单元1工程热力学基本概念及气体状态

11.1工质及其状态参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）单元1工程热力学基本概念及气体状态方程式1.1.1关于工质┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）单元1工程热力学基本概念及气体状态方程式┄┄┄┄（5）1.1.2工质的基本状态参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄（6）1.2热力系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（23）1.2.1闭口系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（24）1.2.2开口系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（25）1.2.3绝热系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（26）1.2.4孤立系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（27）1.3理想气体状态方程式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（28）1.3.1理想气体与实际气体┄┄┄┄┄┄┄┄┄（28）1.3.2理想气体状态方程式┄┄┄┄┄┄┄┄┄（30）1.4混合气体的基本概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（38）1.4.1混合气体的分压力和总压力┄┄┄┄┄┄（39）21.4.2混合气体的分容积和总容积┄┄┄┄┄┄┄（40）1.4.3混合气体各组成气体的成分表示┄┄┄┄┄（41）1.4.4混合气体的折合相对分子质量及气体常数┄（46）单元1工程热力学基本概念及气体状态方程式3【知识点】工质及其状态参数，理想气体状态方程式，热力系统，混合气体。【能力目标】掌握：工质、状态、状态参数、混合气体等基本概念。理解：热力系统的划分及其特征。熟悉：理想气体与实际气体的区别。应用：能应用相关概念和公式进行分析和计算。单元1工程热力学基本概念及气体状态方程式4在绪论中我们列举的一些工程实例均涉及了利用某种工作物质（如水、湿空气、烟气、蒸汽等）来实现热能的输送或转移，最终达到热能利用的目的。这些可以用来携带、输送、转移热能或通过热力循环将热能转变为机械能（电能）的媒介物质或工作物质统称为工质。工程实际中用到的工质（一般情况下均为流体）有气效地进行热能利用和传输，研究工质的热工性质，选择合适的工质，是非常必要的。1.1工质及其状态参数1.1.1关于工质5工质是通过一系列的热力状态变化来完成热能转换和热能传递的。所谓热力状态，就是指工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状况，而其状态及状态变化则是通过一些物理参数来描述或表示的。这些用来描述工质状态的物理量称为工质的状态参数。常用到的工质状态参数有温度、压强（压力）、比体积、内能、焓、熵等。其中温度、压强（压力）和比体积可以用仪器直接或间接地测出来，称为工质的基本状态参数；而其余的参数则是通过基本状态参数来推导、计算得到的，故称为导出状态参数。1.1.2工质的基本状态参数1.1工质及其状态参数6事实上，热力系统的宏观状态与其宏观状态参数是一一对应的关系，即工质或热力系统的状态发生变化时，其状态参数也相应变化。对应于某个确定的热力状态，工质的各个状态参数也都有各自确定的数值。反过来，当我们测出某状态下工质的一组确切的状态参数时，其热力状态也就确定了。这就是说，工质的状态参数只是状态的函数（态函数），而不是过程函数，即与过程无关。工质由初状态1变化到终状态2时，任何状态参数的变化量只等于初、终状态下该状态参数的差值，而与过程或路径无关。若工质从某状态开始经一系列状态变化过程后又回到原状态（即经历了一个循环过程），则工质的各个状态参数的变化量为零。1.1工质及其状态参数71.1.2.1温度从宏观上讲，温度是用来描述物体冷热程度的参数，同时也反映自发过程中热能传递的方向：温度高的物体会自发地向温度低的物体传递热能。从微观上讲，温度反映了物质内部分子平均平动动能的大小，也即物质分子运动的强烈程度。对于理想气体，宏观的温度与微观的热运动存在以下关系：1.1工质及其状态参数8（1）温标描述或量度物体温度高低的统一衡量标尺称为温标。温标具体规定了温度的基准点和温度间隔的冷热程度。①热力学温标热力学温标是国际单位制温度基本标准，也是我国法定计量温度标尺。按国际单位制（SI）规定：热力学温度用符号T表示，单位为开［尔文］，符号为K。热力学温标规定：纯水的三相点温度（即气相、液相、固相三相平衡时的温度）为基准点，规定为273.16K，而每1K的间隔则为水的三相点温度值的1/273.16。1.1工质及其状态参数9②摄氏温标摄氏温标是我国广泛使用的另一个实用型法定温度标尺。温度符号为t,单位为摄氏度，符号为℃，摄氏温标每1℃的冷热程度与热力学温标的每1K完全相同，它的定义式为t=T-273.15(1.2)式中T——热力学温度，K；273.15——一个标准大气压下纯水的冰点热力学温度值。当t=0℃时，对应的热力学温度为T=273.15K(冰点)。当t=100℃时，对应的热力学温度为T=373.15K(沸点)。1.1工质及其状态参数10在工程中，采用下式换算已足够精确：T=273+t（1.2a）另外，欧美国家习惯使用华氏温标，符号用tF表示，单位为华氏度，符号用○F表示，与摄氏温标的换算关系如下：t=(tF-32)(1.3)951.1工质及其状态参数11（2）常用测温仪器①玻璃管温度计如图1.1(a)所示，当被测物体温度不同时，玻璃管内的液体（如水银或酒精）将会因受热而膨胀，液面（刻度）上升；受冷则体积收缩，液面（刻度）下降。水银温度计温度测量范围为-30～700℃，而酒精温度计的测量范围为-100～75℃。图1.1常用测量仪器（a）玻璃管温度计（b）热电偶温度计1.1工质及其状态参数12②热电偶温度计将两根不同的金属线的一端焊在一起，另一端与毫伏计（电压表）连接构成一个回路，如图1.1（b）所示。当焊接端温度变化时，则在闭合回路中有电动势产生，这种现象称为温差电效应。用于测温的原理：事先用差的情况下标定温度差与电势差的关系后，就可以用此装置进行温度量测，即按照被测物端与另一端之间产生的电势差（用毫伏计测出）去查事先制好的表格，温度计测温范围为-50～350℃，而铂-铑-铂热电偶的测温范围为-20～1300℃。1.1工质及其状态参数131.1.2.2压强（1）压强的含义：从一般意义上讲，物体单位面积上所受到的垂直作用力称为压强。在热力学中，从宏观上讲压强是指容器壁单位面积上受到气体垂直作用力的大小，定义式为：式中：F--受力面积上的总作用力，（N）；--受力面积m2fp=p=p=1.1工质及其状态参数141.1工质及其状态参数15（2）压强的表示方法上面公式（1.4）和（1.5）均反应的是气体的真实压强，又称为绝对压强，它是以绝对真空状态为计算基准算起的被测对象的真实压强。本书中如无特别指明，都应理解为绝对压强或绝对压力，唯此才能作为工质的状态参数。由于地球表面大气层（大气压力）的存在，使得工程中常用的测压仪器只能测出容器中绝对压强（绝对压力）与当地大气压的差值，这个值通常称为表压强（表压力）或相对压强，其计量基准点是以当地大气压值B为零点算起的压强值，不代表工质的真实压强。1.1工质及其状态参数16当工质的绝对压强值小于当地大气压值B时，我们习惯上称此状态为真空状态，此时，相对压强值为负值。工程中为避免出现负压值，通常将此负压值取绝对值，并称为真空度。这样，绝对压强p，相对压强px，真空度H三者之间有如下关系：正压状态时（工质绝对压强大于当地大气压）：p=B+px（1.6）负压状态时（工质绝对压强小于当地大气压）：p=B-H（1.7）1.1工质及其状态参数17式中p——工质绝对压强，即流体的真实压强；px——正压状态时的表压强（相对压强），反映流体真实压强超出当地大气压的值；H——负压状态时的表压强绝对值，即真空度，反映流体真实压强不足于当地大气压的值。图1.2为常用弹簧式压力表测压示意图图1.2弹簧式压力表测压示意图1—弹簧管；2—固定端；3—接头；4—拉杆；5—扇形齿轮；6—中心齿轮；7—指针；8—游丝1.1工质及其状态参数18（3）压强的单位工程中测压仪器不尽相同，为方便起见，压强的单位表示有三种：①按压强定义式，即单位面积上所受作用力来表示：如帕（Pa），即牛/米2(N/m2)。②用流体柱高来表示：如米水柱（mH2O）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）等。③用大气压的倍数来表示：如标准大气压(atm)。各种压强单位表示的换算关系如下：1atm=760mmHg=101325Pa=10.3323mH2O1mmHg=133.3224Pa=1.31579×10-3atm=13.5951mmH2O另外，工程中习惯将压强称为压力。1.1工质及其状态参数191.1.2.3比体积和密度单位质量的工质所具有的容积称为比体积，用符号v表示，单位是m3/kg，如容积为V(m)3的容器内有质量为m(kg)的工质，则其比体积为v=（1.8）单位容积的工质所具有的质量称为密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3,可表示为ρ=（1.9）而且有v·ρ=1(1.10)MVVM1.1工质及其状态参数20这里需要强调的有两点：首先，容积V不单包括工质微粒的体积，而且包括这些微粒的活动空间（即整个容器）。其次，比体积v和密度ρ不是两个而是一个独立的状态参数，而且从微观的角度反映了单位容积中工质分子数的多少和分子之间平均距离的大小。图1.3例题[1.1]示意图1.1工质及其状态参数21【例1.1】图1.3所示为某压力容器，压力表读数为0.35MPa，当地大气压B为0.1MPa。问：容器中液面绝对压强和相对压强为多少?【例1.2】溴化锂吸收式直燃机作为空调冷、热源设备，夏天可供12℃冷冻水，其循环冷冻水侧压力表读数为0.4MPa，吸收器内真空表读数为720mmHg，若当地大气压为B=750mmHg，试求该直燃机循环水侧和吸收器内的绝对压力。【例1.3】某氧气瓶中的氧气质量为20kg，容积为0.4m3，试求氧气的比体积和密度。1.1工质及其状态参数22在热力学中，为了便于分析问题，我们把研究对象用人为确定的分界面从其周围环境中划分出来，边界内部为热力系统（简称系统），边界外部统称为环境或外界。系统的边界可以是实际存在的（如图1.4所示），也可以是假想的（如图1.5(a)所示）；可以是固定不变的，也可以是运动的或可变形的。图1.4热力系统1.2热力系统23没有物质穿过边界的系统称为闭口系统。此时系统与外界无质量交换，系统的质量保持恒定，如图1.4所示，界面是实际存在的，系统与外界可有热量和功量的交换。1.2.1闭口系统1.2热力系统24有工质穿过边界的系统称为开口系统。如图1.5所示，系统与外界既可以有热量、功量等能量交换，还有质量交换，而且有部分界面是假想的。图1.5闭口与开口系统(a)闭口系统；(b)开口系统1.2.2开口系统1.2热力系统25如果系统的边界是由完全隔热的材料构成的实有边界，热量不能够穿越边界，系统与外界之间没有热量传递，这种系统称为绝热系统。完全绝热的热力系统是不可能存在的，但当热力过程进行得极快，极短暂，或边界保温性能很好，传递的热量小到可以忽略不计时（如喷管流动、活塞快速压缩等工程实例），就可以将研究对象简化为绝热系统进行分析。1.2.3绝热系统1.2热力系统26热力系统与外界既无功量交换，又无热量交换，也无工质穿越边界，即系统与外界不存在任何的相互作用，这样的系统称为孤立系统。上述的热力学系统模型是为了便于研究复杂的宏观事物，能够抓住主要矛盾进而解决实际问题而人为设定的（有如力学中的“刚体”）。类似的假设今后还会遇到很多，如理想气体、平衡状态、可逆过程等。大家应从方法论的角度来理解这些假设的实质意义。1.2.4孤立系统1.2热力系统27所谓理想气体是经过科学的抽象人为设定的气体模型，即假设气体分子是弹性的、不占有体积的质点；分子之间没有引力和斥力。在这两个假设条件下，气体分子运动规律大大简化，公式（1.1）和(1.5)就是在这样的假设条件下推导出来的。实际上自然界符合这样条件的气体是不存在的，那么经过假设和简化后得到的这些理想气体公式是否符合实际，误差有多大呢？对工程中遇到的各种工质气体，能否作为理想气体处理，要依其所处状态及工程精度要求来定。1.3.1理想气体与实际气体1.3理想气体状态方程式28