熱工基礎(chǔ) 課件第4章 實(shí)際氣體與水蒸氣的計(jì)算

第4章水蒸氣性質(zhì)和熱力過程實(shí)際氣體狀態(tài)變化的特點(diǎn)

一些熱能動(dòng)力裝置中的工質(zhì)經(jīng)常為離液態(tài)不遠(yuǎn)的蒸氣，某些情況下還發(fā)生相變轉(zhuǎn)變成液體，這類不能作為理想氣體處理的工質(zhì)統(tǒng)稱實(shí)際氣體。

雖然各種實(shí)際氣體的性質(zhì)都不相同，但是它們的熱力性質(zhì)所遵循的基本規(guī)律是相同的。

實(shí)際氣體狀態(tài)變化的規(guī)律及其計(jì)算方法與理想氣體有很大的差別。

4-1實(shí)際氣體（1）分子不占有體積（2）分子之間沒有作用力實(shí)際氣體狀態(tài)的近似計(jì)算

實(shí)際氣體理想氣體兩個(gè)假定：為反映實(shí)際氣體與理想氣體的偏離程度定義壓縮因子4-1實(shí)際氣體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4-1實(shí)際氣體壓縮性大小的原因

(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pZH2CO2idealgas取決于氣體種類和狀態(tài)1O24-1實(shí)際氣體范圍廣，精度差范圍窄，精度高范德瓦耳斯?fàn)顟B(tài)方程提出最早，影響最大，范德瓦耳斯?fàn)顟B(tài)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)4-1實(shí)際氣體（1）分子本身有體積，自由空間減小，同溫下增加碰撞壁面的機(jī)會(huì)，壓力上升理想氣體：（2）分子間有吸引力，減少對壁面的壓力吸引力范德瓦耳斯?fàn)顟B(tài)方程范德瓦耳斯?fàn)顟B(tài)方程4-1實(shí)際氣體對比狀態(tài)方程式

能不能找到一個(gè)普遍化的通用的狀態(tài)方程，雖不太準(zhǔn)，但能估算。上述經(jīng)驗(yàn)性狀態(tài)方程，不同物質(zhì)的a和b不同，沒有通用性。相似原理a和b的擬合需要足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。角相似，形狀相似4-1實(shí)際氣體普遍化狀態(tài)方程

發(fā)現(xiàn)各物質(zhì)物性曲線相似臨界點(diǎn)C，均有取對比參數(shù)用建立方程，有可能得到普遍化方程4-1實(shí)際氣體對比態(tài)原理不同物質(zhì)，p,T相同，v不同可以滿足同一個(gè)若兩個(gè)對比參數(shù)相等，另一個(gè)必相等

對比態(tài)原理

對比態(tài)方程滿足同一個(gè)對比態(tài)方程，稱為熱力學(xué)相似的物質(zhì)。4-1實(shí)際氣體對比態(tài)原理

另一形式的對比態(tài)方程取ZC為某常數(shù)大多數(shù)物質(zhì)ZC=0.23～0.314-1實(shí)際氣體4-1實(shí)際氣體處于飽和狀態(tài)的液體：t=ts

飽和液處于飽和狀態(tài)的蒸汽：t=ts干飽和蒸汽溫度低于所處壓力下飽和溫度的液體：t<ts未飽和液溫度高于飽和溫度的蒸汽：t>ts過熱蒸汽飽和液和干飽和蒸汽的混合物：t=ts濕飽和蒸汽ptr稱為三相點(diǎn)壓力。與之對應(yīng)的飽和溫度稱為三相點(diǎn)溫度ttr。當(dāng)p<ptr時(shí)，只存在氣相或固相。水的三相點(diǎn)溫度和壓力值定義：固、液、汽三相共存的狀態(tài)CD線表示了汽化過程中飽和壓力和飽和溫度關(guān)系，AD線表示了升華過程、BD線表示了熔化過程中的對應(yīng)關(guān)系。飽和壓力和飽和溫度關(guān)系見水蒸氣的p-T圖。當(dāng)t>tc時(shí)，只能存在氣相。故tc稱為臨界溫度。與之對應(yīng)的飽和壓力pc稱為臨界壓力pT液氣固水的相(p-T)圖TcpcOCADBTtrptr流體3、三相點(diǎn)4-1實(shí)際氣體活塞式汽缸中水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程。分析假設(shè)：氣缸中裝有1kg的水，初溫為0.01oC水面上有一個(gè)可以移動(dòng)的活塞，施加一定的壓力p（不同實(shí)驗(yàn)序號下維持恒定壓力），比體積為v0在容器底部對水加熱。水蒸氣定壓產(chǎn)生過程4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程

v0

p過熱階段水蒸汽的定壓產(chǎn)生過程汽化階段預(yù)熱階段未飽和水飽和水濕飽和蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽一、水蒸汽的定壓產(chǎn)生過程

v'

p

p

v''

p

vt<tst>tst=tst=ts

v0

pt=ts

p

vx4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程povabxdev0TTTsOsabxders蒸汽的形成過程的p-v圖及T-S圖（1）水的預(yù)熱階段：如圖中a-b所示，狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)未飽和水飽和水加熱4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程在第一階段中每千克水所吸收的熱量稱為液體熱。以表示（2）飽和水的汽化階段如圖中b-d段所示，狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)干飽和蒸汽飽和水濕(飽和)蒸汽壓力為p時(shí)飽和水的焓壓力為p時(shí)，溫度為t℃水的焓TTTsOsabxders4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程干飽和蒸汽的焓干度：指的是1kg濕蒸汽中含有干蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，用字母x表示濕度：指的是1kg濕蒸汽中所包含飽和水的質(zhì)量百分比，用字母y表示—濕蒸汽中所含干蒸汽的質(zhì)量—濕蒸汽的質(zhì)量mvmW飽和水的x=0;干飽和蒸汽的x=1在一定溫度下1kg飽和液體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑴囟鹊娘柡驼羝盏臒崃糠Q為汽化潛熱或簡稱汽化熱，用符號γ表示，單位kJ/kg。4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程（3）過熱階段，如圖中d-e所示，狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)過熱蒸汽干飽和蒸汽（t-ts）稱為過熱度，表示過熱蒸汽溫度超過該壓力下飽和溫度的程度。h—壓力為p時(shí)過熱蒸汽的焓TTTsOsabxders在階段吸熱量稱為過熱熱量，用qsup表示4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程（1）水的定壓預(yù)熱階段液體熱（2）飽和水的定壓汽化過程汽化潛熱（3）水蒸汽的定壓過熱過程過熱熱量1kg水從a狀態(tài)被加熱到e狀態(tài)所吸收的熱量TTTsOsabdesr二、水蒸汽定壓生成過程中熱量的計(jì)算4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程3、水蒸汽的p-v圖和T-s圖povcabdeTOsc4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程由上圖可總結(jié)為臨界點(diǎn)C飽和水線（下界線）、干飽和蒸汽線（上界線）未飽和水區(qū)（下界線左側(cè)）、濕蒸汽區(qū)（飽和曲線內(nèi)）、過熱蒸汽區(qū)（上界線右側(cè)）

未飽和水狀態(tài)、飽和水狀態(tài)、濕蒸汽狀態(tài)、干飽和蒸汽狀態(tài)、過熱蒸汽狀態(tài)

2線3區(qū)5態(tài)1點(diǎn)TOsc4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程臨界點(diǎn)c:上、下界線的交點(diǎn)。（1）水、汽差別消失，汽化在瞬間完成，汽化熱為零；（2）在臨界溫度以上，單純增壓不能使其液化（即tc是最高的飽和溫度）；（3）在臨界壓力及以上加熱時(shí)，當(dāng)達(dá)到臨界溫度時(shí)汽化在瞬間完成（即水的定壓加熱過程只有兩個(gè)階段）水蒸氣的臨界參數(shù)為：臨界壓力臨界溫度臨界比容是否有400oC的水？povcabde4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程二、水蒸氣的焓熵圖hosX=0aCdX=1x1x2定壓線定溫線a-c線為飽和水線c-d線為干飽和蒸汽線a-c-d線下面為濕蒸汽區(qū)c-d線的上方為過熱蒸汽區(qū)4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程hosX=0aCdX=1x1x2定壓線定溫線（1）定干度線（2）定壓線濕蒸汽區(qū)，T=Ts，直線過熱蒸汽區(qū)，斜率隨T增大而增大（3）定溫線（4）定容線4-2水蒸氣的定壓產(chǎn)生過程例利用水蒸氣表，確定t=100℃，h=2200kJ/kg的狀態(tài)和s。解：當(dāng)t=100℃時(shí)，由飽和水與干飽和蒸汽表查得h′=419.06kJ/kg，h″=2675.71kJ/kg，因?yàn)閔′<h<h″，故該狀態(tài)為濕蒸氣，根據(jù)干度的計(jì)算有則s=xs″+（1-x）s′=0.789×7.3545+(1-0.789)×1.3069=6.08kJ/(kg?k)查飽和水與干飽和蒸汽表得s′=1.3069kJ/(kg?k)，s″=7.3545kJ/(kg?k)4-3水蒸氣熱力性質(zhì)圖表

水蒸氣的基本熱力過程：

求解任務(wù)：

求解方法：

4-2壓氣機(jī)的熱力過程4-4水蒸氣的熱力過程一、概述定容，定壓，定溫和絕熱過程，以定壓和絕熱過程最常見（1）確定初，終態(tài)的參數(shù)；（2）確定過程中的熱量和功量。查表，圖，根據(jù)專用方程用計(jì)算機(jī)計(jì)算求解依據(jù)：

4-4水蒸氣的熱力過程熱力學(xué)第一定律及從它們推得的一般關(guān)系式，可逆過程。二、水蒸氣熱力過程計(jì)算x=1x22Vt11sOh水蒸氣定容過程1、水蒸氣定容過程4-4水蒸氣的熱力過程二、熱力過程計(jì)算x=1x22pt11sOh水蒸氣定壓過程2、水蒸氣定壓過程4-4水蒸氣的熱力過程二、熱力過程計(jì)算x=1x22Tt11sOh水蒸氣定溫過程3、水蒸氣定溫過程4-4水蒸氣的熱力過程二、熱力過程計(jì)算4、水蒸氣定熵過程4-3水蒸氣的熱力過程x=1t11sOhp1p2t22s水蒸氣絕熱過程4-2壓氣機(jī)的熱力過程4-4水蒸氣的熱力過程三、水蒸氣熱力過程求解步驟：

方法：（1）根據(jù)初態(tài)的兩個(gè)參數(shù)，確定其狀態(tài)，進(jìn)而確定其他參數(shù)（2）根據(jù)過程特征及一個(gè)終態(tài)參數(shù)確定終態(tài)及其他參數(shù)；（3）根據(jù)初，終態(tài)參數(shù)及過程特征，計(jì)算過程熱量Q及功W等。（1）查水蒸氣熱力性質(zhì)表（2）查水蒸氣h-s圖（3）根據(jù)專用方程用計(jì)算機(jī)計(jì)算4-4水蒸氣的熱力過程例水蒸氣從p1=1Mpa、t1=300℃可逆絕熱膨脹到p2=0.1MPa，求1kg水蒸氣所作的膨脹功和技術(shù)功。解：

用h-s圖求解x=1t11sOhp1p2t22s水蒸氣絕熱過程所以u1=h1-p1v1=3053-1×103×0.26=2793kJ/kg根據(jù)p1=1Mpa、t1=300℃,從h-s圖上查得1點(diǎn)為過熱蒸汽狀態(tài)h1=3053kJ/kg，v1=0.26m3/kg，s1=7.122kJ/(kg?K)(1)初始狀態(tài)參數(shù)4-4水蒸氣的熱力過程(3)膨脹功和技術(shù)功(2)終態(tài)參數(shù)根據(jù)p2=0.1Mpa，s2=s1=7.122kJ/(kg?K)，從1點(diǎn)做垂線交0.1Mpa的等壓線于點(diǎn)2，2點(diǎn)為濕蒸汽狀態(tài)，查得h2=2587kJ/kg，v2=1.61m3/kg，x2=0.961，t2=99.63℃所以u2=h2-p2v2=2587-0.1×103×1.61=2426kJ/kgw=u1-u2=2793-2426=367kJ/kgwt=h1-h2=3053-2587=466kJ/kgx=1t11sOhp1p2t22s水蒸氣絕熱過程4-4水蒸氣的熱力過程例水蒸氣從p1=1Mpa、t1=300℃可逆絕熱膨脹到p2=0.1MPa，求1kg水蒸氣所作的膨脹功和技術(shù)功。解：

用水蒸氣表求解(1)初始狀態(tài)參數(shù)根據(jù)p1=1Mpa、t1=300℃,查飽和水和干飽和蒸氣表，得ts=179.916℃，t1>ts，知1點(diǎn)為過熱蒸汽狀態(tài)，再查未飽和水和過熱水蒸氣表，得x=1t11sOhp1p2t22s水蒸氣絕熱過程h1=3050.4kJ/kg，v1=0.25793m3/kg，s1=7.1216kJ/(kg?K)所以u1=h1-p1v1=3050.4-1×103×0.25793=2792.5kJ/kg4-4水蒸氣的熱力過程例水蒸氣從p1=1Mpa、t1=300℃可逆絕熱膨脹到p2=0.1MPa，求1kg水蒸氣所作的膨脹