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文檔簡介
工程熱力學(xué)
EngineeringThermodynamicsSAMChapterThree
PropertiesofIdealGasand
itsThermodynamicProcess
理想氣體的性質(zhì)及其熱力過程4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-1Summary
§3-1理想氣體的性質(zhì)
PropertiesofIdealGas§3-2理想氣體的熱力過程
ThermodynamicProcessofIdealGas4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-1§3-1理想氣體的性質(zhì)
PropertiesofIdealGas
1.理想氣體狀態(tài)方程Theideal-gasequationofstateFor1kgFor1kmolFormkgForn
kmol4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-2
熱力學(xué)能U為系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和,包括內(nèi)部動(dòng)能及內(nèi)部位能。
系統(tǒng)的熱力學(xué)能可表示為系統(tǒng)溫度與比容的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)
理想氣體的熱力學(xué)能僅是溫度的單值函數(shù),與比容無關(guān)。2.理想氣體的比熱力學(xué)能、比焓
Specificthermodynamicenergyandspecificenthalpyofideal-gas
比焓specificenthalpy:比熱力學(xué)能specificthermodynamicenergy:理想氣體
理想氣體的焓僅是溫度的單值函數(shù),與壓力無關(guān)。通常規(guī)定:時(shí)理想氣體則4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-3Definition:比熱容
specificheat:可逆過程中,1kg物質(zhì)溫度升高或降低1K時(shí)所吸收或放出的熱量,稱為該物質(zhì)的比熱。3.理想氣體的比熱Specificheatsofidealgas比熱容摩爾熱容容積熱容僅對(duì)理想氣體適用比熱的主要的影響因素:①物質(zhì)的種類。②加熱過程。③物質(zhì)所處的狀態(tài)。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-33.理想氣體的比熱SpecificheatsofidealgasDefinition:AsdescribedinfirstlawThatis比定容熱容SpecificconstantvolumeheatSpecificconstantvolumeheat04/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-4比定壓熱容specificconstantpressureheat:AsdescribedinfirstlawThatisDefinition:Specificconstantpressureheat04/19/2025即理想氣體的、與v、p無關(guān),僅是T的單值函數(shù)。SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-5對(duì)理想氣體理想氣體的比熱Specificheatsofidealgas
4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-6理想氣體的定容比熱與定壓比熱的關(guān)系
TherelationbetweenspecificconstantvolumeheatandspecificconstantpressureheatAccordingtotheexpressionofidealspecificconstantpressureheat,forsoThatis與理想氣體種類有關(guān)。對(duì)摩爾熱容與理想氣體種類無關(guān)。4/19/2025理想氣體的、、R、k之間的關(guān)系:SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-7
比熱比4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-8
真實(shí)比熱realspecificheatSpecificheatnotrelatetothepressurebutalsorelatetotemperature.ItisusuallyexpressedasthefunctionoftemperatureaccordingtotheexperimentTheheatcanbecalculatedbyrealspecificheat:Therealspecificheatappliestolargetemperaturedifferenceandhighprecision.4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-9
平均比熱
averagespecificheatSoDefinition:Theexperimentresultsofthespecificheatat25℃。定值比熱constantspecificheat4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-9
課堂練習(xí):1.已知在1000℃時(shí)氧氣的平均定容比熱容為0.775kJ/(kg.K),試確定其平均定容摩爾熱容、平均定容容積熱容、平均定壓比熱容、平均定壓摩爾熱容、平均定壓容積熱容。(參p56,例3-2)2.確定氧氣在730℃時(shí)的平均定容比熱容、平均定容摩爾熱容、平均定容容積熱容、平均定壓比熱容、平均定壓摩爾熱容、平均定壓容積熱容。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-24.理想氣體的比熱力學(xué)能、比焓
4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-2討論計(jì)算的Δu
、Δh
的方法:①由熱力性質(zhì)表直接查取③利用熱力學(xué)第一定律的普遍關(guān)系,借助其它已知能量求取。a.按變比熱計(jì)算(經(jīng)驗(yàn)公式、真實(shí)比熱)b.按平均比熱計(jì)算c.按定值比熱計(jì)算②4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-11
5.
理想氣體的熵變
entropychangeofidealgas則可逆過程則soforinfinitesimalprocess:在閉口可逆過程中理想氣體4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-12
同樣可逆過程則理想氣體4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-12
可逆過程理想氣體4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-12
Theentropychangeofthefiniteprocesscanbetheintegralofthementionedexpression,fortheconstantspecificheat:(p,v)(T,p)(T,v)理想氣體理想氣體,比熱為常數(shù)理想氣體的熵變僅與氣體種類及狀態(tài)變化有關(guān),而與變化過程無關(guān),也就證明了理想氣體的熵是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-13
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熵(絕對(duì)熵)standardstateentropy:Entropychangingoftheprocesscanbecalculatedbystandardstateentropyintheconditionoflargetemperaturechangingorrestrictcalculationrequirement.Definition:so:(T,p)T1T24/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-14討論:求熱量的方法1、利用熱力學(xué)第一定律及其它已知能量求4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-2例3-3
(p59)氧氣被加熱后溫度從1000K升高到1400K,試計(jì)算每公斤氧氣的焓變化及熱力學(xué)能變化。⑴用常值比熱;⑵用平均比熱;⑶用熱力性質(zhì)表。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-2例3-4
(p60)環(huán)境空氣狀態(tài)為T1=290K,p1
=0.1MPa,現(xiàn)將0.2m3環(huán)境空氣壓縮到p2=0.5MPa,T2=600K,試計(jì)算該壓縮過程中空氣熵的變化。⑴按定值比熱計(jì)算;⑵按空氣熱力性質(zhì)表計(jì)算。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-2例3-2
(華)
在空氣加熱器中,空氣的溫度從27℃升高到327℃,而壓力保持不變。試求加熱1kg空氣所需的熱量。
(1)按定值比熱容計(jì)算;
(2)按比熱容隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算;
(3)按平均比熱容表計(jì)算;
(4)按空氣熱力性質(zhì)表計(jì)算。可算得(1)按定值比熱容計(jì)算,加熱1kg空氣所需的熱量為301.2kJ/kg;(2)按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,加熱1kg空氣所需的熱量為309kJ/kg;(3)按平均比熱容表計(jì)算,加熱1kg空氣所需的熱量為306.81kJ/kg;(4)按空氣熱力性質(zhì)表計(jì)算,加熱1kg空氣所需的熱量為306.83kJ/kg。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-146.理想氣體混合物mixtureofidealgases利用理想氣體混合物中各組元的性質(zhì)及成分來確定理想氣體混合物的熱力性質(zhì),求出M、ρ、R、U、H、S、c……質(zhì)量守恒對(duì)存在化學(xué)平衡的混合物,有吉布斯等溫等容混合定律GibbsRule理想氣體混合物中各組元的狀態(tài),可以用該組元在混合氣體的溫度及容積下單獨(dú)存在時(shí)所處的狀態(tài)來表示,這稱為吉布斯等溫定容混合定律,簡稱吉布斯定律。該定律確定了在平衡狀態(tài)下混合氣體中各種組成氣體各自所處的實(shí)際狀態(tài)。(T,V,?)4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-14分壓力與分容積partialpressureandpartialvolumeSummaryofpartialpressure:道爾頓定律DaltonRule:pressureofidealgasesmixtureshouldbethesummaryofpartialpressureofthecomponents.partialpressure4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-15
partialvolume
Thesummaryofpartialvolumes:亞美格定律AmagatRule:
Thevolumeofidealgasesmixtureisthesummaryofthepartialvolumeofthecomponents.4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-15
分析:(1)分壓力pi是組成氣體i在混合物中的真實(shí)壓力,(2)對(duì)i組成氣體分容積Vi
不是i組成氣體在混合物中的真實(shí)容積。(真實(shí)容積應(yīng)為V)即組成氣體的分壓力與混合物壓力之比,等于組成氣體的分容積與混合物容積之比。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-16
混合物成分components
ofmixturemassfraction:molefraction:Volumefraction:so
Relation:4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17混合物的密度、摩爾質(zhì)量及折合氣體常數(shù)混合物的密度混合物的摩爾質(zhì)量4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17混合物的折合氣體常數(shù)4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17理想氣體混合物的熱力學(xué)能及焓混合物的熱力學(xué)能、總焓等于組成氣體熱力學(xué)能、焓之和。混合物的u、h按組成氣體參數(shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)平均混合物的按組成氣體參數(shù)的摩爾分?jǐn)?shù)加權(quán)平均4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17理想氣體混合物的熱容同理∵∴4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17理想氣體混合物的熵
混合物的熵等于組成氣體的熵之和,即得注意:理想氣體的熵不僅是溫度的函數(shù),還與p(或v)有關(guān),因此上式中各組成氣體的熵值是混合氣體溫度T及各自分壓力pi狀態(tài)下的熵值。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17結(jié)論:4/19/2025兩剛性絕熱容器A、B,分別裝有理想氣體,氣體的定容比熱容分別為、,質(zhì)量分別為、,混合前溫度分別為、。求混合后的溫度T及。SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-17例:4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-18§3.2理想氣體的熱力過程
ThermodynamicProcessofIdealGasHypothesisconditions:
idealgas,quasi-steadyprocess理想氣體典型熱力過程
typicalthermalprocessesofidealgas:
定容過程isochoricprocess
定壓過程isobaricprocess
定溫過程isothermalprocess
絕熱過程adiabaticprocess
多變過程polytropicprocessKeypoints:4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-18§3.2理想氣體的熱力過程
ThermodynamicProcessofIdealGas分析熱力過程的主要目的thegoalofthermalprocessanalysis
:已知初始狀態(tài)過程性質(zhì)(1)確定系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù):初、終態(tài)參數(shù)(p,v,T,s)間關(guān)系及過程方程式(2)確定過程中能量轉(zhuǎn)換關(guān)系:
(3)在T-s、p-v圖上對(duì)該過程進(jìn)行定性分析
主要依據(jù)mainfoundation
:Firstlawofthermodynamics;Stateequationsofidealgas;Expressionsofspecificenthalpy,specificentropy,andheatcapacityofidealgas.4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-18具體的假設(shè)與依據(jù)
:(1)假設(shè)過程為可逆過程(2)假定工質(zhì)都是理想氣體(3)假定比熱為定值§3.2理想氣體的熱力過程
ThermodynamicProcessofIdealGas4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-201.定容過程IsochoricProcessEquations:v=constantP∝T00[a?s?'k?r?k]
4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-20能量轉(zhuǎn)換情況04/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-212.定壓過程
IsobaricProcessEquations:p=constantv∝T00[a?s?'b?r?k]4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-21定容線與定壓線在T-s圖上均為指數(shù)函數(shù)曲線;從同一初態(tài)出發(fā)的定壓線較定容線更平緩些。能量轉(zhuǎn)換情況04/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-223.定溫過程IsothermalProcessEquations:
P-vdiagramandT-sdiagram:T=constantPv=constant0[a?s?'θ?:m?l]4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-22即定溫過程系統(tǒng)吸收的熱量全部用于系統(tǒng)對(duì)外作功。即定溫過程中系統(tǒng)軸功等于容積變化功。能量轉(zhuǎn)換情況4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-234.絕熱過程AdiabaticProcessδq=0絕熱可逆絕熱定熵可逆絕熱=可逆定熵絕熱過程:系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱量交換時(shí)所經(jīng)歷的過程。一、定熵過程的分析[?d??'b?t?k]
4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-23Pv
k=cTv
k-1=c按定比熱分析按變比熱分析分析方法
1.按定比熱分析定熵過程積分可得理想氣體過程方程式Equationsisoentropicprocess[a?s?n'tro?p?k]
isentropicprocess4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-23Pv
k=cTv
k-1=c參數(shù)關(guān)系:4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-23從同一初態(tài)出發(fā)的定熵線較定溫線更陡些。q=0能量轉(zhuǎn)換情況:4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-232.按變比熱分析定熵過程
這種方法存在的問題:①依然是一種近似計(jì)算。②當(dāng)終態(tài)溫度不知道時(shí),需要試算。方法:先假定T2,計(jì)算出κm,按過程方程式計(jì)算得出T2,修正T2重復(fù)上述計(jì)算,直至假定溫度值與計(jì)算溫度值相同(接近)時(shí),所得的κm即為所求。
當(dāng)溫度變化幅度較大時(shí),按定值比熱容方法計(jì)算所得結(jié)果誤差較大,因而需采用變比熱容進(jìn)行計(jì)算。
(1)平均絕熱指數(shù)法過程方程表示為=常量平均絕熱指數(shù)法圖表法A:利用熱力性質(zhì)表中的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熵B:利用空氣熱力性質(zhì)表中的相對(duì)壓力與相對(duì)比容4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-23(2)圖表法
上式可改寫為由有T2T1A:利用熱力性質(zhì)表中的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熵4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26例:(p69例3-5)例:(p69例3-6)則pr~T定義:則則vr~T定義:則T2T1T2T1B:利用空氣熱力性質(zhì)表中的相對(duì)壓力與相對(duì)比容變比熱容絕熱過程中系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可直接按能量方程式求取:
4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-245.多變過程PolytropicProcess多變指數(shù)polytropicexponent
n∈(-∞,+∞)Equations:四種典型過程均為多變過程的某種特例:當(dāng)n=0時(shí),pv0=p=常量,即為定壓過程;當(dāng)n=1時(shí),pv=常量,即為定溫過程;當(dāng)n=k時(shí),pvk=常量,即為絕熱過程;當(dāng)n=±∞時(shí),p1/nv=p0v=v=常量,即為定容過程。[p?l?'tr?p?k]
4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-245.多變過程PolytropicProcessRelations:()Equations:4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-25()Energy:()多變比熱4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26Analysisonp-vdiagramandT-sdiagram:(1)從定容線開始,過程的多變指數(shù)按順時(shí)針方向遞增;(2)過程中能量轉(zhuǎn)換情況也可在圖上定性分析4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26(2)過程中能量轉(zhuǎn)換情況也可在圖上定性分析4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-264/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26Discuss:Howtosolvethepolytropicexponentn?4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26(參p74例3-7)4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26(參p75例3-9)4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26例:(參p74例3-10)要記住結(jié)論:盛有理想氣體的剛性容器絕熱放氣過程中,剩余氣體經(jīng)歷一個(gè)定比熵過程。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26(參p79習(xí)題3-6)4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26例:剛性絕熱容器被隔板分成相等的空間,隔板一側(cè)裝有1kg空氣,p1=0.1MPa、T1=300K,另一側(cè)為真空,當(dāng)抽去隔板后,空氣充滿整個(gè)容器、達(dá)到新的平衡。求過程中空氣的△u、△T、△s
及終態(tài)壓力p2
。4/19/2025SAMThermalEnergyEngineeringDepartment3-26思考題(17):試說明下列常見過程的基本特征:⒈絕熱節(jié)流過程;⒉由穩(wěn)定氣源向剛性真空容器的絕熱充氣過程;
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