第三章-理想气体的热力性质和热力过程.ppt
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1、 第三章第三章 理想气体的热力性质和热力过程理想气体的热力性质和热力过程2024/3/20学习导引学习导引 理理理理想想想想气气气气体体体体是是是是一一一一种种种种假假假假想想想想的的的的物物物物理理理理模模模模型型型型,对对对对于于于于研研研研究究究究热热热热力力力力现现现现象具有重要意义。象具有重要意义。象具有重要意义。象具有重要意义。本本本本章章章章的的的的主主主主要要要要内内内内容容容容分分分分为为为为两两两两大大大大部部部部分分分分:理理理理想想想想气气气气体体体体的的的的热热热热力力力力性性性性质质质质,包包包包括括括括理理理理想想想想气气气气体体体体状状状状态态态态方方方方程程程
2、程、理理理理想想想想气气气气体体体体的的的的比比比比热热热热容容容容及及及及热热热热量量量量计计计计算算算算、理理理理想想想想气气气气体体体体的的的的热热热热力力力力学学学学能能能能和和和和焓焓焓焓变变变变化化化化量量量量的的的的计计计计算算算算;理理理理想想想想气气气气体体体体的的的的热热热热力力力力过过过过程程程程,包包包包括括括括基基基基本本本本热热热热力力力力过过过过程程程程和和和和多多多多变变变变过过过过程程程程的的的的过过过过程程程程方方方方程程程程式式式式、状状状状态态态态参参参参数数数数变变变变化化化化规规规规律律律律、能能能能量量量量交交交交换换换换规规规规律律律律及及及及在
3、在在在p p-v v图和图和图和图和T T-s s图上的表示。图上的表示。图上的表示。图上的表示。2024/3/20学习要求学习要求 理解理想气体的含义,熟练掌握并正确应用理想气体的状态方程。理解理想气体的含义,熟练掌握并正确应用理想气体的状态方程。理解理想气体的含义,熟练掌握并正确应用理想气体的状态方程。理解理想气体的含义,熟练掌握并正确应用理想气体的状态方程。理解比热容的物理意义以及影响比热容的主要因素;理解真实比热理解比热容的物理意义以及影响比热容的主要因素;理解真实比热理解比热容的物理意义以及影响比热容的主要因素;理解真实比热理解比热容的物理意义以及影响比热容的主要因素;理解真实比热
4、容、定值比热容和平均比热容的含义,能正确使用定值比热容和平容、定值比热容和平均比热容的含义,能正确使用定值比热容和平容、定值比热容和平均比热容的含义,能正确使用定值比热容和平容、定值比热容和平均比热容的含义,能正确使用定值比热容和平 均比热容计算过程热量。均比热容计算过程热量。均比热容计算过程热量。均比热容计算过程热量。掌握理想气体热力学能和焓变化量的计算。掌握理想气体热力学能和焓变化量的计算。掌握理想气体热力学能和焓变化量的计算。掌握理想气体热力学能和焓变化量的计算。掌握理想气体基本热力过程的过程方程式和基本状态参数变化的关掌握理想气体基本热力过程的过程方程式和基本状态参数变化的关掌握理想气
5、体基本热力过程的过程方程式和基本状态参数变化的关掌握理想气体基本热力过程的过程方程式和基本状态参数变化的关 系式,能正确计算理想气体基本热力过程的热量和功量。系式,能正确计算理想气体基本热力过程的热量和功量。系式,能正确计算理想气体基本热力过程的热量和功量。系式,能正确计算理想气体基本热力过程的热量和功量。知道多变过程是热力过程从特殊到一般的更普遍的表达式,会运用知道多变过程是热力过程从特殊到一般的更普遍的表达式,会运用知道多变过程是热力过程从特殊到一般的更普遍的表达式,会运用知道多变过程是热力过程从特殊到一般的更普遍的表达式,会运用 多变过程的规律进行过程的分析、计算。多变过程的规律进行过程
6、的分析、计算。多变过程的规律进行过程的分析、计算。多变过程的规律进行过程的分析、计算。能将理想气体的各种热力过程表示在能将理想气体的各种热力过程表示在能将理想气体的各种热力过程表示在能将理想气体的各种热力过程表示在p p-v v图和图和图和图和T T-s s图上。图上。图上。图上。2024/3/20本章难点本章难点 1.1.比热容的种类较多,理解起来有一定的难度。应比热容的种类较多,理解起来有一定的难度。应比热容的种类较多,理解起来有一定的难度。应比热容的种类较多,理解起来有一定的难度。应注意各种比热容的区别与联系。在利用比热容计算过程注意各种比热容的区别与联系。在利用比热容计算过程注意各种比
7、热容的区别与联系。在利用比热容计算过程注意各种比热容的区别与联系。在利用比热容计算过程热量及热力学能和焓的变化量时应注意选取正确的比热热量及热力学能和焓的变化量时应注意选取正确的比热热量及热力学能和焓的变化量时应注意选取正确的比热热量及热力学能和焓的变化量时应注意选取正确的比热容,不要相互混淆,应结合例题与习题加强练习。容,不要相互混淆,应结合例题与习题加强练习。容,不要相互混淆,应结合例题与习题加强练习。容,不要相互混淆,应结合例题与习题加强练习。2.2.理想气体各种热力过程的初、终态基本状态参数理想气体各种热力过程的初、终态基本状态参数理想气体各种热力过程的初、终态基本状态参数理想气体各种
8、热力过程的初、终态基本状态参数间的关系式以及过程中热力系与外界交换的热量和功量间的关系式以及过程中热力系与外界交换的热量和功量间的关系式以及过程中热力系与外界交换的热量和功量间的关系式以及过程中热力系与外界交换的热量和功量的计算式较多,如何记忆和运用是一难点,应结合例题的计算式较多,如何记忆和运用是一难点,应结合例题的计算式较多,如何记忆和运用是一难点,应结合例题的计算式较多,如何记忆和运用是一难点,应结合例题与习题加强练习。与习题加强练习。与习题加强练习。与习题加强练习。2024/3/20 第一节第一节 理想气体及状态方程理想气体及状态方程一、理想气体与实际气体一、理想气体与实际气体 1.什
9、么是什么是理想气体理想气体?所谓理想气体是一种经过科学抽象的假想气体,这种气体所谓理想气体是一种经过科学抽象的假想气体,这种气体必须符合两个假定:必须符合两个假定:(1)气体的分子是一些)气体的分子是一些弹性弹性的、的、不占体积不占体积的质点。的质点。(2)分子间)分子间没有相互作用力没有相互作用力。如在常温下,压力不超过如在常温下,压力不超过5MPa的的O2、N2、H2、CO、CO2 等及其等及其 混合混合物、大气或燃气中所含的少量水蒸气,都可作为理想气体处理。物、大气或燃气中所含的少量水蒸气,都可作为理想气体处理。工程热力学提到的气体均指理想气体。工程热力学提到的气体均指理想气体。否则为否
10、则为实际气体实际气体,如蒸汽动力装置中的水蒸汽、各种制冷剂蒸汽如蒸汽动力装置中的水蒸汽、各种制冷剂蒸汽2024/3/20二、二、理想气体状态方程理想气体状态方程 当当理理想想气气体体处处于于任任一一平平衡衡状状态态时时,三三个个基基本本状状态态参参数之间满足数之间满足:R Rg g 气气气气体体体体常常常常数数数数,单单单单位位位位为为为为J/(kgJ/(kgK),其其其其数数数数值值值值取取取取决决决决于气体的种类,与气体状态无关。于气体的种类,与气体状态无关。于气体的种类,与气体状态无关。于气体的种类,与气体状态无关。称为称为称为称为理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体
11、状态方程又称又称又称又称克拉贝龙方程式克拉贝龙方程式克拉贝龙方程式克拉贝龙方程式2024/3/20 SI制制中中,物物质质的的量量以以mol(摩摩尔尔)为为单单位位,因因此此,还还有其它形式的理想气体状态方程式有其它形式的理想气体状态方程式。对于质量为对于质量为对于质量为对于质量为m mkg 的理想气体,有的理想气体,有的理想气体,有的理想气体,有 理想气体状态方程理想气体状态方程 物质的量与摩尔质量的关系:物质的量与摩尔质量的关系:物质的量与摩尔质量的关系:物质的量与摩尔质量的关系:物质的量物质的量物质的量物质的量:n n,单位:单位:单位:单位:molmol(摩尔)。(摩尔)。(摩尔)。(
12、摩尔)。摩尔质量摩尔质量摩尔质量摩尔质量:MM ,1 1 molmol物质的质量物质的质量物质的质量物质的质量,kg/molkg/mol。2024/3/20若令若令R R MRMRg g ,理想气体状态方程理想气体状态方程 1kmol1kmol物质的质量在数值上等于该物质的物质的质量在数值上等于该物质的物质的质量在数值上等于该物质的物质的质量在数值上等于该物质的相对分子质量相对分子质量相对分子质量相对分子质量。如如如如:摩尔体积摩尔体积摩尔体积摩尔体积:V Vmm ,1 1 molmol物质的体积物质的体积物质的体积物质的体积,mm3 3/mol/mol。R R摩尔气体常数摩尔气体常数摩尔气体
13、常数摩尔气体常数(又称为(又称为(又称为(又称为通用气体常数通用气体常数通用气体常数通用气体常数),),J/(molJ/(mol K)K)。,则有,则有2024/3/20 已已知知在在物物理理标标准准状状态态(压压力力为为101325Pa,温温度度为为273.15K)下,下,1kmol任何气体所占有的体积为任何气体所占有的体积为22.41410 m3。故有。故有理想气体状态方程理想气体状态方程 不同气体的不同气体的不同气体的不同气体的气体常数气体常数气体常数气体常数R Rg g与与与与通用气体常数通用气体常数通用气体常数通用气体常数R R的关系的关系的关系的关系:根根根根据据据据阿阿阿阿佛佛佛
14、佛伽伽伽伽德德德德罗罗罗罗定定定定律律律律,同同同同温温温温、同同同同压压压压下下下下任任任任何何何何气气气气体体体体的的的的摩摩摩摩尔尔尔尔体体体体积积积积V Vm m 都都都都相相相相等等等等,所所所所以以以以任任任任何何何何气气气气体体体体的的的的摩摩摩摩尔尔尔尔气气气气体体体体常常常常数数数数R R 都都都都等等等等于于于于常常常常数数数数,并并并并且与气体所处的具体状态无关。且与气体所处的具体状态无关。且与气体所处的具体状态无关。且与气体所处的具体状态无关。J/(molK)2024/3/20 例例3-1 氧气瓶内装有氧气,其体积为氧气瓶内装有氧气,其体积为0.025m3,压力表,压力
15、表读数为读数为0.5MPa,若环境温度为,若环境温度为20,当地的大气压力为,当地的大气压力为0.1 MPa,求:(,求:(1)氧气的比体积;()氧气的比体积;(2)氧气的物质的量。)氧气的物质的量。解解:(1)瓶中氧气的绝对压力为 p(0.50.1)1060.6106(Pa)气体的热力学温度为 T273.1520293.15(K)气体常数为 J/(kgK)根据公式(3-1)得氧气的比体积为 (m3/kg)(2)根据公式(3-4)得氧气物质的量为 (mol)2024/3/20 第二节第二节 理想气体的比热容及热量计算理想气体的比热容及热量计算 物体温度变化物体温度变化1K(或(或1)所需要吸收
16、或放)所需要吸收或放出的热量称为该物体的出的热量称为该物体的热容热容。一、比热容的定义和单位一、比热容的定义和单位 根据不同的物量根据不同的物量,存在三种比热容存在三种比热容:质量热容质量热容:1kg物质的热容物质的热容,符号为符号为c,单位为,单位为J/(kgK)或或kJ/(kgK);摩尔热容摩尔热容:lmol物质的热容物质的热容,符号为符号为Cm,单位为,单位为J/(molK)或或kJ/(molK);体积热容体积热容:标准状态下标准状态下1m3物质的热容,符号为物质的热容,符号为c,单位为,单位为J/(m3K)或或 kJ/(m3K)。三种比热容的关系三种比热容的关系:Cm Mc 0.022
17、4c 2024/3/20二、影响比热容的主要因素二、影响比热容的主要因素 气气气气体体体体的的的的比比比比热热热热容容容容与与与与热热热热力力力力过过过过程程程程的的的的特特特特性性性性有有有有关关关关。在在在在热热热热力力力力过过过过程程程程中中中中,最最最最常常常常见见见见的的的的情情情情况况况况是是是是定定定定容容容容加加加加热热热热过过过过程程程程或或或或定定定定压压压压加加加加热热热热过过过过程程程程。因因因因此此此此,比比比比热容相应的分为热容相应的分为热容相应的分为热容相应的分为比定容热容比定容热容比定容热容比定容热容和和和和比定压热容比定压热容比定压热容比定压热容。1.热力过程
18、特性对比热容的影响热力过程特性对比热容的影响 比定容热容比定容热容比定容热容比定容热容 单单单单位位位位质质质质量量量量气气气气体体体体在在在在定定定定容容容容过过过过程程程程中中中中(即即即即容容容容积积积积不不不不变变变变)温温温温度度度度变变变变化化化化1K1K(或或或或1 1)所所所所需需需需要要要要吸吸吸吸收收收收或或或或放放放放出出出出的的的的热热热热量量量量称称称称为为为为比比比比定容热容定容热容定容热容定容热容,也称为,也称为,也称为,也称为质量定容热容质量定容热容质量定容热容质量定容热容,用符号,用符号,用符号,用符号c cV V表示。表示。表示。表示。或或或或 2024/3
19、/20在一定的温度下,同一种气体的在一定的温度下,同一种气体的在一定的温度下,同一种气体的在一定的温度下,同一种气体的c cp p值总比值总比值总比值总比c cV V值大。值大。值大。值大。理想气体理想气体c cp p与与c cV V之间的关系为:之间的关系为:比定压热容比定压热容比定压热容比定压热容 单单单单位位位位质质质质量量量量气气气气体体体体在在在在定定定定压压压压过过过过程程程程中中中中温温温温度度度度变变变变化化化化1K1K(或或或或1 1)所所所所需需需需要要要要吸吸吸吸收收收收或或或或放放放放出出出出的的的的热热热热量量量量称称称称为为为为比比比比定定定定压压压压热热热热容容容
20、容,也也也也称称称称为为为为质量定压热容质量定压热容质量定压热容质量定压热容,用符号,用符号,用符号,用符号c cp p表示。表示。表示。表示。或或或或 比热容比热容迈耶公式迈耶公式迈耶公式迈耶公式2024/3/20 在在在在定定定定容容容容过过过过程程程程中中中中,气气气气体体体体不不不不能能能能膨膨膨膨胀胀胀胀作作作作功功功功,加加加加入入入入的的的的热热热热量量量量完完完完全全全全用用用用来来来来增增增增加加加加气气气气体体体体分分分分子子子子的的的的热热热热力力力力学学学学能能能能,使使使使气气气气体体体体温温温温度度度度升升升升高高高高;在在在在定定定定压压压压过过过过程程程程中中中
21、中,气气气气体体体体可可可可以以以以膨膨膨膨胀胀胀胀作作作作功功功功,加加加加入入入入的的的的热热热热量量量量除除除除用用用用来来来来增增增增加加加加气气气气体体体体分分分分子子子子的的的的内内内内动动动动能能能能外外外外,还还还还应应应应克克克克服服服服外外外外力力力力而而而而作作作作功功功功。显显显显然然然然对对对对同同同同样样样样质质质质量量量量的的的的气气气气体体体体升升升升高高高高同同同同样样样样的的的的温温温温度度度度,在在在在定定定定压压压压过过过过程程程程中中中中所所所所需需需需加加加加入入入入的的的的热热热热量量量量要要要要比比比比定容过程多。定容过程多。定容过程多。定容过程
22、多。比热容比热容2024/3/20将上式两边同乘以摩尔质量将上式两边同乘以摩尔质量将上式两边同乘以摩尔质量将上式两边同乘以摩尔质量M M M M,可得,可得,可得,可得 等熵指数等熵指数 Cp,m CV,m=R 摩尔定压热容摩尔定压热容摩尔定压热容摩尔定压热容 摩尔定容热容摩尔定容热容摩尔定容热容摩尔定容热容 迈耶公式迈耶公式迈耶公式迈耶公式比热容比热容2024/3/20相应于每一确定温度下的比热容称为气体的相应于每一确定温度下的比热容称为气体的相应于每一确定温度下的比热容称为气体的相应于每一确定温度下的比热容称为气体的真实比热容真实比热容真实比热容真实比热容。2.2.温度对比热容的影响温度对
23、比热容的影响温度对比热容的影响温度对比热容的影响当温度不同时,气体的比热容也不相同。当温度不同时,气体的比热容也不相同。当温度不同时,气体的比热容也不相同。当温度不同时,气体的比热容也不相同。比热容与温度之间的关系可表示为一曲线关系。比热容与温度之间的关系可表示为一曲线关系。比热容与温度之间的关系可表示为一曲线关系。比热容与温度之间的关系可表示为一曲线关系。比热容比热容2024/3/20对应横坐标围成的曲边梯形的面积对应横坐标围成的曲边梯形的面积对应横坐标围成的曲边梯形的面积对应横坐标围成的曲边梯形的面积12121212t t t t2 2 2 2t t t t1 1 1 11 1 1 1表示
24、。表示。表示。表示。三、利用比热容计算热量三、利用比热容计算热量由比热容的定义式可得由比热容的定义式可得由比热容的定义式可得由比热容的定义式可得 因此,温度从因此,温度从因此,温度从因此,温度从t t1 1变到变到变到变到t t2 2所需的热量为所需的热量为所需的热量为所需的热量为 为简化计算,工程上常使用气体的为简化计算,工程上常使用气体的为简化计算,工程上常使用气体的为简化计算,工程上常使用气体的定值比热容定值比热容定值比热容定值比热容和和和和平平平平均比热容均比热容均比热容均比热容来计算它所吸收或放出的热量。来计算它所吸收或放出的热量。来计算它所吸收或放出的热量。来计算它所吸收或放出的热
25、量。将将将将 表示在图上。热力过程表示在图上。热力过程表示在图上。热力过程表示在图上。热力过程l-2l-2l-2l-2吸收的热量吸收的热量吸收的热量吸收的热量可用过程曲线与可用过程曲线与可用过程曲线与可用过程曲线与2024/3/20 由上可换算出气体的定值质量热容由上可换算出气体的定值质量热容由上可换算出气体的定值质量热容由上可换算出气体的定值质量热容c和定值体积热容和定值体积热容和定值体积热容和定值体积热容c 。1.用用定值比热容定值比热容计算热量计算热量 在温度变化范围不大时,可用于热量的近似计算。在温度变化范围不大时,可用于热量的近似计算。在温度变化范围不大时,可用于热量的近似计算。在温
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