工程热力学第六版素材第二章 气体的热力性质

第二章 气体的热力性质

本章要求：掌握理想气体和实际气体概念，熟练应用理想气体状态方程及理想气体定值比热进行各种热力计算。了解实际气体状态方程的各种表述形式及应用的适用条件。

1.基本概念

理想气体：气体分子是由一些弹性的、忽略分子之间相互作用力（引力和斥力）、不占有体积的质点所构成。

比热：单位物量的物体，温度升高或降低1K（1℃）所吸收或放出的热量，称为该物体的比热。 定容比热：在定容情况下，单位物量的物体，温度变化1K（1℃）所吸收或放出的热量，称为该物体的定容比热。

定压比热：在定压情况下，单位物量的物体，温度变化1K（1℃）所吸收或放出的热量，称为该物体的定压比热。

定压质量比热：在定压过程中，单位质量的物体，当其温度变化1K（1℃）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定压质量比热。

定压容积比热：在定压过程中，单位容积的物体，当其温度变化1K（1℃）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定压容积比热。

定压摩尔比热：在定压过程中，单位摩尔的物体，当其温度变化1K（1℃）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定压摩尔比热。

定容质量比热：在定容过程中，单位质量的物体，当其温度变化1K（1℃）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定容质量比热。

定容容积比热：在定容过程中，单位容积的物体，当其温度变化1K（1℃）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定容容积比热。

定容摩尔比热：在定容过程中，单位摩尔的物体，当其温度变化1K（1℃）时，物体和外界交换的热量，称为该物体的定容摩尔比热。

对比参数：各状态参数与临界状态的同名参数的比值。

对比态定律：对于满足同一对比态方程式的各种气体，对比参数pr、Tr和vr中若有两个相等，则第三个对比参数就一定相等，物质也就处于对应状态中。

2.常用公式

理想气体状态方程：

1．pv?RT

式中

p—绝对压力 Pa m3/kg K

5

v—比容

T—热力学温度

适用于1千克理想气体。 2．pV?mRT

式中

V—质量为mkg气体所占的容积

适用于m千克理想气体。 3．pVM?R0T

式中

VM=Mv—气体的摩尔容积，m3/kmol； R0=MR—通用气体常数， J/kmol·K

适用于1千摩尔理想气体。 4．pV?nR0T

式中

V—nKmol气体所占有的容积，m3； n—气体的摩尔数，n?m，kmol M适用于n千摩尔理想气体。

5．通用气体常数：R0

R0?8314

J/Kmol·K

R0与气体性质、状态均无关。 6．气体常数：R

R?R08314 ?MMJ/kg·K

R与状态无关，仅决定于气体性质。 7．比热：

1．比热定义式：c?p1v1p2v2 ?T1T2?qdT

表明单位物量的物体升高或降低1K所吸收或放出的热量。其值不仅取决于物质性质，还与气体热力的过程和所处状态有关。

2．质量比热、容积比热和摩尔比热的换算关系：c'?式中 c—质量比热，kJ/Kg·k

c'—容积比热，kJ/m3·k

Mc?c?0 22.4Mc—摩尔比热，kJ/Kmol·k

3．定容比热：cv??qvdT?duv??u???? dT??T?v表明单位物量的气体在定容情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量。

6

4．定压比热：cp?dh

dTdT表明单位物量的气体在定压情况下升高或降低1K所吸收或放出的热量。

??qp5．梅耶公式：

cp?cv?R c'p?c'v??0R

Mcp?Mcv?MR?R0

6．比热比： ??cpcv?c'pc'v?McpMcv

cv??R ??1nR ??1 cp?

范德瓦尔(Van der Waals)方程

?p?对于1kmol实际气体

?p???a?v?b??RT 2??v???a?V?b??R0T 2??MVM?压缩因子：

z?

对比参数： Tr?vpv ?vidRTTpv， pr?， vr? Tcpcvc3.重要图表

常用气体在理想状态下的定压摩尔比热与温度的关系

23Mcp?ao?aTk)) 1?a2T?a3T(kJ/(kmol?

7

气体 空气 氢 氧 氮 一氧化碳 二氧化碳 水蒸气 乙烯 丙烯 甲烷 乙烷 丙烷 分子式 H O2 N2 CO CO2 H2O C2H2 C3H4 CH4 C2H6 C3H8 a0 28.106 28.10 25.177 28.907 28.260 22.257 32.238 4.1261 3.7457 19.887 5.413 -4.233 a1?103 a2?106 a3?109温度范围 （K） 273~1800 273~1800 273~1800 273~1800 273~1800 273~1800 273~1800 298~1500 298~1500 273~1500 298~1500 298~1500 最大误差 % 0.72 1.01 1.19 0.59 0.89 0.647 0.53 0.30 0.44 1.33 0.70 0.28 1.9665 -1.9159 15.2022 -1.5713 1.6751 59.8084 1.9234 155.0213 234.0107 50.2416 178.0872 306.264 4.8023 -4.0038 -5.0618 8.0805 5.3717 -35.0100 10.5549 -81.5455 -115.1278 12.6860 -69.3749 -158.6316 -1.9661 -0.8704 1.3117 -28.7256 -2.2219 7.4693 -3.5952 16.9755 21.7353 -11.0113 8.7147 32.1455 几种气体在理想气体状态下的平均定压质量比热容

t(℃) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 O2 0.915 0.923 0.935 0.950 0.965 0.979 0.993 1.005 1.016 1.026 1.035 1.043 1.051 1.058 1.065 1.071 1.077 1.083 1.089 1.094 1.099 N2 1.039 1.040 1.043 1.049 1.057 1.066 1.076 1.087 1.097 1.108 1.118 1.127 1.136 1.145 1.153 1.160 1.167 1.174 1.180 1.186 1.191 H2 14.195 14.353 14.421 14.446 14.477 14.509 14.542 14.587 14.641 14.706 14.776 14.853 14.934 15.023 15.113 15.202 15.294 15.383 15.472 15.561 15.649 CO 1.040 1.042 1.046 1.054 1.063 1.075 1.086 1.098 1.109 1.120 1.130 1.140 1.149 1.158 1.166 1.173 1.180 1.187 1.192 1.198 1.203 空气 1.004 1.006 1.012 1.019 1.028 1.039 1.050 1.061 1.071 1.081 1.091 1.100 1.108 1.117 1.124 1.131 1.138 1.144 1.150 1.156 1.161 CO2 0.815 0.866 0.910 0.949 0.983 1.013 1.040 1.064 1.085 1.104 1.122 1.138 1.153 1.166 1.178 1.189 1.200 1.209 1.218 1.226 1.233 H2O 1.859 1.873 1.894 1.919 1.948 1.978 2.009 2.042 2.075 2.110 2.144 2.177 2.211 2.243 2.274 2.305 2.335 2.363 2.391 2.417 2.442 8

2100 2200 2300 2400 2500 密度ρ（kg/m3)

1.104 1.109 1.114 1.118 1.123 1.4286 1.197 1.201 1.206 1.210 1.214 1.2505 15.736 15.819 15.902 15.983 16.064 0.08999 1.208 1.213 1.218 1.222 1.226 1.2505 1.166 1.171 1.176 1.180 1.182 1.2932 1.241 1.247 1.253 1.259 1.264 1.9648 2.466 2.489 2.512 2.533 2.554 0.8042 几种气体的临界参数和范德瓦尔常数

物质名称 He H2 N2 O2 CO2 NH3 H2O CH4 CO Tc （K） 5.3 33.3 126.2 154.8 304.2 405.5 647.3 190.7 133.0 pc （MPa） 0.22901 1.29702 3.39456 5.07663 7.38696 11.29830 22.12970 4.64091 3.49589 几种气体的临界压缩因子

a?103 (MPa.m6/kmol2） 3.5767 24.9304 136.8115 137.6429 365.2920 424.3812 552.1069 228.5001 147.5479 b?103 （m3/kmol） 24.05 26.68 38.63 31.68 42.78 37.30 30.39 42.69 39.53 物质 He 0.300 H2 0.304 N2 0.297 O2 0.292 CO2 0.274 NH3 0.238 H2O 0.230 CO 0.294 CH4 0.290 zc 9

图2-5 通用压缩因子图

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