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文檔簡介
工程熱力學(xué)第二章
氣體的熱力性質(zhì)
2/4/2023本章主要內(nèi)容理想氣體和實(shí)際氣體
Ideal-gasandrealgas理想氣體和實(shí)際氣體
理想氣體狀態(tài)方程
TheIdeal-gasEquationsofState氣體常數(shù)和通用氣體常數(shù)
GasconstantandUniversalgasconstant理想氣體比容
SpecificHeatofIdealGases混合氣體性質(zhì)
GasMixture實(shí)際氣體狀態(tài)方程
EquationsofStateforrealgas對應(yīng)態(tài)原理和壓縮因子
PrincipleofCorrespondingstateandCompressibilityfactor2本章基本要求1、掌握理想氣體狀態(tài)方程的各種表述形式,并應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程及理想氣體定值比熱進(jìn)行各種熱力計算2、掌握理想氣體平均比熱的概念和計算方法3、理解混合氣體性質(zhì)4、掌握混合氣體分壓力、分容積的概念5、理解實(shí)際氣體狀態(tài)參數(shù)的處理方法3本章重點(diǎn)理想氣體熱力性質(zhì)理想氣體狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系理想氣體比熱4工程熱力學(xué)的兩大類工質(zhì)理想氣體1、分子之間沒有作用力
noattractiveorrepulsiveforces2、分子本身不占容積
occupynovolume;3、可用簡單的式子描述實(shí)際氣體(realgas)不能用簡單的式子描述,真實(shí)工質(zhì);工程計算主要靠圖表。如制冷空調(diào)中制冷工質(zhì)等§1-1理想氣體和實(shí)際氣體
但是,當(dāng)實(shí)際氣體p→0,v→∞,T不太低時,即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時,可視為理想氣體。
現(xiàn)實(shí)中沒有理想氣體5思考?xì)怏w
蒸氣水蒸氣是否可看作理想氣體?6
當(dāng)實(shí)際氣體p
很小,V
很大,T不太低時,即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時,可視為理想氣體。
哪些氣體可當(dāng)作理想氣體?T>常溫,p<7MPa的雙原子分子理想氣體O2,N2,Air,CO,H2如汽車發(fā)動機(jī)和航空發(fā)動機(jī)以空氣為主的燃?xì)獾?;三原子分子(H2O,CO2)一般不能當(dāng)作理想氣體特殊可以,如空調(diào)的濕空氣,高溫?zé)煔獾腃O2
7理想氣體狀態(tài)方程§1-2
理想氣體狀態(tài)方程(1)
pV=mRT
pv=RT
R-----氣體常數(shù)
單位:
kJ/(kg·K)(2)
pV=nR0TpVM=R0T
R0
-----通用氣體常數(shù)
=8.314單位:
kJ/(kmol·K)絕對壓力8
Rm與R的區(qū)別和聯(lián)系R0——通用氣體常數(shù)R——?dú)怏w常數(shù)
M-----摩爾質(zhì)量例如UniversalGasconstant與氣體種類無關(guān)Gasconstant與氣體種類有關(guān)9§1-2
理想氣體狀態(tài)方程計算時注意事項(xiàng)
1、絕對壓力
2、溫度單位K3、統(tǒng)一單位(最好均用國際單位)狀態(tài)方程10計算時注意事項(xiàng)實(shí)例
V=1m3的容器有N2,溫度為20℃
,壓力表讀數(shù)1000mmHg,pb=1atm,求N2質(zhì)量。1)2)3)4)11例題2-1利用理想氣體方程計算下列溫度和壓力下的比容,并將計算值和實(shí)際比容比較?
R=287.06J/(kg·k)12相對誤差=可見:
在高溫和低壓條件下,氣體作為理想氣體對待。解:由理想氣體狀態(tài)方程:例題2-1131、比熱容單位物量的物體溫度升高1K或1oC所需的熱量稱為比熱容。
i.e.
δQ=mcdT
or
δq=cdT
or
c=δq/dT2、分類
根據(jù)單位物量的選擇,可分為質(zhì)量比熱容
c,摩爾比熱容Mc,容積比熱容
c’,§2-2理想氣體的比熱
SpecificHeatofIdealGas*計算內(nèi)能,焓,熱量都要用到熱容。*Mc=22.414C’14Ts(1)(2)1
K比熱容是過程量還是狀態(tài)量?c1c2用的最多的某些特定過程的比熱容定容比熱容定壓比熱容151、定容比熱specificheatatconstantvolume
cv
根據(jù)能量守恒定律:
對于定容過程:2、定壓比熱Specificheatatconstantpressurecp根據(jù)能量守恒定律:
對于定壓過程:
§2-2理想氣體的比熱
δq=du+δwδw=0δq=duCv
dT=duδq=dh+δwtδwt=-vdpδwt=0δq=dhCp
dT=dh16§2-2理想氣體的比熱3、對于一切氣體:對于理想氣體:cv物理意義:v時1kg工質(zhì)升高1K內(nèi)能的增加量cp物理意義:p時1kg工質(zhì)升高1K焓的增加量u=f(T)17理想氣體內(nèi)能的物理解釋內(nèi)能=內(nèi)動能+內(nèi)位能T,v
理想氣體無分子間作用力,內(nèi)能只決定于內(nèi)動能T理想氣體u只與T有關(guān)184、cp和cv關(guān)系§2-2理想氣體的比熱摩爾比熱:Airat300KCv=0.718kJ/Kg·KR=0.287kJ/Kg·KCp=1.005kJ/Kg·K1、對于理想氣體,cp
和cv
僅和溫度有關(guān),兩者差值恒定。2、cp
大于cv.Note195、比熱比k
§2-2理想氣體的比熱vpcc=g根據(jù):雙原子氣體
(Moleculeswith2atoms)
單原子氣體
(Moleculeswith1atoms)
多原子氣體
(Moleculeswith3atomsormore)
206、
理想氣體比熱的計算
Since:δq=cdT
c=f(T)定值比熱真實(shí)比熱平均比熱§2-2理想氣體的比熱21(1)
定值比熱§2-2理想氣體的比熱
據(jù)氣體分子運(yùn)動理論,可導(dǎo)出
22§2-2理想氣體的比熱單原子氣體
i=3雙原子氣體
i=5多原子氣體
i=723(2)真實(shí)比熱AccuraterelationsforcasafunctionofT
§2-2理想氣體的比熱將實(shí)驗(yàn)測得的不同氣體的比熱容C隨溫度T的變化關(guān)系,表達(dá)為多項(xiàng)式形式:
(三次多項(xiàng)式)
(見Table2-3).24常用氣體在理想狀態(tài)下的定壓摩爾比熱與溫度的關(guān)系
§2-2理想氣體的比熱氣體分子式溫度范圍(K)空氣28.1061.96654.8023-1.9661273~1800氫H28.10-1.9159-4.0038-0.8704273~1800氧O225.17715.2022-5.06181.3117273~1800氮N228.907-1.57138.0805-28.7256273~1800一氧化碳CO28.2601.67515.3717-2.2219273~1800二氧化碳CO222.25759.8084-35.01007.4693273~1800水蒸氣H2O32.2381.923410.5549-3.5952273~1800乙烯C2H24.1261155.0213-81.545516.9755298~1500丙烯C3H43.7457234.0107-115.127821.7353298~1500甲烷CH419.88750.241612.6860-11.0113273~1500乙烷C2H65.413178.0872-69.37498.7147298~1500丙烷C3H8-4.233306.264-158.631632.1455298~150025(3)平均比熱averagespecificheat§2-2理想氣體的比熱ct012ABD(t1)C(t2)c=b0+b1t+b2t2+┉=面積ABCDA=面積1BC01-面積1AD0126§2-2理想氣體的比熱用攝氏℃(見table2-4)27幾種氣體在理想氣體狀態(tài)下的平均定壓質(zhì)量比熱容
t(℃)O2N2H2CO空氣CO2H2O00.9151.03914.1951.0401.0040.8151.8591000.9231.04014.3531.0421.0060.8661.8732000.9351.04314.4211.0461.0120.9101.8943000.9501.04914.4461.0541.0190.9491.9194000.9651.05714.4771.0631.0280.9831.9485000.9791.06614.5091.0751.0391.0131.9786000.9931.07614.5421.0861.0501.0402.0097001.0051.08714.5871.0981.0611.0642.0428001.0161.09714.6411.1091.0711.0852.0759001.0261.10814.7061.1201.0811.1042.11010001.0351.11814.7761.1301.0911.1222.14411001.0431.12714.8531.1401.1001.1382.177§2-2理想氣體的比熱28§2-2理想氣體的比熱x1xx2y1y2y‘=?線性插值LinearInterpolation29例題2-2計算1kg
空氣從127℃升溫到327℃所需熱量?(a)使用真實(shí)比熱cp(t);(b)用平均比熱cp
;(c)使用定值比熱cp;30例題2-2解:
(a)
使用真實(shí)比熱計算
根據(jù)熱量計算公式由表2-3可查出Mcp,(t)
的表達(dá)式
Mcp,=28.106-1.9665*10-3T+4.8023*10-6T2+….可得
cp=…….帶入上式可以計算出
qp=……….31例題2-2(b)
采用平均比熱法計算由熱量計算式kJ/(kg·K)Thus根據(jù)附表5查得
t=100℃,cpm=1.006kJ/(kg·K);t=200℃,cpm=1.012kJ/(kg·K)t=300℃,cpm=1.019kJ/(kg·K);t=400℃,cpm=1.028kJ/(kg·K)通過插值方法計算0℃和127℃平均比熱cpm同理可得kJ/(kg·K)kJ/(kg·K)32例題2-2(c)采用定值比熱法kJ/kgNote:采用真實(shí)比熱結(jié)果最準(zhǔn)確。
如果溫度范圍較小,采用定值比熱結(jié)果誤差相對很小。33§2-3
理想氣體混合物假定:
1、混合氣體內(nèi)部無化學(xué)反應(yīng),成分不變;
2、各組元?dú)怏w都有理想氣體的性質(zhì),
3、混合后仍具有理想氣體的性質(zhì);
4、各組元?dú)怏w彼此獨(dú)立,互不影響。341、混合物成分表示方法
§2-3
理想氣體混合物
Ideal-GasMixtures
混合氣體質(zhì)量kg
摩爾數(shù)kmol
容積m3項(xiàng)目第i種組成氣體絕對成分
相對成分=
分量
總量相對成分35質(zhì)量分?jǐn)?shù)
(Massfraction)摩爾分?jǐn)?shù)
(Molefraction)體積分?jǐn)?shù)(volumefraction)§2-3
理想氣體混合物很明顯:362、混合氣體折合分子量(摩爾質(zhì)量)
Apparent(average)MolarMass
Meq§2-3
理想氣體混合物將理想氣體混合物可作為Meq
和Req和的“某種”理想氣體。根據(jù):折合氣體常數(shù):373、分壓力定律Dalton’sLawandAmagat’sLaw在維持混合氣體的溫度和容積不變時,各組成氣體所具有的壓力,稱為分壓力。組成氣體的壓力用pi表示。道爾頓(Dalton)分壓定律:混合氣體的總壓力等于各組成氣體分壓力之和?!?-3
理想氣體混合物T,V
p1T,V
p2T,V
p
nT,
…
V
384、分體積定律Amagat’sLaw
維持混合氣體的溫度和壓力不變時,各組成氣體所具有的容積,稱為分體積。用Vi表示?;旌蠚怏w的總?cè)莘eV等于各組成氣體分容積Vi之和。§2-3
理想氣體混合物V=V1+V2+┅+Vi+┅+Vn39壓力比和體積比的關(guān)系壓力比=體積比=摩爾比
405、混合物性質(zhì)
廣延參數(shù)量(內(nèi)能、焓、熵和熱容)§2-3
理想氣體混合物UHSU1H1S1U2H2S2UiHiSi415、混合物性質(zhì)
強(qiáng)度量(比內(nèi)能、比焓、比熵和比容)
§2-3
理想氣體混合物42§2-3
理想氣體混合物432kgN2和4kgofCO2在溫度25oC和壓力2MPa的容器內(nèi).試求兩種氣體的分壓力和混合氣體的氣體常數(shù)。例題2-3解:先求兩種氣體的摩爾分?jǐn)?shù):分壓力為:摩爾質(zhì)量為:44體積分?jǐn)?shù)分別為35.6%CH4,15.6%N2,和48.8%CO2的三種氣體混合。計算該混合氣體的平均比熱容.例題2-4解:45回顧理想氣體模型分子間無作用力分子不占有體積理想氣體狀態(tài)方程實(shí)際氣體p→0,v→∞,T不太低時,即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時,可視為理想氣體。
(1)
pV=mRT
pv=RT
R-----氣體常數(shù)
單位:
kJ/(kg·K)(2)
pV=nR0TpVM=R0T
R0
-----通用氣體常數(shù)
=8.314單位:
kJ/(kmol·K)46回顧理想氣體比熱容定容比熱cv定壓比熱cp兩者計算方法定值比熱真實(shí)值(溫度t的函數(shù))平均比熱ct012ABD(t1)C(t2)c=b0+b1t+b2t2+┉47§2-4實(shí)際氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程:但是對氣體做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻不是一條值為1的水平線,尤其是在高壓下,誤差更大。(1)分子不占有體積(2)分子之間沒有作用力理想氣體兩個假定:2/4/202348壓縮因子CompressibilityfactorZ為反映實(shí)際氣體與理想氣體的偏離程度引入壓縮因子。定義如下:§2-4實(shí)際氣體狀態(tài)方程
Or>1=1<1壓縮因子物理意義:實(shí)際氣體比容理想氣體比容2/4/202349壓縮因子的物理意義
相同T,p下理想氣體比容表明實(shí)際氣體難于壓縮Z反映實(shí)際氣體壓縮性的大小,壓縮因子表明實(shí)際氣體易于壓縮2/4/202350壓縮性大小的原因
(1)分子占有容積,自由空間減少,不利于壓縮(2)分子間有吸引力,易于壓縮壓縮性大關(guān)鍵看何為主要因素壓縮性小pZH2CO2idealgasO2取決于氣體種類和狀態(tài)12/4/202351產(chǎn)生偏離的原因理想氣體兩個假定:(1)分子不占有體積(2)分子之間沒有作用力§2-4實(shí)際氣體狀態(tài)方程
2/4/202352§2-4實(shí)際氣體狀態(tài)方程
范圍廣,精度差范圍窄,精度高提出最早,影響最大,范.德瓦爾斯方程幾百種狀態(tài)方程1873年提出,從理想氣體假設(shè)的修正出發(fā)VanderWaalsequation2/4/2023531、范德瓦爾方程(1873年)范德瓦爾考慮到兩點(diǎn):
1.氣體分子有一定的體積,所以分子可自由活動的空間為(Vm-b) 2.氣體分子間的引力作用,氣體對容器壁面所施加的壓力要比理想氣體的小,用內(nèi)壓修正壓力項(xiàng)。
§2-4
實(shí)際氣體狀態(tài)方程2/4/202354如何確定a和b?
物性曲線(相變)圖等溫線在臨界點(diǎn)處存在拐點(diǎn),于是
:§2-4
實(shí)際氣體狀態(tài)方程2/4/202355
在P-v圖上物性曲線§2-4
實(shí)際氣體狀態(tài)方程臨界點(diǎn)H2OPcr
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