第第8 8章章 实际气体和实际气体和水蒸气的性质水蒸气的性质第第8章作业章作业P384: 1 1，3 3，7 7，9 9，1010，1313，1515， 21 21，2929，3131。共。共1010道题。道题。 第第 8 8 章作业由章作业由1 1、2 2、3 3 班交班交地址：航空楼地址：航空楼A座座202室室 联系人和改作业人员：联系人和改作业人员： 刘晓锋 手机： 张久云 手机： 唐敏 手机： 基本知识点基本知识点 实际气体的基本性质：实际气体的基本性质：气体、液体、固体气体、液体、固体饱和液体、饱和气体、气液两相、临界参数饱和液体、饱和气体、气液两相、临界参数本章重点：本章重点：实际气体的状态方程实际气体的状态方程实际气体的计算方法实际气体的计算方法基本知识点基本知识点 水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的水蒸气的产生过程、水蒸气状态参数的确定、水蒸气图表的结构和应用、水蒸气在确定、水蒸气图表的结构和应用、水蒸气在热力过程中功量和热量的计算。热力过程中功量和热量的计算。本章重点：本章重点：工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水工业上水蒸气的定压生成过程，学会使用水蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于蒸气热力学性质的图表，并能熟练的运用于各种热力过程的计算。各种热力过程的计算。8.1 范德瓦尔方程范德瓦尔方程 以前所做的推导都是针对理想气体而以前所做的推导都是针对理想气体而言的，实际情况下，如水蒸气、氨气等言的，实际情况下，如水蒸气、氨气等都不满足理想气体假设。都不满足理想气体假设。本章我们要讨论的就是实际气体。本章我们要讨论的就是实际气体。理想气体状态方程用于实际气体的偏差理想气体状态方程用于实际气体的偏差 但是对气体做实验的结果却不是一条值为但是对气体做实验的结果却不是一条值为1 1的的水平线，尤其是在高压下，误差更大。水平线，尤其是在高压下，误差更大。这种偏差通常用压缩因子这种偏差通常用压缩因子Z Z表示表示 Z值的大小不仅与气体种类有关，而且同种气体的Z值还随压力和温度而变化。理想气体状态方程用于实际气体的偏差理想气体状态方程用于实际气体的偏差图图81 实际气体的实际气体的p-v图图 范德瓦尔的分析一、范德瓦尔方程范德瓦尔考虑到两点：1.气体分子有一定的体积，所以分子可自由活动的空间为（Vm-b)2.气体分子间的引力作用，气体对容器壁面所施加的压力要比理想气体的小，用内压修正压力项。范德瓦尔方程范德瓦尔方程可得出三个不等的实根、三个相等的实根或一个实根两个虚根。范德瓦尔方程由临界状态：得：Pcr=a/27b2 Tcr=8a/27Rb Vm,cr=3b或 a =27(R Tcr)2/64 Pcr b = RTcr/8Pcr R=8PcrVm,cr/3Tcr 另外： Zcr=PcrVm,cr/RTcr * * 所有物质都相同所有物质都相同 事实上不同物质的事实上不同物质的Z Z值不同，一般在间，值不同，一般在间，8.3 热力学相似与对比态原理一、对应态原理一、对应态原理 对多种气体的实验数据分析显示，接近各对多种气体的实验数据分析显示，接近各自的临界点时所有流体都显示出相似的性质，自的临界点时所有流体都显示出相似的性质，这说明各种气体在对应状态下有相同的对比性这说明各种气体在对应状态下有相同的对比性质。质。 f(p f(pr r ,T,Tr r ,v,vr r)=0)=0 如范德瓦尔方程可改写为：如范德瓦尔方程可改写为： 二、二、 对应态原理与通用压缩因子图对应态原理与通用压缩因子图 通用压缩因子图通用压缩因子图 二、二、 对应态原理与通用压缩因子图对应态原理与通用压缩因子图图图85 通用压缩因子线图通用压缩因子线图水和水蒸气是实际气体水和水蒸气是实际气体!水蒸气水蒸气在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体一般情况下，为一般情况下，为实际气体实际气体，使用图表，使用图表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点优点: 便宜，易得，无毒，便宜，易得，无毒， 膨胀性能好，传热性能好膨胀性能好，传热性能好 8-2 纯物质的热力学面及相图纯物质的热力学面及相图物质有三种聚集状态：物质有三种聚集状态：固态固态、液态液态、气态气态热力学面：热力学面：以以p,v,T表示的物质各种状态表示的物质各种状态 的曲面的曲面水的三态：水的三态：冰冰、水水、蒸汽蒸汽水的热力学面水的热力学面两相区两相区单相区单相区气液固pvT六个区：三个单相区、三个两相区六个区：三个单相区、三个两相区液-气固-气固-液pvT饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点pv四个线：三个饱和线、一个四个线：三个饱和线、一个三相线三相线饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一个点：一个点：临界点临界点 思考题思考题没有。没有。t374.16 有有3. 有没有有没有500C的水的水？1. 溜冰冰刀溜冰冰刀2. 北方冬天晾在外边的衣服，北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相是否经过液相4. 有没有有没有-3 的蒸汽的蒸汽？5. 一密闭容器内有水的汽液混合物，对其一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加热，是否一定能变成蒸汽？加热，是否一定能变成蒸汽？饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点pv饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点汽相和液相汽相和液相锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器因固相不流动，因固相不流动，更关心汽液两相更关心汽液两相汽化与饱和汽化与饱和沸腾：沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化表面和液体内部同时发生的汽化( (气体和液体均处在饱和状态下气体和液体均处在饱和状态下) )饱和状态：饱和状态：汽化与凝结的动态平衡汽化与凝结的动态平衡汽化汽化: 由液态变成气态的物理过程由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化不涉及化学变化)蒸发：蒸发：汽液表面上的汽化汽液表面上的汽化 饱和状态饱和状态饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度饱和温度Ts饱和压力饱和压力ps一一对应一一对应放掉一些水，放掉一些水，Ts不变，不变， ps？TspspsTs=100 青藏青藏psTs=85.95 高压锅高压锅psTs=113.32 8-4 水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程t tsv vv = vv = vv v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽h hh = hh = hh h hs ss = ss = ss s s水预热水预热汽化汽化过热过热水蒸气定压发生过程说明水蒸气定压发生过程说明(1)(2)只有熵加热时永远增加只有熵加热时永远增加(3) 理想气体理想气体实际气体汽化时，实际气体汽化时，TTs不变，但不变，但h增加增加汽化潜热汽化潜热(4) 未饱和水未饱和水过冷度过冷度过冷水过冷水过热蒸汽过热蒸汽过热度过热度sp-v图，图，T-s图上的水蒸气定压加热过程图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态一点，二线，三区，五态8-5 水和水蒸气状态参数及其图表水和水蒸气状态参数及其图表状态公理：状态公理：简单可压缩系统，两个独立变量简单可压缩系统，两个独立变量未饱和水及过热蒸汽，一般已知未饱和水及过热蒸汽，一般已知p、T即可即可饱和水和干饱和蒸汽，只需确定饱和水和干饱和蒸汽，只需确定p或或T湿饱和蒸汽，湿饱和蒸汽， p和和T不独立，汽液两相不独立，汽液两相1875年，吉布斯提出了年，吉布斯提出了吉布斯相律吉布斯相律水和水蒸气状态参数水和水蒸气状态参数确定的原则确定的原则1、未饱和水及过热蒸汽、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：确定任意两个独立参数，如：p、T2、饱和水和干饱和蒸汽、饱和水和干饱和蒸汽确定确定p或或T3、湿饱和蒸汽、湿饱和蒸汽除除p或或T外，其它参数与两相比例有关外，其它参数与两相比例有关两相比例由两相比例由干度干度x确定确定定义定义干饱和蒸汽干饱和蒸汽饱和水饱和水对对干度干度x的说明：的说明：x = 0 饱和水饱和水x = 1 干饱和蒸汽干饱和蒸汽0 x 1在在过冷水过冷水和和过热蒸汽过热蒸汽区域，区域，x无意义无意义湿饱和蒸汽区状态参数湿饱和蒸汽区状态参数的确定的确定 如果有如果有1kg湿蒸气，干度为湿蒸气，干度为x, 即有即有xkg饱和蒸汽，饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。饱和水。已知已知p或或T(h,v,s,h,v,s)+干度干度xh ,v ,s水和水蒸气表水和水蒸气表两类两类2、未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表1、饱和水和干饱和蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽表水和水蒸气表分为两种表水和水蒸气表分为两种表2、未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表1、饱和水和干饱和蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽表饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按温度排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）饱和水和饱和水蒸气表（按压力排列）饱和参数未饱和水和过热蒸汽表（节录）未饱和水和过热蒸汽表（节录）表的出处和零点的规定表的出处和零点的规定原则上可任取零点，国际上统一规定。原则上可任取零点，国际上统一规定。但但 原则上不为原则上不为0， 对水：对水： 表依据表依据1963年第六届国际水和水蒸气会议发表年第六届国际水和水蒸气会议发表的国际骨架表编制，尽管的国际骨架表编制，尽管IFC（国际公式化委员会）（国际公式化委员会）1967和和1997年先后发表了分段拟合的水和水蒸气年先后发表了分段拟合的水和水蒸气热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。热力性质公式，但工程上还主要依靠图表。焓、内能、熵零点的规定：焓、内能、熵零点的规定：水的三相点水的三相点饱和参数未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表(注意下划线）注意下划线）如何在图上表示功和热如何在图上表示功和热p-v图图（示功图示功图）：面积代表功）：面积代表功能否用线段表示热和功能否用线段表示热和功T-s图图（示热图示热图）：面积代表热）：面积代表热焓熵图的画法焓熵图的画法(1)1、零点：零点：h=0，s=0；2、饱和汽线饱和汽线（上界线上界线）、饱和液线（）、饱和液线（下下界线界线）3、等压线群：等压线群：p两相区两相区pT=Const 斜直线斜直线单相区单相区 sT向上翘的发散的形线向上翘的发散的形线C点为分界点，不在极值点上点为分界点，不在极值点上焓焓 熵熵 图图hsCpx=1x=0pC焓熵图的画法焓熵图的画法(2)气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体气相区：离饱和态越远，越接近于理想气体两相区：两相区：T、p一一对应，一一对应，T 线即线即 p 线线在在x=0, x=1之间，从之间，从C点出发的等分线点出发的等分线同理想气体一样，同理想气体一样， v 线比线比 p 线陡线陡4、定温线定温线 T5、等容线等容线v6、等干度线等干度线x焓焓 熵熵 图图hsCx=1x=0pvTx8-6 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程任务：任务： 确定初终态参数，确定初终态参数， 计算过程中的功和热计算过程中的功和热 在在p-v、T-s、h-s图上表示图上表示热力过程：热力过程： p s T v 注意理想气体过程的区别注意理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用理想气体特有的性质和表达式不能用可逆可逆水蒸气的定压过程水蒸气的定压过程q = h wt = 0342pv1例：例：锅炉中，水从锅炉中，水从30 ，4MPa, 定压加热到定压加热到450 q = h2-h1ts(4MPa)=锅炉、换热器锅炉、换热器水蒸气的定压过程水蒸气的定压过程例：例：水从水从30 ，4MPa, 定压加热到定压加热到450 q = h2-h12Tshs2h1 = 129.3 kJ/kg h2 = 3330.7 kJ/kgh2h1134143水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程p12pvp2不可逆过程：不可逆过程： 汽轮机、水泵汽轮机、水泵12可逆过程：可逆过程： s1 2 1 2q = 0水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵汽轮机、水泵q = 0212Ts不可逆过程：不可逆过程： 可逆过程：可逆过程： sp1p2水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵汽轮机、水泵q = 0hs不可逆过程不可逆过程 可逆过程：可逆过程： sp1p221h1h2h22透平内效率透平内效率 水蒸气的定温过程水蒸气的定温过程pv实际设备中很少见实际设备中很少见TCTcT远离饱和远离饱和线，接近线，接近于于理想气理想气体体水蒸气的定温过程水蒸气的定温过程12Tshs122理想气体理想气体 测量干度原理测量干度原理 绝热节流绝热节流可逆过程：可逆过程：12水蒸气的定容过程水蒸气的定容过程实际设备中不常见实际设备中不常见12pv水蒸气的定容过程水蒸气的定容过程1TshspT212vpv