熱力學(xué)第三章理想氣體

熱力學(xué)第三章理想氣體第1頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章(一)

理想氣體的性質(zhì)第2頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容熟練掌握并正確應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程式。正確理解理想氣體比熱容的概念；熟練掌握正確應(yīng)用定值比熱容、平均比熱容來計(jì)算過程熱量，以及計(jì)算理想氣體熱力學(xué)能、焓和熵的變化。第3頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么引入理想氣體的概念@氣態(tài)物質(zhì)具有顯著的膨脹壓縮能力,適合做為熱力過程的工質(zhì)@視其距液態(tài)的遠(yuǎn)近,分為氣體和蒸氣@工程熱力學(xué)需要過程工質(zhì)的熱力性質(zhì)方面的知識(shí)第4頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工程熱力學(xué)的兩大類工質(zhì)1、理想氣體（idealgas）其狀態(tài)方程可用簡(jiǎn)單的式子描述如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣為主的燃?xì)狻⒖照{(diào)中的濕空氣等2、實(shí)際氣體（realgas）其狀態(tài)方程不能用簡(jiǎn)單的式子描述，真實(shí)工質(zhì)

如火力發(fā)電的水和水蒸氣、制冷空調(diào)中制冷工質(zhì)等§3-1理想氣體的概念第5頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

但是,當(dāng)實(shí)際氣體p

很小,V

很大,T不太低時(shí),即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時(shí),可視為理想氣體。

理想氣體模型現(xiàn)實(shí)中沒有理想氣體1.

分子之間沒有作用力2.

分子本身不占容積第6頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)實(shí)際氣體p

很小,V

很大,T不太低時(shí),即處于遠(yuǎn)離液態(tài)的稀薄狀態(tài)時(shí),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(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣為主的燃?xì)獾热臃肿樱℉2O,CO2)一般不能當(dāng)作理想氣體空調(diào)的濕空氣，高溫?zé)煔獾腃O2

，可以看作是理想氣體特殊：第7頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§3-2理想氣體狀態(tài)方程一.理想氣體狀態(tài)方程(即克拉貝隆方程)四種形式的克拉貝隆方程：注意:

Rg與R

摩爾容積Vm狀態(tài)方程統(tǒng)一單位第8頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.摩爾質(zhì)量與摩爾容積Vm摩爾:

物質(zhì)中包含的基本單元數(shù)(熱力學(xué)中為分子)與0.012kg碳12的原子數(shù)目(6.0225×1023)相等時(shí)物質(zhì)的量即為1摩爾1mol物質(zhì)的質(zhì)量稱為摩爾質(zhì)量,用M表示1mol物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)值上等于物質(zhì)的

相對(duì)分子質(zhì)量Mr1mol物質(zhì)的體積稱為摩爾體積,Vm=Mv第9頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月阿伏伽德羅假說相同p

和T

下各理想氣體的摩爾容積Vm相同在標(biāo)準(zhǔn)狀況下Vm常用來表示數(shù)量第10頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.摩爾氣體常數(shù)RgR——通用氣體常數(shù)(與氣體種類無關(guān))

Rg——?dú)怏w常數(shù)(隨氣體種類變化)M-----摩爾質(zhì)量例如第11頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算時(shí)注意事項(xiàng)1、絕對(duì)壓力2、溫度單位

K3、統(tǒng)一單位（最好均用國(guó)際單位）第12頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-1】一鋼瓶的容積為0.03m3，其內(nèi)裝有壓力為0.7MPa、溫度為20℃的氧氣?，F(xiàn)由于使用，壓力降至0.28MPa，而溫度未變。問鋼瓶?jī)?nèi)的氧氣被用去了多少？解：根據(jù)題意，鋼瓶中氧氣使用前后的壓力、溫度和體積都已知，故可以運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程式求得所使用的氧氣質(zhì)量。

氧氣處于初態(tài)1時(shí)的狀態(tài)方程為：

故初態(tài)1時(shí)的氧氣質(zhì)量為：

第13頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-1】氧氣處于終態(tài)2時(shí)的狀態(tài)方程為：

故終態(tài)2時(shí)的氧氣質(zhì)量為：

被用去的氧氣質(zhì)量為：

第14頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-2】某300MW機(jī)組鍋爐燃煤所需的空氣量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為120×103m3/h，送風(fēng)機(jī)實(shí)際送入的空氣溫度為27℃，出口壓力表的讀數(shù)為5.4×103Pa。當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?.1MPa，求送風(fēng)機(jī)的實(shí)際送風(fēng)量（m3/h）。

解第15頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-2】在實(shí)際工程中常常涉及標(biāo)準(zhǔn)立方米作為單位的情形，這樣就要將“標(biāo)準(zhǔn)體積”與“實(shí)際體積”進(jìn)行換算。在利用狀態(tài)方程計(jì)算涉及體積流量和質(zhì)量流量的問題時(shí)，只需將體積流量qv視為體積V，質(zhì)量流量qm視為m即可，此時(shí)狀態(tài)方程應(yīng)為第16頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月WeknowittakesmoreenergytowarmupsomematerialsthanothersForexample,ittakesabouttentimesasmuchenergytowarmupapoundofwater,asitdoestowarmupthesamemassofiron.§3-3理想氣體的比熱容第17頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SpecificHeatsAlsocalledtheheatcapacityEnergyrequiredtoraisethetemperatureofaunitmassbyonedegreeUnitsJ/(kg0C)

or

kJ/(kgK)單位物量的物質(zhì)升高1K或1oC所需的熱量第18頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算內(nèi)能、焓、熱量都要用到熱容c:質(zhì)量比熱容摩爾比熱容C’:

容積比熱容Cm=Mc=22.414C’一、理想氣體的比熱容第19頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ts(1)(2)1K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第20頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定容比熱容cv任意可逆過程u是狀態(tài)量，設(shè)

定容物理意義：v時(shí)1kg工質(zhì)升高1K，內(nèi)能的增加量第21頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定壓比熱容cp任意可逆過程h是狀態(tài)量，設(shè)

定壓物理意義：p時(shí)1kg工質(zhì)升高1K，焓的增加量第22頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定容比熱容cv及定壓比熱容cp第23頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ConsideraconstantpressuresystemIttakesmoreenergytowarmupaconstantpressuresystem,becausethesystemboundariesexpandYouneedtoprovidetheenergytoincreasetheinternalenergydotheworkrequiredtomovethesystemboundary第24頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月We’llworryaboutthemathlater,but…CpisalwaysbiggerthanCvhincludestheinternalenergyandtheworkrequiredtoexpandthesystemboundaries第25頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Cp

andCvareproperties(狀態(tài)參數(shù))Bothareexpressedintermsofuorh,andT,whichareproperties（它們的表達(dá)式是由u或h,以及T組成，而狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)組合還是狀態(tài)參數(shù)）Becausetheyareproperties,theyareindependentoftheprocess!!（既然是狀態(tài)參數(shù)，它們與過程無關(guān)!!）Theconstantvolumeorconstantpressureprocessdefineshowtheyaremeasured,buttheycanbeusedinlotsofapplications（所謂定容或定壓比熱容僅與它們的測(cè)量方式有關(guān)，但是對(duì)于它們可以應(yīng)用在多方面，也就是說就像壓力和溫度一樣，在任何情況下，物質(zhì)都有定壓或定容比熱容）第26頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月cv和cp的說明1、

cv和cp

，過程已定,可當(dāng)作狀態(tài)量。2、前面的推導(dǎo)沒有用到理想氣體性質(zhì)，所以3、

h、u、s的計(jì)算要用cv和cp

。適用于任何氣體第27頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般工質(zhì):

理想氣體：邁耶公式二.理想氣體cp與cv的關(guān)系令比熱比第28頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.利用比熱容計(jì)算熱量摩爾定容比熱容過程吸熱平均比熱容氣體的比熱容摩爾定壓比熱容第29頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、按定比熱

2、按真實(shí)比熱計(jì)算理想氣體熱容的計(jì)算3、按平均比熱法計(jì)算理想氣體熱容的計(jì)算第30頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子運(yùn)動(dòng)論1、按定比熱計(jì)算理想氣體熱容運(yùn)動(dòng)自由度單原子雙原子多原子Cv,m[J/mol.K]Cp,m

[J/mol.K]k1.671.41.29第31頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、按真實(shí)比熱計(jì)算理想氣體的熱容根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理理想氣體第32頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、按平均比熱計(jì)算理想氣體的熱容t

t2

t1

c(cp,cv)

附表5、6

c=f(t)

攝氏℃第33頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-3】試計(jì)算每千克氧氣從200℃定壓加熱至380℃和從380℃定壓加熱至900℃所吸收的熱量。（1）按平均比熱容計(jì)算；（2）

按定值比熱容計(jì)算解

（1）從附表中查得氧氣如下平均比熱容的值：

第34頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-3】則可計(jì)算得

每千克氧氣從200℃定壓加熱至380℃所吸收的熱量為：每千克氧氣從380℃定壓加熱至900℃所吸收的熱量為：

第35頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【例3-3】（2）因?yàn)檠鯕馐请p原子氣體，又是定壓加熱，查表3-2得氧氣的定壓千摩爾定值比熱容為

可計(jì)算得氧氣定壓下的定值質(zhì)量比熱容

則

第36頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§3-4理想氣體的u、h、s和熱容一、理想氣體的u和h1843年焦耳實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理想氣體pAB絕熱自由膨脹真空T不變v運(yùn)用熱力學(xué)第一定律第37頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體的熱力學(xué)能u理氣絕熱自由膨脹

p

v

T不變

理想氣體u只與T有關(guān)第38頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體熱力學(xué)能的物理解釋熱力學(xué)能＝內(nèi)動(dòng)能＋內(nèi)位能T,v

理想氣體無分子間作用力，熱力學(xué)能只決定于內(nèi)動(dòng)能如何求理想氣體的熱力學(xué)能u?T§3-4理想氣體的u、h、s和熱容第39頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體熱力學(xué)能的計(jì)算適用于理想氣體，任何過程理想氣體

實(shí)際氣體第40頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體的焓適用于理想氣體，任何過程理想氣體實(shí)際氣體理想氣體h只與T有關(guān)第41頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熵的定義:

可逆過程

理想氣體二.理想氣體的熵pv=RgT僅可逆適用？第42頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.理想氣體熵變的計(jì)算h、u、s的計(jì)算要用cv和cp第43頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月適用于理想氣體任何過程1.

2.

cv為真實(shí)比熱3.

cv為平均比熱理想氣體u