石油热工学第三章--理想气体幻灯片.ppt
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1、石油热工学第三章-理想气体第1页,共66页,编辑于2022年,星期一工质 内部条件 能量转换 外部条件热力过程第2页,共66页,编辑于2022年,星期一第一节第一节 概述概述物质的三态及相变过程物质的三态及相变过程第3页,共66页,编辑于2022年,星期一【本节基本要求本节基本要求】n(1)掌握工质掌握工质p-v-T热力学面的意义,了解物质的三种热力学面的意义,了解物质的三种集态及其相变过程。集态及其相变过程。n(2)了解工质的了解工质的p-T图、三相点及其特点。图、三相点及其特点。n(3)掌握实现热能和机械能转换的工质的特点。掌握实现热能和机械能转换的工质的特点。第4页,共66页,编辑于20
2、22年,星期一一、物质的三态及相变过程一、物质的三态及相变过程n集态形式:集态形式:n 固态、液态、气态固态、液态、气态n相:相:n 热力系中物理性质和化学组分完全均匀的部分。热力系中物理性质和化学组分完全均匀的部分。n相变过程(或集态变化):相变过程(或集态变化):n 在一定条件下相与相之间可以互相转化。在一定条件下相与相之间可以互相转化。第5页,共66页,编辑于2022年,星期一二、热力学面二、热力学面 在简单可压缩系中,由状态在简单可压缩系中,由状态方程方程F(p,v,T)=0可知,工质可知,工质的全部热力学状态在三维直的全部热力学状态在三维直角坐标系中构成的一个曲面,角坐标系中构成的一
3、个曲面,称为称为 p-v-T热力学面热力学面。清晰地反映了物质的三种集清晰地反映了物质的三种集态和相变过程。态和相变过程。单相区域:单相区域:S、L、V两相共存区域:两相共存区域:S-L、L-V、S-V固固S 液液L 气气V 液态凝固时液态凝固时体积缩小的物质体积缩小的物质 液态凝固时液态凝固时体积膨胀的物质体积膨胀的物质三相线三相线固、液、气三相平衡共存的状态点的集合。固、液、气三相平衡共存的状态点的集合。第6页,共66页,编辑于2022年,星期一三、三、p-T图图(相图相图)p-v-T热力学面在热力学面在p-T坐标面上的投影。坐标面上的投影。p-T图图清楚地反映了固、液、气三相间的关系,称
4、为清楚地反映了固、液、气三相间的关系,称为相图相图。p-v图图 p-v-T热力学面在热力学面在p-v坐标面上的投影;坐标面上的投影;描述热力状态及热力过描述热力状态及热力过程的重要状态参数坐标图。程的重要状态参数坐标图。水水第7页,共66页,编辑于2022年,星期一水的变化水的变化n融解过程:一定压力下,固态冰液态水;n (融点温度与压力的关系为融解曲线)n汽化过程:一定压力下,液态水气态水蒸气;n (沸点温度与压力的关系为汽化曲线)n升华过程:压力低于三相点,固态冰气态水蒸气n 只有固态、气态存在,液相不再存在。n (升华点温度与压力关系为升华曲线)固、液、汽三态共存的状态为三相态,三相点。
5、固、液、汽三态共存的状态为三相态,三相点。第8页,共66页,编辑于2022年,星期一四、三相点四、三相点在在p-T图上,融解线图上,融解线S-L、气化线、气化线L-V和升华线和升华线S-V的交的交点是点是热力学面热力学面中三相线的投影。中三相线的投影。对于确定的物质,其三相点的压力和温度是确定的;对于确定的物质,其三相点的压力和温度是确定的;其比体积是否确定?(其比体积是否确定?(否!否!其液相比体积不确定其液相比体积不确定)第9页,共66页,编辑于2022年,星期一五、工质及其热力性质五、工质及其热力性质n热能和机械能的相互转换是通过物质的体积变化实热能和机械能的相互转换是通过物质的体积变化
6、实现的;能迅速、有效实现体积变化的是气现的;能迅速、有效实现体积变化的是气(汽汽)相物相物质。质。n因此,工质仅指气相物质(气体)。因此,工质仅指气相物质(气体)。n主要针对:理想气体、实际气体、蒸气。主要针对:理想气体、实际气体、蒸气。n本课程对工质热力性质的讨论仅限于理想气体、本课程对工质热力性质的讨论仅限于理想气体、水蒸气和湿空气。水蒸气和湿空气。原则上,固、液、气三态物质均可作为热能与机械原则上,固、液、气三态物质均可作为热能与机械能相互转换所凭借的物质。能相互转换所凭借的物质。第11页,共66页,编辑于2022年,星期一第12页,共66页,编辑于2022年,星期一第二节第二节 理想气
7、体的热力性质和热力过程理想气体的热力性质和热力过程第13页,共66页,编辑于2022年,星期一【本节基本要求本节基本要求】(1)掌握理想气体的状态方程式。掌握理想气体的状态方程式。(2)掌握理想气体的各种比热容,并正确运用比热容计算理想气体掌握理想气体的各种比热容,并正确运用比热容计算理想气体的热力学能、焓和熵的变化。的热力学能、焓和熵的变化。(3)了解理想气体混合物的热力性质特点及基本计算。了解理想气体混合物的热力性质特点及基本计算。(4)掌握理想气体各热力过程的过程方程和基本状态参数间的关系,掌握理想气体各热力过程的过程方程和基本状态参数间的关系,能进行热力过程的功量和热量计算。能进行热力
8、过程的功量和热量计算。(5)能够将理想气体的各热力过程表示在能够将理想气体的各热力过程表示在p-v图和图和T-s图上,图上,并进行正确的分析。并进行正确的分析。第14页,共66页,编辑于2022年,星期一理想气体的热力性质理想气体的热力性质第15页,共66页,编辑于2022年,星期一一、理想气体及其状态方程一、理想气体及其状态方程 1、理想气体的概念、理想气体的概念凡是遵循凡是遵循克拉贝龙方程克拉贝龙方程的气体称为理想气体。的气体称为理想气体。对分子模型进行两点假设:对分子模型进行两点假设:(1)分子是不占据体积的弹性质点分子是不占据体积的弹性质点;(2)气体分子相互之间没有任何作用力。气体分
9、子相互之间没有任何作用力。从微观上讲,凡是符合上述假设的气体称为理想气从微观上讲,凡是符合上述假设的气体称为理想气体。体。第16页,共66页,编辑于2022年,星期一n工程中常用的工程中常用的O2、N2、H2、CO等,以及等,以及空气、燃气、烟气等工空气、燃气、烟气等工质,在通常使用温度、压力下都可作为理想气体处理。质,在通常使用温度、压力下都可作为理想气体处理。n水蒸气、氟里昂水蒸气、氟里昂蒸气蒸气、氨、氨蒸气蒸气等工质临界温度较高,在通常的工等工质临界温度较高,在通常的工作温度和压力下离液态不远,不能看作理想气体作温度和压力下离液态不远,不能看作理想气体。n理想气体是实际气体理想气体是实际
10、气体 、时的极限状态。时的极限状态。n大气中所含的少量水蒸气;燃气和烟气中含有的水蒸气和大气中所含的少量水蒸气;燃气和烟气中含有的水蒸气和CO2等,因分子浓度低、分压力甚小,等,因分子浓度低、分压力甚小,在温度不太低时仍可视为理在温度不太低时仍可视为理想气体。想气体。第17页,共66页,编辑于2022年,星期一假设:气体分子是不占据体积的弹性质点;理想气体的概念理想气体的概念分子相互之间没有任何作用力。实际气体实际气体:不符合上述两点假不符合上述两点假设的气态物质。设的气态物质。第18页,共66页,编辑于2022年,星期一工程热力学的两大类工质工程热力学的两大类工质1、理想气体(理想气体(id
11、eal gas)n可用简单的式子描述可用简单的式子描述;n例如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中例如汽车发动机和航空发动机以空气为主的燃气、空调中的湿空气等。的湿空气等。2、实际气体(、实际气体(real gas)n不能用简单的式子描述,真实工质不能用简单的式子描述,真实工质;n例如火力发电的水蒸气、制冷空调中制冷工质等。例如火力发电的水蒸气、制冷空调中制冷工质等。第19页,共66页,编辑于2022年,星期一2、理想气体状态方程、理想气体状态方程n克拉贝龙状态方程克拉贝龙状态方程1kg气体气体mkg气体气体n mol 气体气体1 mol 气体气体第20页,共66页,编辑于2022年
12、,星期一状态方程的应用状态方程的应用 1 1 求解平衡状态下的某参数;求解平衡状态下的某参数;2 2 计算两平衡状态间某参数的变化量;计算两平衡状态间某参数的变化量;3 3 标准状态与任意状态间的换算;标准状态与任意状态间的换算;4 4 求气体体积膨胀系数。求气体体积膨胀系数。1)必须采用绝对压力;)必须采用绝对压力;2)必须使用热力学温度【)必须使用热力学温度【K】;】;3)各物理量单位必须统一。)各物理量单位必须统一。注意事项注意事项第21页,共66页,编辑于2022年,星期一Rg与与R的区别的区别 R 通用气体常数通用气体常数(与气体种类无关与气体种类无关)Rg 气体常数气体常数(随气体
13、种类变化随气体种类变化)第22页,共66页,编辑于2022年,星期一第23页,共66页,编辑于2022年,星期一n例例l 把空气压送到体积为把空气压送到体积为3m3的贮气罐内,初始时表压力的贮气罐内,初始时表压力为为3 kPa,温度为,温度为20;压送终了时压力表读数为;压送终了时压力表读数为300 kPa,温度为,温度为50。n试求压送到贮气罐内的空气质量。试求压送到贮气罐内的空气质量。解:解:设大气压力为设大气压力为0.1 MPa,空气,空气Rg=0.287 kJ/(kgK)表压力表压力表压力表压力第24页,共66页,编辑于2022年,星期一 讨论讨论n(1)计算中使用计算中使用绝对压力绝
14、对压力。n实际工程中可以直接测到的是表压力或真空度,应根据实测实际工程中可以直接测到的是表压力或真空度,应根据实测值计算出绝对压力;值计算出绝对压力;n(2)由于贮气罐体积已知,充气前后的压力、温度已定,由于贮气罐体积已知,充气前后的压力、温度已定,故可由理想气体状态方程求充入气体的质量。故可由理想气体状态方程求充入气体的质量。n本题是本题是利用状态方程利用状态方程求气体质量求气体质量的典型题。的典型题。n仔细阅读仔细阅读教材例教材例3-1(p63)第25页,共66页,编辑于2022年,星期一 例例2 某锅炉每小时燃煤某锅炉每小时燃煤500 kg,估计燃烧,估计燃烧1 kg煤产生烟气约煤产生烟
15、气约10 m3(标准状态标准状态)。若烟囱出口烟气的压力为。若烟囱出口烟气的压力为p=0.1 MPa,温度为温度为T=480 K,设烟气流速为,设烟气流速为c=3 m/s,烟囱截面为圆形,烟囱截面为圆形,求烟囱出口处的内直径。求烟囱出口处的内直径。标准状态与任意状态间的换算标准状态与任意状态间的换算第26页,共66页,编辑于2022年,星期一 例例3:容容器器内内盛盛有有一一定定量量的的理理想想气气体体,如如果果将将气气体体放放出出一一部部分分后后达达到到了了新新的的平平衡衡状状态态,问问放放气气前前、后后两两个个平平衡衡状状态态之之间间参参数能否按状态方程表示为下列形式:数能否按状态方程表示
16、为下列形式:(a)(b)因为气体放出一部分后,容器中气体质量发生了变化:因为气体放出一部分后,容器中气体质量发生了变化:根据根据 、,而,而 可证。可证。解解放气前、后两个平衡状态之间参数:放气前、后两个平衡状态之间参数:不能用方程式(不能用方程式(a)描述,可按()描述,可按(b)形式描述。)形式描述。第27页,共66页,编辑于2022年,星期一第28页,共66页,编辑于2022年,星期一二、理想气体的比热容二、理想气体的比热容(一)比热容的定义(一)比热容的定义 1、热容、热容:物体温度升高一度(物体温度升高一度(1K或或1)所需)所需要的热量,要的热量,用用C表示表示。热热容容的的大大小
17、小不不仅仅与与物物体体的的种种类类及及其其质质量量有有关关,还与过程有关,因为热量是过程量。还与过程有关,因为热量是过程量。第29页,共66页,编辑于2022年,星期一2、比热容、比热容单位物量的物质升高单位物量的物质升高1K或或1所需的热量。所需的热量。质量比热容质量比热容c c:单位质量物质的热容,单位质量物质的热容,单位质量物质的热容,单位质量物质的热容,J/(kgK)J/(kgK)摩尔比热容摩尔比热容C Cmm:1mol1mol物质的热容,物质的热容,物质的热容,物质的热容,J/(mol K)J/(mol K)体积比热容体积比热容C:单位体积物质的热容,单位体积物质的热容,单位体积物质
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