理想氣體的性質(zhì)與熱力過程課件

1、第三章 理想氣體的性質(zhì)與熱力過程12壓氣機管式空氣預(yù)熱器四沖程發(fā)動機工作循環(huán)示意圖3工質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換的媒介，是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的內(nèi)部條件，工質(zhì)的性質(zhì)影響能量轉(zhuǎn)換的效果。本章研究理想氣體的熱力性質(zhì)（內(nèi)部條件）及熱力過程（外部條件）中的規(guī)律。理想氣體是一種經(jīng)過科學抽象的假想氣體，在自然界中并不存在。但是，在工程上的許多情況下，氣體工質(zhì)的性質(zhì)接近于理想氣體。因此，研究理想氣體的性質(zhì)具有重要的工程實用價值。3-1 理想氣體狀態(tài)方程式 41. 理想氣體與實際氣體 熱機的工質(zhì)通常采用氣態(tài)物質(zhì)：氣體或蒸氣。 氣體：遠離液態(tài)，不易液化。 蒸氣：離液態(tài)較近，容易液化。 5（1）理想氣體分子的體積忽略不計；（2）理想氣

2、體分子之間無作用力；（3）理想氣體分子之間以及分子與容器壁的碰撞都是彈性碰撞。 理想氣體在自然界并不存在，但常溫下，壓力不超過5MPa的O2、N2、H2、CO等實際氣體及其混合物都可以近似為理想氣體。另外，大氣或燃氣中少量的分壓力很低的水蒸氣也可作為理想氣體處理。 理想氣體是一種經(jīng)過科學抽象的假想氣體，它具有以下3個特征：2. 理想氣體狀態(tài)方程式 6又稱克拉貝龍方程式。Rg 為氣體常數(shù)，單位為J/(kgK)，其數(shù)值取決于氣體的種類，與氣體狀態(tài)無關(guān)。(附表21)對于質(zhì)量為m 的理想氣體， 物質(zhì)的量：n ，單位： mol（摩爾）。 摩爾質(zhì)量： M ，1 mol物質(zhì)的質(zhì)量，kg/mol。 物質(zhì)的多少

3、還以物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）來衡量。 7物質(zhì)的量與摩爾質(zhì)量的關(guān)系：1kmol物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)值與氣體的相對分子質(zhì)量的數(shù)值相同。摩爾質(zhì)量與氣體的相對分子量之間的關(guān)系：8令，則得R 稱為摩爾氣體常數(shù)。根據(jù)阿佛伽德羅定律，同溫、同壓下任何氣體的摩爾體積Vm都相等，所以任何氣體的摩爾氣體常數(shù)R 都等于常數(shù)，并且與氣體所處的具體狀態(tài)無關(guān)。R= 8.314J/(molK)摩爾體積 Vm ：1 mol物質(zhì)的體積， m3/mol。 9氣體常數(shù)Rg 與摩爾氣體常數(shù)R 的關(guān)系：可得物質(zhì)的量為 n 的理想氣體的狀態(tài)方程式由式3-2 理想氣體的熱容、熱力學能、焓和熵 101. 熱容定義：物體溫度升高1K（或1）所需要的熱量稱為

4、該物體的熱容量，簡稱熱容。 摩爾熱容：1 mol物質(zhì)的熱容，Cm，J/(mol K)。 比熱容（質(zhì)量熱容）：單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容，c ，J/(kgK)。 思考：比熱容是狀態(tài)參數(shù)嗎？11物體熱容量的大小與物體的種類及其數(shù)量有關(guān)，此外還與過程有關(guān)，因為熱量是過程量。如果物體初、終態(tài)相同而經(jīng)歷的過程不同，則吸入或放出的熱量就不同。在熱工計算中常涉及定容過程和定壓過程，所以又可分為比定容熱容和比定壓熱容，定義如下：比定容熱容 比定壓熱容 其中， 和 分別代表微元定容過程和微元定壓過程中工質(zhì)與外界交換的熱量。12據(jù)熱力學第一定律，對微元可逆過程， 熱力學能 u 是狀態(tài)參數(shù)， ，其全微分為： 對定容過程，

5、,由上兩式可得 13由比定容熱容定義式可得由此可見，比定容熱容是在體積不變的情況下比熱力學能對溫度的偏導數(shù)，其數(shù)值等于在體積不變的情況下物質(zhì)溫度變化1K時比熱力學能的變化量。 同理，焓也是狀態(tài)參數(shù)， ，其全微分為： 對定壓過程， ,由上兩式可得 14由比定壓熱容的定義式可得由此可見，比定壓熱容是在壓力不變的情況下比焓對溫度的偏導數(shù)，其數(shù)值等于在壓力不變的情況下物質(zhì)溫度變化1K時比焓的變化量。 2. 理想氣體的比熱容15（1）理想氣體的比定容熱容與比定壓熱容由于理想氣體分子間不存在相互作用力，因此理想氣體的熱力學能僅包含與溫度有關(guān)的分子動能，只是溫度的單值函數(shù)，所以 對于理想氣體，根據(jù)焓的定義，

6、 可見，理想氣體的焓 h 也是溫度的單值函數(shù)。 由式可得由式可得16比定壓熱容和比定容熱容是狀態(tài)參數(shù)，與過程無關(guān)。對于簡單可壓縮系，它們應(yīng)是溫度、壓力的函數(shù)，但對理想氣體，它們僅是溫度的單值函數(shù)。即：理想氣體的cp與cV之間的關(guān)系：上式兩邊乘以摩爾質(zhì)量M，得 即摩爾定壓熱容 摩爾定容熱容 邁耶公式1718比熱容比：聯(lián)立式：得：思考：理想氣體的 和 之差及 和 之比是否在任何溫度下都等于一個常數(shù)？3. 理想氣體的熱力學能，焓和熵19（1）理想氣體的熱力學能與焓 理想氣體的熱力學能與焓都是溫度的單值函數(shù)。 由式可得理想氣體在任一過程中的熱力學能與焓的變化和可以分別由以上兩式計算，也可查表求得。2)

7、 理想氣體的熵 20根據(jù)熵的定義式及熱力學第一定律表達式，可得對于理想氣體， 代入上面兩式，可得 21比熱容為定值時 ，分別將上兩式積分，可得 將 全微分：化簡得：代入：22得：積分得：23結(jié)論：（1）理想氣體比熵的變化完全取決于初態(tài)和終態(tài)，與過程所經(jīng)歷的路徑無關(guān)。這就是說，理想氣體的比熵是一個狀態(tài)參數(shù)。 （2）雖然以上各式是根據(jù)理想氣體可逆過程的熱力學第一定律表達式導出，但適用于計算理想氣體在任何過程中熵的變化。 當比熱容為定值時：24第三章 理想氣體的性質(zhì)與熱力過程3-1 理想氣體狀態(tài)方程式注意： 與氣體種類有關(guān)，與狀態(tài)無關(guān) 與氣體種類無關(guān)，與狀態(tài)無關(guān)。3-2 理想氣體的熱容、熱力學能、焓

8、和熵熱容：對于理想氣體來說，25計算理想氣體的熱力學能、焓和熵 注：以上各式適用于理想氣體的任何過程。計算熱力學能、焓和熵的方法？熱力學第一定律理想氣體可逆過程26熱力學第一定律： 穩(wěn)定流動能量方程：可逆過程：理想氣體： 273-4 理想氣體的熱力過程1熱力過程的研究目的和方法28依據(jù)：熱力學第一定律表達式、理想氣體狀態(tài)方程式及可逆過程的特征關(guān)系式。任務(wù)：參數(shù)（ ）變化； 能量轉(zhuǎn)化關(guān)系 目的：了解外部條件對熱能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的影響，以便合理地安排熱力過程，提高熱能和機械能轉(zhuǎn)換效率。 分析方法： 采用抽象、概括的方法，將實際過程近似為具有簡單規(guī)律的典型可逆過程，如可逆定容、定壓、定溫、絕熱

9、過程等。 分析內(nèi)容與步驟： 1）確定過程方程式2）由過程方程和狀態(tài)方程建立初、終狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系3）在p-v圖和T-s圖上表示過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，進行定性分析，如功量、熱量的正負；4）求5）確定過程的功量和熱量。 292理想氣體的基本熱力過程 （1）定容過程：氣體比體積保持不變的過程。例如：汽油機中燃料燃燒過程。 1) 定容過程方程式及初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式 定容過程方程式：定容過程初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系: 理想氣體經(jīng)歷任何過程，熱力學能和焓的變化都為： 30312)定容過程在p-v圖和T-s圖上的表示 定容過程在p-v圖上為一條垂直于v 軸的直線。 12定容吸熱12定容放熱3

10、2對于定容過程,如果比熱容取定值，上式積分可見，定容線在T-s圖上為一指數(shù)函數(shù)曲線。由于T與cV都不會是負值，所以定容過程在圖上是一條斜率為正值的指數(shù)曲線。 其斜率為 =033 3) 定容過程的功量和熱量因為dv = 0，所以膨脹功為零，即技術(shù)功熱量焓的變化量比熱容為定值34（2）定壓過程氣體壓力保持不變的過程。例如：鍋爐汽包內(nèi)的飽和水吸熱過程。 1) 定壓過程方程式及初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式 定壓過程方程式：定壓過程初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系: 2) 定壓過程在 p-v 圖和 T-s 圖上的表示 定壓過程在p-v圖上為一條平行于v 軸的直線。 35對于定壓過程，若比熱容取為定值，將上式積分，可

11、得可見，定壓過程線在T-s圖上也是一指數(shù)函數(shù)曲線。其斜率為： 比較1)， 稱為比熱容比，對于理想氣體，一般用表示，通常稱為絕熱指數(shù)，也稱為定熵指數(shù)。1)定熵過程方程式及初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式 42 2)定熵過程在 p-v 圖和 T-s 圖上的表示 定熵過程初、終態(tài)基本狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系: 根據(jù) ，上式可變?yōu)榻^熱線斜率定溫線斜率43狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式:定熵過程的過程曲線:由過程方程得 可知在p-v圖上是一高次雙曲線定熵曲線的斜率:定溫曲線的斜率:大于44對于比熱容為定值的理想氣體， 上式適用于比熱容為定值的理想氣體的任何過程。 對于理想氣體的可逆過程， 代入上式 3)定熵過程的功量和熱量膨脹功:45技術(shù)功上式適用于流動工質(zhì)的可逆與不可逆絕熱過程。 對于比熱容為定值的理想氣體， 對于理想氣體的可逆過程， 代入上式3*. 多變過程 46(1) 多變過程的定義及過程方程式 n稱為多變指數(shù)n = 0，p = 常數(shù)，定壓過程；n = 1，pv= 常數(shù)，定溫過程；n = ，pv = 常數(shù)，定熵過程；，v = 常數(shù)，定容過程。(2) 多變過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)