1Chap.3Thepropertiesofgasandsteam氣體和蒸汽的性質(zhì)2蒸汽動力裝置流程Steampowerequipment簡單蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)簡圖550C0過熱器鍋爐給水泵冷凝器冷卻水汽輪機發(fā)電機QQ12W20C0高溫高壓蒸汽Wp3Powerengine（動力機）1.

小體積2.大流速3.絕熱q

0ws=-△h

=

h1-

h2>0軸功是由焓的變化轉(zhuǎn)變而來的4Heatexchanger（換熱器）Heatdischargeofhot沒有做功的部分:HotflowColdflowh1h2h1’h2’Heatabsoptionofcold焓的變化5教學(xué)目標(biāo):

使學(xué)生能結(jié)合工程實際，熟練應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程，解決工程實際問題,了解蒸汽的產(chǎn)生過程及蒸汽的性質(zhì)。知識點：理想氣體（包括理想氣體混合物）概念；理想氣體狀態(tài)方程；理想氣體比熱；狀態(tài)參數(shù)計算；水和水蒸氣的性質(zhì)。重點：理想氣體狀態(tài)方程的各種表述形式，利用狀態(tài)方程及公式進行熱力計算，理想氣體比熱的物理意義以及該參數(shù)在工程中的應(yīng)用特點，水和水蒸氣的熱力性質(zhì)圖表。難點：理想氣體狀態(tài)方程在工程中的應(yīng)用范圍、特點，理想氣體比熱的計算公式。Chap.3Thepropertiesofgasandsteam6Chap.3Thepropertiesofgasandsteam3-1理想氣體的概念3-2理想氣體的比熱容3-3理想氣體的熱力學(xué)能、焓和熵3-4水蒸氣的飽和狀態(tài)和相圖3-5水的汽化過程和臨界點3-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)3-7水蒸氣表和圖7一、Twotypesofsubstance

1.Idealgas（理想氣體）

hypothesis(理想假設(shè))：Themolecules(分子)ofidealgasareelastic(彈性)particlesthathavenovolume（無體積）;Thereisnoanyforceamongthemoleculesofidealgas（分子間無作用力）;U=u(T)（Nointernalpotentialenergy沒有內(nèi)位能）氣體分子的運動規(guī)律極大地簡化了，分子兩次碰撞之間為直線運動，且彈性碰撞無動能損失。8Twotypesofsubstance

1.Idealgas（理想氣體）Simplifiedgasmodel(簡化模型)： Toanalyzethermodynamicprocess（定性分析熱力過程）；Todeductsomesimplerelationbetweenstateproperties（定量推導(dǎo)參數(shù)間關(guān)系）.9

壓力比較低，體積大，常溫/高溫，遠離液態(tài)的稀薄氣體Idealgasconditions（理想氣體的條件）T>常溫，p<7MPadiatomicmolecule(雙原子分子)IdealgasO2,N2,Air,CO,H2Noidealgasinrealworld理想氣體是不存在的

什么樣的氣體可以簡化成理想氣體？10Twotypesofsubstance2.Realgas（實際氣體）Realgasdoesnotaccordwithidealgashypothesisandcannotbedescribedbysimplestateequation（不符合理想氣體假設(shè)）.

steam(水蒸氣)andrefrigerationsubstances（制冷工質(zhì)）

aretreatedasrealgas（實際氣體）。因為，這類物質(zhì)臨界溫度較高，蒸氣在通常的工作溫度和壓力下離液態(tài)不遠。當(dāng)空氣中含有少量的水蒸氣（濕空氣）或者含有少量CO2的燃氣，在溫度不太低的時候，可以視為理想氣體。Thereisonlyasmallquantityofsteaminwetairandcarbondioxide(CO2)infuelgas,sothemixedwetairormixedgascanbetreatedasidealgaswhentheirtemperatureisnotverylow.注意：12quiz理想氣體是一種抽象模型，所有氣體在壓力很高時都不能簡化為理想氣體？

正確，但是壓力的高低是相對的。如對于空氣（2MPa以下）、水蒸氣（濕空氣中，幾kPa）。13二、Ideal-gasequationofstate--理想氣體狀態(tài)方程式Thestateofgascanbeexpressedbystateproperty;空氣的狀態(tài)由狀態(tài)方程確定。Threebasicproperties:P、V、T；基本狀態(tài)參數(shù)Forequilibriumstate:Twobasicpropertiesdetermineastate,otherpropertycanbecalculatedbythetwoproperties,andthecalculateequationiscalledequationofstate.狀態(tài)方程式是表征各基本狀態(tài)參數(shù)間關(guān)系的函數(shù)。14二、Ideal-gasequationofstate--理想氣體狀態(tài)方程式Gasconstant氣體常數(shù)EquationdeductionGetpressurebystatistics（統(tǒng)計方法得到的）MeasurementofT溫度的度量Equationofstateforidealgas氣體的壓力：單個分子的動能：15Gasconstant氣體常數(shù):RgEquationofstateforidealgas：Clapeyronequation科拉貝隆方程波爾茲曼常數(shù)Rg：Relatetogastype與氣體種類有關(guān);notrelatetothestateofgas.與氣體狀態(tài)無關(guān)Unit:Relation：P、v、Tandstate.16Gasconstant氣體常數(shù):RgRgvalueforsomecommongas物質(zhì)名稱化學(xué)式相對分子質(zhì)量

氫H22.0164124.0氦He4.0032077.0甲烷CH416.043518.3氨NH317.031488.2水蒸氣H2O18.015461.5氮N228.013296.8一氧化碳CO28.011296.8二氧化碳CO244.010188.9氧O232.0259.8空氣—28.97287.017三、Molarspecificmass(摩爾質(zhì)量M)Definitionof1mol：物質(zhì)中包含的基本單元數(shù)與0.012kg碳12的原子數(shù)目相等時物質(zhì)的量。Moleculequantitycontainedin1molanysubstance（1mol任何物質(zhì)的分子數(shù)）：6.0225×1023。Molarspecificmass(摩爾質(zhì)量)Substancemassof1mol（一摩爾物質(zhì)的質(zhì)量），M，g/mol。Molarquantitycalculation(物質(zhì)的量計算)：18Definition：Gasvolumeof1mol.1mol氣體的體積。Molarspecificvolume(摩爾容積Vm)v：specificvolume,m3/kgM:摩爾質(zhì)量，g/mol。19Molarspecificvolume(摩爾容積Vm)Avogadro’shypothesis（阿伏伽德羅假說）:

MolarspecificvolumeisidenticalforanygasundertheconditionsofsamePandT.Standardcondition：Vmisusuallyusedtodenotequantity.20UniversalGasconstant(摩爾氣體常數(shù))M:與氣體狀態(tài)無關(guān)Rg：與氣體狀態(tài)無關(guān)研究MRg的性質(zhì)：對任意兩個物質(zhì)1、2MRg與氣體種類無關(guān)！21UniversalGasconstant(摩爾氣體常數(shù))UniversalGasconstant--摩爾氣體常數(shù)（通用氣體常數(shù)）既與狀態(tài)無關(guān)也與氣體性質(zhì)無關(guān)的普適恒量！22DifferencebetweenRgandRR—摩爾氣體常數(shù)Rg—氣體常數(shù)M---摩爾質(zhì)量[g/mol]Example:與氣體種類無關(guān)與氣體種類有關(guān)23Equationsofstate不同形式的狀態(tài)方程：Attention:

RgandRVandVm狀態(tài)方程UnitP例3-1

已知氧氣瓶的容積，瓶內(nèi)氧氣溫度為20℃，安裝在瓶上的壓力表指示的壓力為15MPa，試求瓶內(nèi)氧氣的質(zhì)量是多少？設(shè)大氣壓力為Pa。解：氧氣：例3-2

剛性容器中原先有壓力為p1、溫度為T1的一定質(zhì)量的某種氣體，已知其氣體常數(shù)為R。后來加入了3kg的同種氣體，壓力變?yōu)閜2、溫度仍為T1。試確定容器的體積和原先的氣體質(zhì)量m1。解：26Ccanbeusedtocalculateinternalenergy(熱力學(xué)能U),enthalpy（焓H）,quantityofheat（熱量Q），entropy(熵S).Definition:Theheatrequiredtoraisethetemperatureofunitmassofasubstancebyonedegree(單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1K或1oC所需的熱量).3–2Specificheatcapacityofidealgas—理想氣體的比熱容27Typesofspecificheatcapacity比熱容c:質(zhì)量熱容Cm:摩爾熱容c’:體積熱容Cm=1000M·c=22.414c’28過程量還是狀態(tài)量?cofspecialprocessc1

atconstantvolume（定容）c2atconstantpressure（定壓）Ts(1)(2)1

Kc1c229Specificheatatconstantvolume--氣體定容比熱容對于可逆過程定容比熱容：可逆定容過程的比熱容對于理想氣體CV=f(T)30Specificheatatconstantpressure--氣體定壓比熱容對于任何可逆過程定壓比熱容：可逆定壓過程的比熱容ForidealgasCp=f(T)31Detailexplanationofcvandcp1.cvandcp

：Fordeterminedprocess,theycanbetreatedasstateproperty確定的過程可看作是狀參.2.Noidealgasconditionrequired:anygas3.Usecvand

cptocalculateh,u,s

.Physicalmeaningof

cV：Internalenergyincreasewhentemperatureofunitmassincrease1degreeatconstantvolume定容過程單位質(zhì)量增加1度時的熱力學(xué)能增量.Physicalmeaningof

cp：Enthalpyincreasewhentemperatureofunitmassincrease1degreeatconstantpressure.定壓過程單位質(zhì)量工質(zhì)增加1度時焓的增量32Valueofcvandcpofsomesubstances0oC時：cv,air=

0.716kJ/kg.Kcp,air=

1.004

kJ/kg.Kcv,O2=

0.655kJ/kg.Kcp,O2=

0.915

kJ/kg.K1000oC時：cv,air=

0.804kJ/kg.Kcp,air=

1.091

kJ/kg.Kcv,O2=

0.775kJ/kg.Kcp,O2=

1.035

kJ/kg.K25oC時：cv,H2O=

cp,H2O=

4.1868

kJ/kg.K33RelationbetweencvandcpMayer’sformula（邁耶公式）Idealgas342.PhysicalmeaningofRg：Discussion3.Foridealgas:cp>cv。1.cp=f(T)andcV=f(T),butcp–cV=Rg(constant).35Constantv0ConstantPTb=Tc=(T+1)KSoDiscussion：cp>cvpvabcTT+1實驗測定：CpCv36Specificheatcapacityratio—理想氣體的比熱比γ37Calculateheatusingc如何計算CPrinciple:Differentcalculationmethodsfordifferenterrorrequirement:Realc(真實比熱容積分)Tableofmeanc(利用平均比熱表)Lineofmeanc(利用平均比熱直線)Constantc(定值比熱容)38RealcIdealgas(1)曲線關(guān)系面積ABCDA=面積1BC01-面積1AD01ct012ABD(t1)C(t2)=q02-q01Tableofmeanspecificheatcapacity--利用平均比熱容表見附表5，比熱容的起始溫度同為0°C，這時同一種氣體的只取決于終態(tài)溫度t求O2在100-500℃平均定壓熱容附:線性插值42Meanclinefunction平均比熱容直線關(guān)系式Supposec=a+bt,soMeanclinefunctionbetweent1andt21)Coefficientoft：b’=b/22)tvalue:t=t1+t2Atention:43MoleculemotiontheoryConstantc--按定比熱計算DegreeoffreedomSingleMDoubleMManyMCv,m[kJ/kmol.K]Cp,m[kJ/kmol.K]γ1.671.41.29443-3Internalenergy,enthalpyandentropy理想氣體的等溫線即等熱力學(xué)能線、等焓線！

對于理想氣體，任何一個過程的熱力學(xué)能變化量都和溫度變化相同的定容過程的熱力學(xué)能變化量相等;任何一個過程的焓變化量都和溫度變化相同的定壓過程的焓變化量相等。45討論1.對于理想氣體，一切同溫限之間的任何過程u和h相同，且均可用cVT及cpT計算；2.對于實際氣體，u和h不僅與T有關(guān)，還與過程有關(guān)，且只有定容過程u=cV

T

，定壓過程h=cpT。pvabcTd461.2.cv:realvalue3.cv:meanvalue

UofidealgasIdealgas,anyprocessT1u1T2u212471.

2.cp:realvalue3.cp:meanvalue

Hofidealgas4.Forair,lookupintable8T1h1T2h212Idealgas,anyprocess48ArbitrarilysetU0,usually0K.Zerovaluesetforinternalenergyandenthalpy熱力學(xué)能和焓值0點的選取 Ifseth0℃=0kJ/k，thenu0℃=-273.15Rg，so可任取參考點,令其熱力學(xué)能為零,但通常取0K。49Entropy(狀態(tài)參數(shù)熵)1.Definition(定義)：Idealgas,reversibleprocess1.以為參數(shù)ΔSofidealgasΔSofidealgas兩邊微分2.以為參數(shù)3.以為參數(shù)52ConstantcEntropydifference：idealgas狀參！53ΔSofidealgas1.ConstantC：542.通過查表計算,根據(jù)下式計算:S0是如何確定的呢？ΔSofidealgas55

p0=101325Pa、T0=0K時，規(guī)定這時{

}=0，任意狀態(tài)（T，p）時s值為：狀態(tài)（T，p0）：S0僅取決于溫度T，可依溫度排列制表（見附表8）取基準(zhǔn)狀態(tài)：56

1kg空氣從初態(tài)p1=0.1MPa，t1=100℃，經(jīng)歷某種變化后到終態(tài)p2=0.5MPa，t2=1000℃，變比熱容,求：熵變解：A41115511查表

2kmol某種理想氣體由127℃，5atm，冷卻到

27℃，1atm，已知該氣體的求上述過程的熵變解：A4111552因為是理想氣體氣體熱容為溫度的函數(shù)時過程的熵變計算，沒有什么困難，多個積分而已。593-4水蒸氣的飽和狀態(tài)和相圖水蒸氣在空氣中含量極小，當(dāng)作理想氣體一般情況下，為實際氣體，使用圖表18世紀(jì)，蒸氣機的發(fā)明，是唯一工質(zhì)直到內(nèi)燃機發(fā)明，才有燃氣工質(zhì)目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì)

優(yōu)點:便宜，易得，無毒，膨脹性能好，傳熱性能好是其它實際氣體的代表60飽和溫度和飽和壓力

SaturatedTemperatureandPressure1.汽化vaporization：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài)的過程。

汽化方式（vaporization

ways）： 蒸發(fā)（evaporation）：汽化過程在液體表面發(fā)生。 沸騰（Boil）：汽化過程在液體表面及內(nèi)部同時發(fā)生。

蒸發(fā)和沸騰的異同點？汽化與液化(vaporizationandliquefaction)61飽和溫度和飽和壓力

SaturatedTemperatureandPressure2.液化liquefaction

：物質(zhì)由汽態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。液化的速度取決于空間蒸汽的壓力。汽化與液化(vaporizationandliquefaction)62飽和溫度和飽和壓力液體分子脫離其表面的汽化速度汽體分子回到液體中的液化速度＝這時液體與蒸汽處于動態(tài)平衡狀態(tài)，稱為飽和狀態(tài)飽和液體飽和蒸汽飽和狀態(tài)63飽和溫度和飽和壓力-SaturatedTandSaturatedP

處于飽和狀態(tài)的汽、液溫度相同，稱為飽和溫度ts，蒸汽的壓力稱為飽和壓力psts上升，ps上升；

ps上升，ts上升。64SaturatedTandSaturatedPps=1.01325barTs=100℃青藏ps=0.6barTs=85.95℃高壓鍋ps=1.6barTs=113.32℃結(jié)論：一定的飽和溫度對應(yīng)于一定的飽和壓力，反之也成立，即兩者間存在單值關(guān)系。6566SaturatedTandSaturatedP使未飽和液達飽和狀態(tài)的途徑：67定義：固、液、汽三相共存的狀態(tài)分析：1)當(dāng)壓力低于ptp時，液相不可能存在，而只 可能是汽相或固相。ptp稱為三相點壓力， 對應(yīng)的飽和溫度ttp稱為三相點溫度。

2)三相點溫度和壓力是最低的飽和溫度和飽和 壓力。

3)各種物質(zhì)在三相點的溫度與壓力分別為定 值，但比體積則隨固、液、汽三相的混合比 例不同而異。水的三相點溫度和壓力值：三相點683-5水的汽化過程和臨界點工業(yè)上所用的水蒸氣都是在定壓加熱設(shè)備中產(chǎn)生的。一般經(jīng)過三個階段：預(yù)熱階段汽化階段過熱階段水蒸氣定壓生成過程6970717273747576777879未飽和水狀態(tài)飽和水狀態(tài)濕飽和蒸汽狀態(tài)干飽和蒸汽狀態(tài)過熱蒸汽狀態(tài)過熱階段水蒸氣的定壓生成過程飽和水的汽化階段水的預(yù)熱階段說明：在此可代表3-5水的汽化過程和臨界點80預(yù)熱階段-Preheatedstage飽和水未飽和水（過冷水）狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)：這個階段所需的熱量稱為液體熱ql81汽化階段-Vaporizationstage干飽和蒸汽飽和水濕(飽和)蒸汽濕飽和蒸汽：飽和水與飽和蒸汽混合物這個階段所需的熱量稱為汽化潛熱82濕蒸汽中飽和蒸汽所占的質(zhì)量百分比。干度x（Dryness）：83過熱階段-Superheatedstage過熱蒸汽干飽和蒸汽這個階段所需的熱量稱為過熱熱qsup。t-ts稱為過熱度84StateofLiquidandvapor未飽和液，過冷液飽和液濕飽和蒸氣干飽和蒸氣過熱蒸氣Saturatedliquidt=tsdry-saturatedvapor;dryvaport=tswet-saturatedvapor;wetvapor t=tsSuperheatedvapor t>ts,t–ts=d稱過熱度(degreeofsuperheat)。

Subcooledliquidt<ts汽化潛熱LatentheatofVaporization85水蒸氣定壓生成過程中熱量的計算1.水的定壓預(yù)熱階段1Ts液體熱2.飽和水的定壓汽化過程汽化潛熱3.水蒸氣的定壓過熱過程2過熱熱1kg水從1狀態(tài)被加熱到2狀態(tài)所吸收的熱量水蒸氣定壓生成過程中熱量的計算各種工質(zhì)均具有類似水的性質(zhì)二、水定壓加熱汽化過程的p-v圖及T-s圖一點臨界點Criticalpoint兩線上界限線下界限線三區(qū)液汽液共存汽五態(tài)未飽和水飽和水濕蒸汽干飽和蒸汽過熱蒸汽89思考題沒有。t>374.16℃有2.有沒有500oC的水？1.北方冬天晾在外邊的衣服，是否經(jīng)過液相3.有沒有-3℃

的蒸氣？903-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)

stateproperty水及水蒸氣的參數(shù)計算中不必求其絕對值，僅求其增量或減少量，故可規(guī)定一任意起點。國際水蒸氣會議規(guī)定，水的三相點即273.16K的液相水作為基準(zhǔn)點，規(guī)定其熱力學(xué)能及熵為0，即對于t0=ttp=0.01℃、p0=ptp=611.659Pa的飽和水有：一、零點規(guī)定91

忽略水的壓縮性，即比體積v不變，又溫度不變，則:

uo=u0’=0,w=0q=0so=so’≈0,h0=uo+p0v0≈03-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)stateproperty二、溫度為0.01oC、壓力為P的過冷水92飽和水狀態(tài)：3-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)stateproperty三、溫度為t、壓力為P的未飽和水T=0.01℃,Puo=u0’=0,w=0,q=0so=so’=0,h0=uo+p0,v0=093四、壓力為P的干飽和蒸汽3-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)94五、壓力為p的濕飽和蒸汽3-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)由ts（或ps）與x共同確定：95六、壓力為P的過熱蒸汽過熱度：t–ts3-6水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)963-7水蒸氣表和圖

水與水蒸氣的狀態(tài)參數(shù)p、v、t、h、s均可從水蒸氣圖表中查到，圖表中沒有的參數(shù)，可根據(jù)參數(shù)間的一般關(guān)系計算得到，如u按u=h-pv計算。97一、水蒸氣表飽和水及干飽和蒸汽表（表3－6）未飽和水及過熱蒸汽表（表3－7）

查表

蒸汽表判斷工質(zhì)所處的狀態(tài)查相應(yīng)的表或進行相應(yīng)的計算98一、水蒸氣表t℃pMpav’m3/kgv’’m3/kgh’kJ/kgh’’kJ/kgrkJ/kgs’kJ/kg.Ks’’kJ/kg.K00.00061120.00100022206.154-0.052500.512500.6-0.00029.154450.00087250.00100008147.04821.022509.712488.70.07639.0236150.00170530.0010009477.91062.962528.072465.10.22488.7794250.00316870.0010030243.362104.772546.292441.50.36708.5560350.00562630.0010060525.22146.592564.382417.80.50508.3511700.0311780.001022765.0443293.012626.102333.10.95507.75401100.1432430.001051561.2106461.332691.262229.91.41867.23861500.475710.001090460.39286632.282746.352114.11.84206.83812001.553660.001156410.12732852.342792.471940.12.33076.4312(1).飽和水和干飽和蒸汽表(changewithtemperature（溫度）)99一、水蒸氣表(2).飽和水和干飽和蒸汽表

(changewithpressure（壓力）)pMpat℃v’m3/kgv’’m3/kgh’kJ/kgh’’kJ/kgrkJ/kgs’kJ/kg.Ks’’kJ/kg.K0.0016.94910.0010001.129.18529.212513.292484.10.10568.97350.0145.79880.001010314.673191.762583.722392.00.64908.14810.199.6340.00104321.6943417.522675.142257.61.30287.35891.0179.9160.00112720.19438762.842777.672014.82.13886.58592.0212.4170.00117670.099588908.642798.591890.02.44716.33953.0233.8930.00121660.0666621008.22803.191794.92.64546.18545.0233.8930.00128620.0394391154.22793.641639.52.92015.9724100一、水蒸氣表(2).未飽和水和過熱蒸汽表p=0.01Mpap=0.1Mpat℃v(m3/kg)h(kJ/kg)s(kJ/kg.K)v(m3/kg)h(kJ/kg)s(kJ/kg.K)5014.8692591.88.17320.0010121209.40.70376015.3362610.88.23130.0010171251.220.83127015.8022629.98.28760.0010227293.070.95498016.2682648.98.3422