,二 水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù),pcr = 22.064 MPa Tcr = 647.14K vcr = 0.003106 m3/kg,1、臨界點(diǎn)參數(shù),2、三相點(diǎn)參數(shù),3、零點(diǎn)的規(guī)定,ttp= 0.01 ptp= 611.659 Pa,以水的三相點(diǎn)狀態(tài)下的飽和液體為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定：,

12、飽和壓力與飽和溫度,飽和壓力 ps 與飽和溫度 ts 一一對應(yīng)，即 ps=f ( ts ) 稱為蒸氣壓方程,臨界現(xiàn)象,實(shí) 驗(yàn) 裝 置,降溫法測量現(xiàn)象,物質(zhì)的相圖(p),三 水和水蒸氣的表和圖,1、水和水蒸氣表,(1)、飽和水與飽和蒸汽熱力性質(zhì)表表 在飽和線上，只有一個獨(dú)立變量，可以飽和溫度或飽和壓力為自變量來設(shè)計(jì)表格。這樣就有兩種形式的飽和水與飽和蒸汽熱力性質(zhì)表。,飽和液體的參數(shù)用 表示；飽和氣體的參數(shù)用 表示。,（1）飽和水與飽和蒸汽表（以溫度排列）,（2）飽和水與飽和蒸汽表（以壓力排列）,在濕飽和蒸氣區(qū), 定義干度 x,mg飽和蒸氣的質(zhì)量, mv飽和水的質(zhì)量,濕飽和蒸氣的狀態(tài)參數(shù)為:,(2

13、)、未飽和水與過熱蒸汽熱力性質(zhì)表表,在未飽和區(qū)和過熱區(qū)，有兩個獨(dú)立變量，可以溫度和壓力為自變量來設(shè)計(jì)表格。,2、水蒸氣的圖,(1) p-v圖(定性分析),(2) T-s圖(定性分析),(3 ) h - s圖 (定量分析),基本方程,可逆過程,四 水蒸氣基本熱力過程,1、定容過程,2、定壓過程,3、定溫過程,4、定熵過程,第四節(jié) 濕 空 氣,濕空氣:,干空氣:,干空氣 + 水蒸氣,氧氣 + 氮?dú)?濕空氣可作為理想氣體混合物，所以，它具有理想氣體混合物的所有特性。,如：狀態(tài)方程；分壓力；各種成分表示方法等。,一濕空氣的狀態(tài)參數(shù),1、溫度：t , T,2、壓力：,總壓力：p , 干空氣的分壓力 pa

14、 ，水蒸氣的分壓力 pv p = pa + pv,飽和濕空氣: 濕空氣中的水蒸氣處于飽和狀態(tài). s,未飽和濕空氣: 濕空氣中的水蒸氣處于過熱狀態(tài).v,v s=,vv vs = v ,3、露點(diǎn)溫度,水蒸氣分壓力下的飽和溫度稱為濕空氣的露點(diǎn)溫度。,td = f ( pv ),4、相對濕度,濕空氣的絕對濕度定義為： v 同一溫度下，飽和濕空氣的絕對濕度為 s= ,相對濕度定義為：,值的大小反映了濕空氣干燥的程度，同時也反映了濕空氣吸收水分有能力,5、濕空氣的含濕量,若濕空氣中的干空氣質(zhì)量為 ma，水蒸氣的質(zhì)量為mv，則含濕量的定義為,6、濕空氣的焓,濕空氣的總焓為 H，干空氣污染的焓為 a，水蒸氣的焓為 Hv,則,二相對濕度的測量,濕空氣的狀態(tài)參數(shù)有,在 p、 t