chapter1气体力学原理

1冶金炉热工基础第一章气体力学原理2第一章气体力学原理目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。燃料燃烧需要供入炉内大量空气，并在炉内产生大量的炉气。高温的炉气是传热的介质，当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。如果排出的炉气温度较高，还可用废热回收装置再收回部分热能然后再经过排气装置排入大气。3因此，根据炉子的生产要求正确地向炉内供气，合理地组织炉内气体运动，根据炉子生产的需要及时地将炉内产生的炉气排出，是组织好炉子生产的极重要环节。气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两种：一种叫自由流动，一种叫强制流动。炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。4自由流动：由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的。如室内空气的流动。强制流动：由于外界的机械作用而引起的气体流动。如鼓风机鼓风产生的压力差。引起自由和强制流动的许多原因合在一起，就决定了炉内气体流动的性质。51.1气体的主要物理性质和气体平衡方程式1.1.1气体的主要物理性能一切物体都是由许多永不停止的作无规则运动的微粒——“分子”所组成。分子的无规则运动与温度密切相关，因此，称为分子的热运动。分子间的空隙不同，则分子间的作用力和分子热运动的情况不同，各种物体的性质也不同。6气体与液体的共同性：由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和所受的外力按原来的大小向各个方向传递。液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质——流动性。因此，常将液体和气体称为流体。7气体和液体的不同特性：⑴在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很小，所以，常认为液体是不可压缩性流体(或称非弹性流体)；气体的体积和密度通常随温度和压力的变化较大，所以，常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。在研究气体运动时，应注意：气体的体积和密度随温度和压力的变化，此为气体区别于液体的一个显著特性。8⑵液体的密度较大，所以液体在流动过程中基本不受周围大气的影响；气体的密度较小，而且与空气的密度相近，所以气体在流动过程中受周围大气的影响。在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为气体区别于液体的又一个显著特性。9在研究气体运动时常遇到气体的温度、压力、体积、密度等一些物理参数，这说明通过这些物理参数的变化反映了气体物理性质常随气体的存在状态而变化。因此，要了解气体的性质，必须了解这些参数的物理意义及其影响因素。10气体的几个物理参数：⑴气体的温度气体的温度常用各种仪表来测量。要测出气体的温度，首先必须确定温标。所谓温标是指衡量温度高低的标尺，它规定了温度的起点（零点）和测量温度的单位。目前国际上常用的温标有摄氏温标和绝对温标两种：11a、摄氏温标：又名百度温标，是我国使用最广泛的一种温标。规定：在标准大气压下，把纯水的冰点定为零度，沸点定为100度，在冰点与沸点之间等分为100个分格，每一格的刻度就是摄氏温度1度，用符号t表示，其单位符号为℃。本书都采取摄氏温度，作为温度的单位。12b、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号T表示，单位符号为K。规定：以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为0K，井以水的三相点温度为基本定点，定为273.16K，于是1K就是水三相点热力学温度的。13绝对温标lK与摄氏温标l℃的间隔是完全相同的。在一个标准大气压下，纯水冰点的热力学温度为273.15K，它比水的三相点热力学温度低0.01K，水的沸点为373.15K。绝对温标与摄氏温标的关系：K＝273.15+tK在不需要精确计算的情况下，可以近似地认为：T＝273+tK14气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常取为气体的始端温度t1和终端温度t2的算术平均值。⑵气体的压力a、定义：由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用，气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体的压力。气体压力是气体的一种内力，表示气体对外作用力大小的一个物理参数。15b、压力的单位在工程单位制即米制中，气体的压力大小有以下三种表示方法：①以单位面积上所受的作用力来表示。物理学上常把单位面积上气体的对外作用力称为压强，工程上却常把压强简称为压力。冶金炉上所说的压力也是指单位面积上气体的对外作用力，亦即在物理意义上相当于物理学上的压强。16③用大气压来表示：地球表面包围着一层厚达几百公里的大气层，大气重量对地球表面上所造成的压力称为大气压力，常用单位是mmHg。大气压力的数值随着所在地区海拔高度的升高而降低，也就是说，海拔越高，空气越稀薄，大气压力也就越低。在同一地区，大气压力的数值也因季节、晴雨等气候变化而稍有差异。②用液柱高度来表示。17国际上规定：将纬度45°海平面上测得的全年平均大气压力760mmHg定为一个标准大气压，或者称为物理大气压，它与其它压力单位的换算关系是：1标准大气压(atm)=760mmHg=1.0332kgf/cm2=10332kgf/m2=10332mmH2O18工程上为了计算方便，规定1kgf/cm2作为一个工程大气压，简称工程大气压(at)，则：1工程大气压(at)＝1kgf/cm2=10000kgf/m2=10mH2O=10000mmH2O=735.6mmHg由此可得：lmmH2O=1kgf/m2lmmHg=13.6mmH2O应当注意:“标准大气压”和“工程大气压”都是压力的计量单位，不要与所在地区的实际大气压相混淆。19a、在高压容器中，气体的压力相当高，往往是几倍或几十倍于大气压的，因此，对这些设备中气体的压力计量单位通常用工程大气压表示。b、通风机的送风压力、风道和烟道中气体的压力较小，通常用毫米水柱表示。在实际工程中提到的大气压，除了特别注明是物理大气压外，一般都是指工程大气压。20在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕，其代号为Pa。l帕斯卡是指1m2表面上作用1牛顿（N）的力，即：1Pa=lN/m21kPa=1000N/m21MPa=106N/m2米制与国际单位制压力换算关系如下：1标准大气压=1.0332kgf/cm2=101325Pa1工程大气压=l.0kgf/cm2=98060Pa1mH2O=9806.6Pa=9.8066kPa1mmH2O=9.8086Pa≈9.81Pa21c、气体的压力与温度的关系实验研究指出：当一定质量的气体其体积保持不变（即等容过程）时，气体的压力随温度呈直线变化。22d、绝对压力和表压力气体的压力有绝对压力和表压力两种表示方法。以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力，用符号表示。通常所说的标准大气压和实际大气压都是指大气的绝对压力。绝P23表压力和绝对压力的关系为：大气绝表—PPP设备内气体的绝对压力与设备外相同高度的实际大气压的差称为气体的表压力，用符号表示。表P24式中：——设备内气体的绝对压力；——设备外同高度的实际大气压；——设备内气体的表压力。绝P大气P表P⑴当气体的表压为正值时，称此气体的表压为正压;⑵当气体的表压为负值时，称此气体的表压为负压，负压那部分的数值，称为真空度;⑶当气体的表压为零值时，称此气体的表压为零压。具有零压的面常称为零压面。25⑶气体的体积气体的体积：表示气体所占据的空间大小的物理参数。冶金炉内常以每千克质量气体所具有的体积表示气体体积的大小。气体的比容：每千克气体具有的体积，用符号ν表示，单位是m3/kg。气体体积随温度和压力的不同有较大的变化，这是气体区别于液体的特点之一。26a、气体体积与温度关系l千克质量的气体，在恒压条件下，其体积与其绝对温度成正比。27b、气体体积与压力的关系l千克质量的气体，在恒温条件下，其体积与其绝对压力成反比。28结论：气体的体积或比容随气体压力的增大而降低，随气体压力的降低而增大。29c、气体的状态方程式表明气体的温度、压力、体积的综合关系式称为气体的状态方程式。对于1千克理想气体的状态方程式为：RTPvTvPTvP222111式中：T1、T2、……T——气体的各绝对温度，K；P1、P2、……P——气体的各绝对压力，N/m2；v1、v2、……v——气体在各相应温度和相应压力下的比容，m3/kg；R——气体常数，J/kg·K。30气体常数R的单位：国际单位制中，压力的单位是Pa[N/m2]，比容的单位是[m3/kg]，温度T的单位是[K]，功的单位是焦耳，用符号J表示，即1J＝1N·m，∴KKg/J]K[]Kg/m][m/N[TPvR3231[例题1—1]P6R的物理意义：1千克质量的气体在定压下，加热升高l度时所做的膨胀功。32如果气体的质量不是l千克而是m千克，则可得到适用于m千克气体的状态方程式：mRTPVTVPTVP222111当已知P、V、T三个参数时，可按下式计算出气体的质量m:RTPVm33在国际单位制中，1克分子量叫做1摩尔(mo1)，1千克分子量叫做1千摩尔（kmo1）。例如氧气（O2）的分子量是32，则32g氧称为lmo1，32kg氧称为1kmol。实验证明：在标准状态下，理想气体的每千摩尔体积或称千克分子体积都等于22.4标准m3，如以M表示气体的分子量kg/kmo1，即：Mvo=22.4m3/kmo134对于1kmo1的气体，可以写出它的状态方程式，即在气体状态方程式各项分别乘以M:将标准状态下的压力、温度和摩尔体积数值代入上式中，得：MRTPvMK8314J/KmolK84J/Kmol.83132734.22101325TMvPMRoooMR称为通用气体常数（或摩尔气体常数），对于所有理想气体，其数值都等于8314。35[例题1—2]P6[例题1—3]P7[例题1—4]P736(4)气体的密度单位体积气体具有的质量称为气体的密度，用符号ρ表示，单位是kg/m3。气体密度是表示气体轻重程度的物理参数。当气体的质量为mkg，其标准状态下的体积为Vom3时，则气体在标准状态下的密度ρo为：3oom/KgVmρ37比容与密度互为倒数，即：单位质量的气体所占有的体积称为气体的比容，用符号ν表示，单位是m3/kg。1ν38冶金生产中常见的气体（如煤气、炉气等）都是由几种简单气体组成的混合气体。混合气体在标准状态下的密度可用下式计算：3nn2211m/Kgaaa混式中：ρ1、ρ2、……ρn——各组成物在标准态下的密度，Kg/m3;a1、a2、……an——各组成物在混合气体中的百分数，%。39[例题1—6]P840a、气体密度随温度的变化前已指出：气体的密度随其温度和压力的不同而有较大的变化，此为气体区别于液体的特性之一。下面分析这种变化。在标准大气压时，气体在t℃下的质量和体积分别为m和Vt时，则在t℃下气体的密度为：t1Vmottβρρ注意：此式也可用于低压气体。41对一定ρo的气体而言，其密度ρt随着本身温度t的升高而降低。各种热气体的密度都小于常温下大气的密度，亦即设备内的热气体都轻于设备外的大气。此为设备内热气体的一个重要特点。此特点对研究气体基本方程有重要作用。b、气体密度随压力的变化在恒温条件下的气体密度与气体绝对压力的关系式：ρρρPPP221142式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相应压力下的气体密度，kg/m3结论：气体密度随气体绝对压力的增加而增大，随绝对压力的降低而减小。c、气体密度随气体温度和压力的变化气体密度随温度和压力的变化关系式为：RTPTPTP222111ρρρ式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相应压力和各相应温度下的气体密度，kg/m3。43结论：气体密度随气体温度和气体压力的不同都发生变化。气体密度随气体压力而变化的特性称为气体的可压缩性。气体都具有可压缩性，此为气体的特性之一。应当指出：冶金炉上的低压气体在流动过程中的压力变化一般不超过9810Pa，在此压力变化下的密度变化不超过10%。44工程上常认为冶金炉上的低压气体属于不可压缩性气体。对被认为是不可压