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文檔簡介
工程熱力學讀書筆記
2011/6/1
第一局部:緒論
1、工程熱力學
工程熱力學是研究熱能有效利用及其熱能與其他形式能量轉換規(guī)律的科學。
2、熱力學分類
工程熱力學(熱能與機械能),物理熱力學,化學熱力學等
3、熱力裝置的共同特點
熱源和冷源、工質、容積變化功、循環(huán)
4、熱效率
=收益
w_
5、工程熱力學研究內容
能量轉換的根本定律,工質的根本性質和熱力過程,熱工轉換設備及其工作原理,化學
熱力學根底。
6、工程熱力學研究方法
(1)宏觀方法:連續(xù)體(continuum),用宏觀物理量描述其狀態(tài),其根本規(guī)律是無數經
驗的總結(如:熱力學第一定律)。
特點:可靠,普遍,不能任意推廣
經典(宏觀,平衡)熱力學
(2)微觀方法:從微觀粒子的運動及相互作用角度研究熱現象及規(guī)律
特點:揭示本質,模型近似
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微觀(統(tǒng)計)熱力學
第一章:根本概念
1、熱力系統(tǒng)
(1)熱力系統(tǒng)(熱力系、系統(tǒng)):人為指定的研究對象(如:一個固定的空間);
(2)外界:系統(tǒng)以外的所有物質;
(3)邊界(界面):系統(tǒng)與外界的分界面;
(4)系統(tǒng)與外界的作用都通過邊界;
(5)以系統(tǒng)與外界關系劃分:
有無
是否傳質開口系閉口系
是否傳熱非絕熱系絕熱系
是否傳功非絕功系絕功系
是否傳熱、功、質非孤立系孤立系
(6)簡單可壓縮系統(tǒng)
只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功;
2、狀態(tài)和狀態(tài)參數
(1)狀態(tài):某一瞬間熱力系所呈現的宏觀狀況
(2)狀態(tài)參數:描述熱力系狀態(tài)的物理量
(3)狀態(tài)參數的特征:
?狀態(tài)確定,那么狀態(tài)參數也確定,反之亦然
?狀態(tài)參數的積分特征:狀態(tài)參數的變化量與路徑無關,只與初終態(tài)有關
?狀態(tài)參數的微分特征:全微分
(4)強度參數與廣延參數
?強度參數:與物質的量無關的參數,如壓力P、溫度T
?廣延參數:與物質的量有關的參數可加性,如質量m、容積V、內能(也稱之
為:熱力學能)U、焰H、焙S
比參數:VUs
v=—u=——s=—
mmm
比容比內能比焙比燧
3、根本狀態(tài)參數
(1)壓力p(pressure)
?物理中壓強,單位:Pa(Pascal),N/m2()
?絕對壓力與環(huán)境壓力的相對值一一相對壓力;
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?只有絕對壓力P才是狀態(tài)參數;
?大氣壓隨時間、地點變化;
(2)溫度T(Temperature)
傳統(tǒng):冷熱程度的度量。感覺,導熱,熱容量;
微觀:衡量分子平均動能的量度;
熱力學第零定律(R.W.Fowlerin1931),如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡,
那么兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。
如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡,那么兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡。
處于同一熱平衡狀態(tài)的各個熱力系,必定有某一宏觀特征彼此相同,用于描述此宏觀特
征的物理量溫度。
溫度是確定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。
(3)比容v(specificvolume)---工質的稀疏程度。
V
?v--Em3/kg]
m
4、平衡狀態(tài)
(1)定義:
在不受外界影響的條件下(重力場除外),如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數不隨時間變化,那么該系
統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。
(2)幾種平衡狀態(tài)
?熱平衡Thermalequilibrium:ifthetemperatureisthesamethroughoutthe
entire
?力平衡Mechanicalequilibrium:ifthereisnochangeinpressureatanypoint
ofthesystemwithtime
?相平衡Phaseequilibrium:whenthemassofeachphasereachesanequilibrium
levelandstaysthere
?化學平衡Chemicalequilibrium:ifitschemicalcompositiondoesnotchange
withtime.Thatis,nochemicalreactionsoccur.
(3)平衡的本質
平衡的本質是不存在不平衡勢。
?溫差一熱不平衡勢
?壓差一力不平衡勢
?相變一相不平衡勢
?化學反響一化學不平衡勢
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?穩(wěn)定不一定平衡,但平衡一定穩(wěn)定
?平衡不一定均勻,單相平衡態(tài)那么一定是均勻的
穩(wěn)定:參數不隨時間變化
穩(wěn)定但存在不平衡勢差
去掉外界影響,
則狀態(tài)變化
若以(熱源+銅棒+冷
源)為系統(tǒng),又如何?
穩(wěn)定不一定平衡,但平衡一定穩(wěn)定
(4)為什么引入平衡概念?
如果系統(tǒng)平衡,可用一組確切的參數(壓力、溫度)描述。但平衡狀態(tài)是死態(tài),沒有能
量交換,為此,引入準靜態(tài)過程。
5、狀態(tài)方程、坐標圖
(1)狀態(tài)公理
?對組元一定的閉口系,獨立狀態(tài)參數個數N=n+1;
?獨立參數數目N=不平衡勢差數=能量轉換方式的數目=各種功的方式+熱量=n+1(n
為容積變化功、電功、拉伸功、外表張力功等);
?只交換熱量和一種準靜態(tài)的容積變化功,簡單可壓縮系統(tǒng):N=n+1=2;
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閉口系:狀態(tài)公理Statepostulate
不平衡勢差1狀態(tài)變化—能量傳遞
消除一種一達到某一一消除一種能量
不平衡勢差方面平衡傳遞方式
而不平衡勢差彼此獨立
獨立參數數目.、三不平衡勢差數
=能量轉換方式的數目
=各種功的方式+熱量=〃+1
(2)狀態(tài)方程
?根本狀態(tài)參數(p,v,T)之間的關系,其方程的形式取決于工質的性質。
?理想氣體的狀態(tài)方程:PV=mRT
(3)座標圖
常見p-v圖和T-s圖
簡單可壓縮系統(tǒng)N=2,平面坐標圖
1)系統(tǒng)任何平衡態(tài)可
表示在坐標圖上
2)過程線中任意一點
為平衡態(tài)
3)不平衡態(tài)無法在圖
V上用實線表示
常見下,圖和質圖
6、準靜態(tài)過程、可逆過程
準靜態(tài)過程
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Pl=Po+重物假如重物有無限多層
每次只去掉無限薄一層
系統(tǒng)隨時接近于平衡態(tài)
P\
1.
(2)準靜態(tài)過程的工程條件
?破壞平衡所需時間(外部作用時間)>>恢復平衡所需時間(馳豫時間)
?有足夠時間恢復新平衡稱之為準靜態(tài)過程,一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程。
例:活塞式內燃機2000轉/分I一二
曲柄2沖程/轉,0.15米/沖程I一L
活塞運動速度=2000x2x0.15/60=10m/s
壓力波恢復平衡速度(聲速)350m/s
破壞平衡所需時間>>恢復平衡所需時間
(外部作用時間)(馳豫時間)
一般的工程過程都可認為是準靜態(tài)過程
具體工程問題具體分析。“突然”“緩慢”
(3)準靜態(tài)過程的容積變化功
?5w=pdv
以汽缸中akg工質為系統(tǒng)
初始:pxA=°外x4+f
如果夕外微小Jd/很小,近似認為p不變
可視為準靜態(tài)過程
.F加如工質發(fā)生容積變
,\上_________化對外界作的功
?^W=pxAxd/=pdV
:川P外1kg工質
=pdv
卜d/
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mkg工質:
1kg工質:
上式僅適用于
EE2F準靜態(tài)過程
1—2
?準靜態(tài)容積變化功的說明
1)單位為[kj]或
[kj/kg]
2)p-V圖上用面積表示
3)功的大小與路徑有關,
程量Pathfunction
4)統(tǒng)一規(guī)定:dV>0,膨脹,
外作功(正);dV<0,壓縮,
內作功(負)
5)適于準靜態(tài)下的任何工
(一般為流體)
6)外力無限制,功的表達式只是系統(tǒng)內部參數
7)有無f,只影響系統(tǒng)功與外界功的大小差異
(4)可逆過程的定義
?系統(tǒng)經歷某一過程后,如果能使系統(tǒng)與外界同時恢復到初始狀態(tài),而不留下任何痕跡,
那么此過程為可逆過程。可逆過程只是指可能性,并不是指必須要回到初態(tài)的過程。
?可逆過程的實現
準靜態(tài)過程(無不平衡勢差)+無耗散效應(通過摩擦使功變熱的效應(摩阻,電阻,
非彈性變性,磁阻等))=可逆過程
?引入可逆過程的意義
1)準靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程,但并非最優(yōu)過程(準靜態(tài)過程中的功可以轉換
為熱),可逆過程是最優(yōu)過程。
2)可逆過程的功與熱完全可用系統(tǒng)內工質的狀態(tài)參數表達,可不考慮系統(tǒng)與外界的復
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雜關系,易分析。
3)實際過程不是可逆過程,但為了研究方便,先按理想情況(可逆過程)處理,用
系統(tǒng)參數加以分析,然后考慮不可逆因素加以修正。
?完全可逆、內可逆與外可逆
完全可逆Totallyreversible
可逆的部可理,外部不可逆Y常見
Internallyreversible
外部可逆,內部不可逆
Externallyreversible
例:
0℃
內可逆
外不可逆90℃
7、功量
(1)功的熱力學定義I
當熱力系與外界發(fā)生能量傳遞時,如果對外界的唯一效果可歸結為取起重物,此即為熱
力系對外作功。
(2)功的熱力學定義II
功是系統(tǒng)與外界相互作用的一種方式,在力的推動下,通過有序運動方式傳遞的能量。
(3)功的表達式
功的一般表達式
熱力學最常見的功—容積變化功
=fpdv
其他準靜態(tài)功:拉伸功,表面張力功,電功等
8、熱量與烯
(1)熱量定義
熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式,在溫度的推動下,以微觀無序運動方式傳
遞的能量。
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(2)熱量與容積變化功
能量傳遞方式容積變化功傳熱量
性質過程量過程量
推動力壓力P溫度T
志dV,dvdS,ds
條件準靜態(tài)或可逆可逆
(3)烯(Entropy)的定義
reversible
bQrev
dS廣延量[kJ/K]
T
比參數[kJ/kg.K]
怒:可逆過程的應除以傳熱時的7所得的商
(4)燧的說明
1)燧是狀態(tài)參數
2)符號規(guī)定
系統(tǒng)吸熱時為正Q>0dS>0
系統(tǒng)放熱時為負Q<0dS<0
3)嫡的物理意義:隔表達了可逆過程傳熱的大小與方向
4)用途:判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量
(5)示功圖與示熱圖
%=JpdVQ=\Tds
9、熱力循環(huán)
(1)熱力循環(huán)
熱力系統(tǒng)經過一系列變化回到初態(tài),這一系列變化過程稱為熱力循環(huán)。
(2)兩種循環(huán)
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正循環(huán):凈效應(對外作功,吸熱)逆循環(huán):凈效應(對內作功,放熱)
制冷循環(huán):制冷系數
動力循環(huán):熱效率
二收益.吸熱_。2
WWF
收益
開
17OF制熱循環(huán):制熱系數
凈功_獷
,收益放熱
*=麗=兩一萬
第二章:熱力學第一定律
1.熱力學第一定律的本質
(1)本質:能量轉換及守恒定律在恐過程中的應用
(2)閉口系循環(huán)的熱一律表達式:H=要想得到
功,必須花費熱能或其他能量。熱一律又可表述為“第一
類永動機是不可能制成的〃
2.熱力學第一定律推論一一內能
定義11r=80-8fF
內能〃狀態(tài)函數
閉口系熱一律表達式
°=AU+W
!!!兩種特例
絕功系82=dt7
絕熱系5/=-<|”
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=W7
C移動
rV分廣動能\轉動rotation
、振動
AV代表某微元過程中系統(tǒng)通過邊界vibration
7分「位能bindingforces
交換的微熱量與微功量兩者之差值,也
內能<
即系統(tǒng)內部能量的變化。
化學能chemicalenergy
U代表儲存于系統(tǒng)內部的能量
-內儲存能(內能、熱力學能)I核能nuclearenergy
系統(tǒng)總能totalenergy
外部儲存能macroscopicformsofenergy
1
宏觀動能kinetic£k=me/!}機械能
宏觀位能potentialE=mgz
?內能是狀態(tài)量stateproperty
系統(tǒng)總能
E=U+4+Ep?U:廣延參數[kJ]
?it:比參數IkJ/kg]
e=w+ek+ep
?內能總以變化量出現,內能零點人為定
一般與系統(tǒng)同坐標,常用U,dU,",d"
熱一律的文字表達式
熱一律:能量守恒與轉換定律
進入系統(tǒng)J離開系統(tǒng)|_系統(tǒng)內部儲存
的能隊的熊魚J一|能量的變化
3.閉口系能量方程
Pointfunction---Exactdifferentials■一d
Pathfunction-Inexactdifferentials-8
8</=dw+6wI
功(bw)是廣義功GeneralizedWork
一閉口系與外界交換的功量
準靜態(tài)容積變化功pd"
拉伸功6叫伸=-刈
表面張力功表面張力=_/(L4
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準靜態(tài)和可逆閉口系能量方程
簡單可壓縮系準靜態(tài)過程
bw=pAv
的=d〃+pdv熱一律解析式之一
夕=A〃+Jpdv
簡單可壓縮系可逆過程
61=Tds
熱力學恒等式
JTds=A〃+Jpdv
4.開口系能量方程
推進功的表達式對推進功的說明
推進功(流動功、推動功)/1、與宏觀流動有關,流動停止,推進功不存在
Flowwork2、作用過程中,工質僅發(fā)生位苴變化,無狀態(tài)變化
咻=p4d/=pb3、”,推與所處狀態(tài)有關,是狀態(tài)量
4、并非工質本身的能量(動能、位能)變化引起,
而由外界(泵與風機)做出,流動工質所攜帶的能量
可理解為:由于工質的進出,外界與系統(tǒng)之
間所傳遞的一種機械功,表現為流動工質進
[,沒有變化出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能儲
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2
3。+8/Mjn(?+I)y+cl2+g*n-8%
2
-8??out(?+P^C/2+gz)oat=d£cy
工程上常用流率
0=d£/3r+(〃+pv+c「/2+gz)mt
\/outou
-(〃+7?v+c2/2+gz)“〃7in+Wnet
定義:焰h=u+pv
當有多條進出口:
3=d//〃+Met
Q=dEcv/6r+Wnei
+Z(〃+pv+C212+gz)Wout+2
?E(h+c/2+gz)outW0Ut
**
一,+pv+C2/2+gz)/Win一£(h+C2/2+gz"min
流動時,總一起存在開口系能量方程
-EnthalDv5^^
定義:/>=//+pv|kJ/kg]
H=U+pV|kJ]
1、轉是狀態(tài)量stateproperty
2、,為廣延參數H=U+pV=/H(w4y?r)=mh
分為比參數
3、對流動工質,蜷代表能量(內能+推進功)
對靜止工質,途不代表鈍堂
4、物理意義:開口系中隨工質流動而攜帶的、取決
于猴力狀態(tài)的即SL
5,穩(wěn)定流動能量方程
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0=ConstWout="7m=Hl0=(onst
穩(wěn)定流動條件穩(wěn)定流動條件
(ons!=H、
(onst=ns
叫5
0=d%/”+0o+w5
+c2/2+gz)t/Woui
+(/?+c:/2+gz'ou.n,
-(A+C2/2+gz)nWin一(力+c,/2+gz)m
穩(wěn)定流動能量方程的推導
,c2
\Q="?〃+y+gzh+^+gz
OUI布」
2
q=Nh+—Ac+gAz+w8
Q=mq
5—IkgJL質
q=h+—+gzh+—+gz任何流動工質
out
g=A/?+;Ac'+gAz+%任何穩(wěn)定流動過程
單位質量工質的開口與閉口
閉口系(1kg)
q=Aw+(vv,
容利?變化功
技術功
/
q=A/?
閉口q=Aw+w
卜等價
穩(wěn)流開口q=Nk+wt
r容積變化功卬
技術功”、d/2
幾種功的關系?
軸功叫做功的根源⑷|”
〔推進功A(pv)
△/V)
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準靜態(tài)下的技術功
w=A(py)+叱.Sw=4(py)+5叱
,
對功的小結準靜態(tài)pch=d(p\?+6Wf
Sw=pd\,-d(pv)=pdv—(pch,+vdp)=—vdp
1,閉口系.系統(tǒng)與外界交換的功力容積變化功Rt
2、開口系.系統(tǒng)與外界交換的功為軸功也(>W=--j\dp
3、一般情況下忽略動、位能的變化
6q=du+pd\'熱一律解析式之一
準靜態(tài)I
\6q—dly-v(ipI熱一律解析式之二
6.穩(wěn)定流動能力方程的應用舉例
2
q=Nh+\c/2+gAz+ws
熱力學問題經常可忽略動、位能變化
例:J=1m/sc2=30m/s
22
(c2-q)/2=0.449kJ/kg
Zi=0mz2=30m
g(G-Z。=0.3kJ/kg
Ibar下,0℃水的hx=84kJ/kg
100°C水蒸氣的h2=2676kJ/kg
q=Ah+ws
透平(Turbine)機械
q是流過裝置的單位質量
例1:透平(Turbine)機械工質與外界交換的熱超
1)休積不大
火力發(fā)電
蒸汽輪機2)流量大
核電Steamturbine3)保溫層
(7?0
飛機發(fā)動機
燃氣機
輪船發(fā)動機ws=-AA
輸出的軸功是靠炮降轉變的
移動電站=//j-//2>0
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例2:壓縮機械Compressor壓縮機械
火力發(fā)電Iq=Nh+
水泵
核電J1)體積不大
2)流量大
飛機發(fā)動機
3)保溫層
輪船發(fā)動機壓氣機
7?0
移動電站
制冷卬S=-
壓縮機
輸入的軸功轉變?yōu)闊?h-Zr<0
空調x2
換熱設備
例3:換熱設備HeatExchangers
h2
火力發(fā)電:鍋爐、凝汽器*流體
核電:熱交換器、凝汽器
冷流體
制冷
蒸發(fā)器、冷凝器熱流體放熱量:7=A/?=//2-/?,<0
空調
冷流體吸熱量:q=A/?=h2-hx>0
絕熱節(jié)流
例4:絕熱節(jié)流ThrottlingValves
管道閥門
制冷
卜膨脹閥、毛細管
空調」
絕熱節(jié)流過程,前后〃不變,但不是處處相等
第三章:理想氣體的性質和過程
17/91
火力發(fā)電裝置工程熱力學的研究內容
1、能量轉換的基本定律
%2.工質的基本性質與熱力過程
3、熱功轉換設備、工作原理
4、化學熱力學基礎
工程熱力學的兩大類工質
1、理想氣體(idealgas)
可用簡單的式子描述
如汽車發(fā)動機和航空發(fā)動機以空氣為
主的燃氣、空調中的濕空氣等
2、實際氣體(realgas)
不能用簡單的式子描述,真實工質
火力發(fā)電的水和水蒸氣、制冷空調中
制冷工質等
1.理想氣體狀態(tài)方程
摩爾容積Molarspecificvolume(Em)
理想氣體定義:阿伏伽德羅假說Avogadro'shypothesis:
凡遵循克拉貝龍(Clapeyron)方程的氣體相同P和7下各理想氣體的
摩爾容積匕相同
四種形式的克拉貝龍方提
在標準狀況下(P。=L01325xlO'Pa
狀Ikmol:pV=RJ
mT=273.15K)
態(tài)o
nkmol:pV=n^T
方與”2.414%/
1kg:pv=RTK
程統(tǒng)一單位
mkg:pV=mRTK,常用來表示數量日
Am與K的區(qū)別
Rm——通用氣體常數
UniversalGasconstant
4=8.31431%代水|計算時注意事項
R----氣體常數Gasconstant
1、絕對壓力
R=[kJ/kg.K.]]與氣體種類有關.
M■M-----Molarmass2.溫度單位K
例如
&=念=器=°287%.KB3.統(tǒng)一單位(最好均用國際單位)
18/91
理想氣體模型Modelofideal-gas哪些氣體可當作理想氣體
當實際氣體P很小很大,7不
1.分子之間沒有作用力太低時,即處于遠離液態(tài)的稀薄狀態(tài)
2.分子本身不占容積時,可視為理想氣體。
蘭)實中沒有理想氣體-A的常溫蔡,子p<7分M子Pa卜.噌理二相勺百體上
但是,當實際氣體p很小,/很大,如汽車發(fā)動機和航空發(fā)動機以空氣為主的燃氣等
7不太低時,即處于遠離液態(tài)的稀薄狀三原子分子(IhO'COJ一般不能當作理想氣體
態(tài)時,可視為理想氣體。特殊可以,如空調的濕空氣,高溫煙弋的CO?
2.比熱容
計算內能,爛,熱量都要用到熱容
比熱容
定義:比熱容cM
dtC:質量比熱容%.K%g"
單位物量的物質升高1K或1?C所需的熱量
,?:摩爾比熱容"/mol.K%m0|.℃
Theenergyrequiredtoraisethe
O:容積比熱容%m3.K%3.?
temperatureofaunitmassofamC
substancebyonedegree
C/M-c=22.414C'
Cy和Cp的說明
定壓比熱容C
Specificheatatconstantpressure1、q和,過程已定,可當作狀態(tài)量。
任意準靜態(tài)過程=du+pdv=dh-vdp2、前面的推導沒有用到理想氣體性質
力是狀態(tài)量,設JBEBL
4=(防)》
〃a、介,加、,
出=(行)M+(即)3
適用于任何氣體。
ahahf
.?.西=喘)0打+K新-W#定壓G物理意義:G)時1kg工質升高1K內能的增加量
Cp物理意義:?時1kg工質升高1K培的增加量
.??%=(而)/明)小管」3、h、“、s的計算要用q和Cp。
19/91
常見工質的.和Cp的數值
(PC時:
cv,aIr=0.716kJ/kg.Kcp>alr=1.004kJ/kg.K
cVjO2=0.655kJ/kgKCp02=0.915kJ/kg.K
100(PC時:
cv(air=0.804kJ/kgKCpH,.=1.091kJ/kgJ<
q,()2=0.775kJ/kg.KcpO2=1.035kJ/kg.K
[25<>C時:]
C“I2O=CP,H2O=41868kJ/kg.K
3.理想氣體的u、h、s和熱容
一、理想氣體的“
1843年焦耳實驗,對于理想氣體
理想氣體內能的物理解釋
理想氣體“只與7有關
內能=內動能+內位能
Ii
TT,v
理想氣體無分子間作用力,內能只
決定于內動能
?如何求理想氣體的內能“
20/91
§3-4理想氣體熱容、“、為和s的計算
.dvdp
dh=cpdTd$=c。—+q上
yp
/,、“、s的計算要用q和Cp=&心
Tv
I理想氣體熱容的計算方法:
1。聲Rdp
TP
邁耶公式Mayer為formula1、按定比熱
2、按真實比熱計算
比熱比
3、按平均比熱法計算
2、按真實比熱計算理想氣體的熱容
1、按定比熱收型想氣體熱容
分子運動論國胞不颶譬爾理想氣體BBiB]
du=/(7)L=4=/,(T)
K-吟°FIaT
單原子雙原子多原子根據實驗結果整理
3凡
C^|kJ/kmol.K]丸C=%+―+%〃+4〃+
2"2r2融
5八日9
7Cpm=b°+bJ+b2T2+bT+.
C[kJ/kmol.K|一4W-R-R
pm221a2m
62
1.671.41.29CpJ<134a//?=2.1015+0.03252T-17.457xl0T
3、按平均比熱計算理想氣體的熱容
理想氣體A“的計算
■與休.任何過程
^^=cvAT=cy(T,-T,)
2.R.為真實比熱
3.c、為平均比熱
A"=G『(4-G
4.若為空氣,直接直附表2A〃=〃2一
理想氣體A%的計算
助=7仃三理想氣體,過程
Cp=constAh=CpAT
2.%為真實比熱
3.4為平均比熱
△力=*《-7;)
4.若為空氣,直接查
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