第三章 气体和蒸汽的性质
工程热力学 第四版思考题答案(完整版)(沈维道)(高等教育出版社)
工程热力学第四版沈维道 思考题 完整版第1章 基本概念及定义1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?答：否。
当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。
2.有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。
这种观点对不对，为什么?答：不对。
“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。
热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。
物质并不“拥有”热量。
一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。
⒊平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系? 答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。
⒋倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？在绝对压力计算公式中，当地大气压是否必定是环境大气压?答：可能会的。
因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。
环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。
“当地大气压”并非就是环境大气压。
准确地说，计算式中的P b 应是“当地环境介质”的压力，而不是随便任何其它意义上的“大气压力”，或被视为不变的“环境大气压力”。
⒌温度计测温的基本原理是什么?答：温度计对温度的测量建立在热力学第零定律原理之上。
它利用了“温度是相互热平衡的系统所具有的一种同一热力性质”，这一性质就是“温度”的概念。
⒍经验温标的缺点是什么?为什么? 答：由选定的任意一种测温物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标。
3机械热力学第03章 理想气体的性质1
pB •
固态 液态 • C
BTtpC上侧，液相； ATtpC右侧，汽相。
气态
A•
•Ttp
t Ttp点：三相点
C点：临界点
TtpC线：气液两相共存，代表ps=f(ts)； TtpB线：固液两相共存，熔点温度与压力的关系； TtpA线：固气两相共存，升华温度与压力之关系；
§3-5 水的汽化过程和临界点
cp
dT T
T1 T0
cp
dT T
Rg
ln
p2 p1
s20
s10
Rg
ln
p2 p1
精确计算熵变的方法： 1. 选择真实比热容经验式计算 2. 查表s0数据计算
例题\第三章\A4111551.ppt 例题\第三章\A4111552.ppt
作业：3-6，8，16
§3-4 水蒸气的饱和状态和相图
Ｖ＝（Mv）＝0.0224141 m3 ／mol
例题：书中例3-1、3-2
§3-2 理想气体的比热容（比热）
一、定义和基本关系式
定义：
lim c
q q , 或 c q
T0 T dT
dt
一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度变化的大小取决 于工质的性质、数量和所经历的过程。
1.理想气体热力学能和焓仅是温度的函数 a) 因理想气体分子间无作用力
u uk u T du cV dT
b) h u pv u RT
h hT dh cp dT
2
u 1 cvdT ;
2
h 1 cpdT
2.理想气体热力学能和焓的求算方法：
三、水的三相点
1. 三相点：固态、液态、汽态三相平衡共存的状态
最新工程热力学气体和蒸汽的性质
注： Nm3为非法定表示法，标准表示法为“标准m3”。 10
按过程
质量定压热容（比定压热容）
cp
C
p ,m
,C
' p
(constant pressure specific heat capacity per unit of mass)
及
质量定容热容（比定容热容） (constant volume specific heat
cTuv uvT pddTv
比热容的一般表达式
2. cV
定容过程 dv=0
若为理想气体
cV
u T
v
是状态参数
u u (T ) T u vd d T u c Vd d T u d u c V d T
cV cV (T) 温度的函数
12
3. cp
c δ q d h δ w t d h v d p d T d T d Td T
Vm相同
在标准状况下 (p0 1.01325105Pa T0 273.15K)
1mol任意气体的体积同为
Vm 0(M)0v0.022m 4 3/1 m4ol
5
四、摩尔气体常数
R——摩尔气体常数 (与气体种类无关)
R=MRg=8.314 5 J/(mol·K) M-----摩尔质量
Rg——气体常数 (随气体种类变化)
cV
C
V
,m
,
C
' V
capacity per unit of mass)
二、理想气体比定压热容，比定容热容和迈耶公式
1.比热容一般表达式
cδ q d u δ w d up d v d T d T d Td T
(A )
工程热力学总复习
O
5
6
1
1
a
2
2
a
s
图11-3 初温t1对ηt的影响
优点： 循环吸热温度 ， ，有利于汽机安全。
缺点： 对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃左右，很少超过600 ℃; 汽x
2a
v
t
h
2、初压p1对热效率的影响
基本状态参数，需要掌握①温标转换②压力测量（转换）③比体积与密度的转换。
04
03
01
02
系统在不受外界的影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。
系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。
k=1.3
νcr=0.577
干饱和蒸汽
k=1.135
关键：状态判断(习题8-2)
流量按最小截面（即收缩喷管的出口截面，缩放喷管的喉部截面）来计算
0
a
q m
c
b
图8-7 喷管流量qm
临界
临界 流量
喷管两种计算
设计计算
校核计算
已知
进口参数(p1、t1)、出口背压(pb)、流量qm
喷管形状、尺寸(A2、Acr)、进口参数(p1、t1)、出口背压(pb)
工 程 热 力 学
添加副标题
总复习
第一章基本概念
热力系统：人为地分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。 外界：系统周围物质的统称。 边界(界面)：热力系与外界的分界面。 界面可以是真实，也可以是虚拟的；可以是固定，也可以是变化（运动）的。 闭口系统:与外界无物质交换，又称控制质量。 开口系统:与外界有物质交换，又称控制体积。 绝热系统:与外界无热量交换。 孤立系统:与外界无能量交换又无物质交换。可以理解成闭口+绝热，但是实际上孤立系统是不存在的。
蒸汽的基本性质
蒸汽的基本性质蒸汽已经伴随着机车和工业革命走过几个世纪，迄今为止，蒸汽已成为现代技术不可或缺的一部分。
如果没有蒸汽，我们现在的食品、纺织、化工、医药、电力、供热等工业就不可能存在，或者说不会像现在这样发展的这么好。
蒸汽的使用为能量的输送提供了一种可控制的方法，将能量从集中的、自动化的、高效的锅炉房输送到使用现场。
蒸汽是应用最广泛的热量载体之一，它广泛应用于工业系统，例如，发电、空间加热和制程应用中。
蒸汽的产生高效而经济地球上水资源相对丰富、价格便宜，并且对健康无害，对环境没有污染。
当水汽化变成蒸汽后，它又成为安全、高效的能量载体，蒸汽携带的热量相当于同等质量水所能携带热量的5-6倍。
当水在锅炉中被加热，它开始吸收热量，根据锅炉内压力的不同，水会在特定的温度下汽化成蒸汽。
这时蒸汽内储存着大量能量，这些能量可以在制程中或空间加热时再释放出来。
可以在高压下产生高温的蒸汽，压力越高，蒸汽温度也越高。
高温蒸汽内储存的能量更多，它们做功的潜力也更大。
现代的锅壳式锅炉设计紧凑，效率高，使用多回程和高效的燃烧技术，可以将燃料中蕴藏的大部分能量传递到水中，只有很少部分排放掉。
蒸汽可以方便地、高效地输送到用汽点蒸汽是应用最广泛的可长距离传递的热量载体之一。
由于蒸汽的流动是依靠管道内的压力降，因此省去了昂贵的循环泵系统。
由于蒸汽的热容量很高，所以在高压下仅需要很小口径的管道就可以输送大量的热量。
与其它传热介质相比，蒸汽管道安装简单、价格更便宜。
能量传递方便蒸汽提供了优良的热传递性能。
当蒸汽到达设备后通过冷凝过程将热量传递给被加热产品，热传递过程效率非常高。
图中显示的是一个典型的蒸汽--热水机组，它最大换热功率可以达到3000kW，采用了蒸汽板式换热器和各种控制，占地面积仅有0.7m2，与之相比，管壳式热交换器占地面积是它的2-3倍。
现代蒸汽设备管理容易通过适当的维护，蒸汽系统可以使用很多年，系统的各环节可以实现自动监测。
第三章__理想气体热力性质及过程
容积成分： i
Vi V
， i
1
摩尔成分： xi
ni n
， xi
1
换算关系：
i xi
i
xi M i xi M i
xi M i M eq
xi Rg,eq Rg ,i
，
xi
i Rg,i
Rg ,e q
分压力的确定：
由
piV=ni RT PVi=ni RT
ppi V Vi i ,
2
u 1 cVdT
如果取定值比热或平均比热，又可简化为
二、焓
ucVT
也可由热Ⅰ导得 d h(cVRg)dT cpdT
同理，有
2
h 1 cpdT
hcpT
结论：理想气体的u、h 均是温度的单值函数。
三、 熵变的计算
由可逆过程
ds du pd
T
ds du
cp
Rg 1
三、 真实比热容、平均比热容和定值比热容
1. 真实比热容（精确，但计算繁琐）
cpa0a 1 Ta2T2a3 T3
c V (a 0 R g) a 1 T a 2 T 2 a 3 T 3
qp
2 1
cpdt
2
q 1 cdt
2. 平均比热容（精确、简便）
cV
ln
T2 T1
Rg
ln
2 1
s
c
p
ln
T2 T1
Rg
ln
p2 p1
s
c
p
ln
2 1
cV
ln
p2 p1
工程热力学童钧耕第六版
工程热力学童钧耕第六版简介《工程热力学童钧耕第六版》是一本经典的工程热力学教材，由童钧耕教授编写。
本书系统地介绍了工程热力学的基本概念、原理和应用，适用于工科相关专业的学生和从事相关领域的工程师。
内容概述《工程热力学童钧耕第六版》共分为十章，内容涵盖了热力学的基本概念、气体和蒸汽的性质、能量转换与传递、理想气体混合物等方面。
以下将对每一章节进行简要介绍。
第一章：引言这一章主要介绍了工程热力学的基本概念和范围，以及其在实际应用中的重要性。
同时还对温度、压力、体积等基本物理量进行了定义和解释。
第二章：能量转换与能量传递本章讲述了能量转换与传递的基本原理，包括能量守恒定律、功与功率、传热与传质等内容。
通过对各种能量转换过程的分析，读者可以深入理解能量守恒定律在工程实践中的应用。
第三章：气体与蒸汽的性质这一章主要介绍了气体和蒸汽的基本性质，包括物态方程、气体混合物、湿空气等内容。
通过对气体和蒸汽性质的分析，读者可以了解到它们在工程热力学中的重要作用。
第四章：一次能源与二次能源本章重点讲述了一次能源和二次能源的概念和特点。
同时还介绍了常见的一次能源和二次能源类型，以及它们在工程实践中的应用。
第五章：理想气体混合物这一章主要介绍了理想气体混合物的基本原理和计算方法。
通过对理想气体混合物进行分析，读者可以掌握计算混合气体性质和热力学过程参数的技巧。
第六章：燃烧与燃烧产物本章讲述了燃烧与燃烧产物的基本原理和特点。
同时还介绍了常见的燃料类型、燃烧过程中的能量转换和产物生成等内容。
第七章：蒸汽发生器这一章主要介绍了蒸汽发生器的原理和构造，包括锅炉、汽轮机等设备。
通过对蒸汽发生器的分析，读者可以了解到其在能量转换中的重要作用。
第八章：蒸汽涡轮机本章重点讲述了蒸汽涡轮机的工作原理和性能特点。
同时还介绍了蒸汽涡轮机在电力工业中的应用和优化方法。
第九章：压缩机与风机这一章主要介绍了压缩机和风机的基本原理和分类。
通过对压缩机和风机的分析，读者可以掌握它们在工程实践中的应用技巧。
工程热力学 第三章 气体和蒸汽的性质.
3-1 理想气体的概念 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能、焓和熵 3-4 水蒸汽的饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程和临界点 3-6 水和水蒸汽的状态参数 3-7 水蒸汽表和图
3-1 理想气体的概念
1、理想气体模型(perfect gas, ideal gas) ■理想气体的两点假设
dT
p
dh vdp dT
p
h T
p
cV
q
dT
V
du
pdv dT
V
u T
V
☆注意：上式适用于任何工质，表明 c p、cV为状态参数
●理想气体
热力学能只包括内动能，只与温度有关，u f (T )
cp,423K 1.01622kJ /(kg K) cp,623K 1.05652kJ /(kg K)
623K
cp 423K (1.01622 1.05652) / 2 1.0364kJ /(kg K)
623K
qp cp 423K (T2 T1) 1.0364 (623 423) 207.27kJ / kg
5、不同形式的理想气体状态方程式
1kg的气体： pv RgT mkg的气体： pV mRgT 1mol的气体：pVm RT nmol的气体：pV nRT 流量形式： pqV qm RgT qn RT
例3-2：某台压缩机每小时输出 3200m3、表压力 pe 0.22MPa 温度t 156℃的压缩空气。设当地大气压pb 765mmHg ，求 压缩空气的质量流量qm及标准状态下的体积流量qV 0 。
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实际气体
4-7 水蒸汽的基本过程
工程热力学
第三章
气体和蒸汽的性质 (1)
Properties of gas and vapor
机械与动力工程学院 曹军 (讲师) 2013年11月26日
内容
3-1 理想气体的概念 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能，焓和熵 3-4 水蒸气的饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程和临界点 3-6 水和水蒸汽的状态参数 3-7 水蒸汽表和图 本章小结
摩尔体积
R—摩尔气体常数 与气体种类无关
Rg—气体常数 。与气体种类有关。
R 8.3145J/(mol K)
③
pV nRT
体积
理想气体状态方程式(克拉贝隆方程) ④
pv RgT
体积流量
两边同时乘以质量流量
pqV qm RgT
质量流量 两边同时乘以摩尔流量
⑤
pVm RT
pqV qn RT
第三章
第四章
第五章
逻辑关系
点→状态
3-1 理想气体的概念
线→过程
4-1 理想气体的 可逆多变过程
4-2 定容过程 4-3 定压过程 4-4 定温过程 4-5 绝热过程
面→循环
5-1 热力学第二定律 5-2 卡诺循环和 多热源循环分析 5-3 卡诺定理 5-4 熵，热力学第二 定律的数学表达式
3-2 理想气体的比热容
3-1
理想气体的概念
理想气体
理想气体
分子是弹性的， 不具体积的质点； 分子间相互没有作用力。
高温低压气体
气体比体积大到分子本身 体积远小于其活动空间 分子间的平均距离 远到作用力及其微弱
理想气体是气体压力趋近于零，比体积趋近于无穷大时的极限状态。
O2，N2，H2，CO, 空气，燃气，烟气等气体，在温度不太低，压力不太高时， 均可作为理想气体处理。误差在工程计算允许的精度范围之内。 实际气体： 水蒸气，氟利昂蒸气，氨蒸气等，分子本身体积及分子间作用力不 容忽略。
点→状态
3-1 理想气体的概念
线→过程
4-1 理想气体的 可逆多变过程
4-2 定容过程 4-3 定压过程 4-4 定温过程 4-5 绝热过程
面→循环
5-1 热力学第二定律 5-2 卡诺循环和 多热源循环分析 5-3 卡诺定理 5-4 熵，热力学第二 定律的数学表达式
3-2 理想气体的比热容
3-3 理想气体的 热力学能，焓和熵
M1Rg M 2 Rg
摩尔气体常数 和 气体常数 摩尔气体常数
p0Vm 0 R MRg =8.3145J/ mol K T0
各种气体的气体常数
R 8.3145J/ mol K Rg M M
理想气体状态方程式(克拉贝隆方程) ①
pv RgT
比体积
②
pVm RT
1 cp Rg 1
利用比热容计算热量
1. 真实比热容
2. 平均比热容表
3. 平均比热容的直线关系式 4. 定值比热容
5. 算数平均值
工程热力学
第三章
气体和蒸汽的性质 (2)
Properties of gas and vapor
机械与动力工程学院 曹 军 2013年11月28日
Review
→ 理想气体的
cv 和 c p
也都仅仅是温度的函数。
比热容的计算公式
h u pv u RgT
dh du Rg dT dT
迈耶公式
cp cv Rg
cp cv Rg
cp cv C p,m Cv,m
Cp,m Cv,m R
比热容比
cp Rg 1
体积热容：标准状态下 1m3物质的热容。以C’表示。 (J/m3.K)
Cm Mc Vm0C
'
比热容的计算公式
定压过程中的比热容，称为比定压热容，以cp表示.
定容过程中的比热容，称为比定容热容，以cv表示.
dh cp 力学能和焓都仅仅是温度的函数
几个基本概念
物质的量：物质中包含的基本单元数与12g碳12的原子数目相同时 的物 质的量，即为 1mol。 → 6.0225×1023个 摩尔质量： 1mol物质的质量。以M表示，单位：g/mol 数值上等于物质的相对分子质量。
阿伏伽德罗定律：同温同压下，各种气体的摩尔体积都相同。
标准状态
(101325Pa, 273.15K),
3-1 理想气体的概念 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能，焓和熵 3-4 水蒸气的饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程和临界点 3-6 水和水蒸汽的状态参数 3-7 水蒸汽表和图 本章小结
理想气体
理想气体
分子是弹性的， 不具体积的质点； 分子间相互没有作用力。
高温低压气体
气体比体积大到分子本身 体积远小于其活动空间 分子间的平均距离 远到作用力及其微弱
理想气体
3-4 水蒸气的 饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程 和临界点 3-6 水和水蒸汽 的状态参数 3-7 水蒸汽表和图
5-5 熵方程 5-6 孤立系统熵增原理
5-7 㶲参数的基本概念 热量㶲 5-8 工质㶲及系统 㶲平衡方程
4-6 理想气体热力过程 综合分析
实际气体
4-7 水蒸汽的基本过程
内容
3-3 理想气体的 热力学能，焓和熵
理想气体
3-4 水蒸气的 饱和状态和相图 3-5 水的汽化过程 和临界点 3-6 水和水蒸汽 的状态参数 3-7 水蒸汽表和图
5-5 熵方程 5-6 孤立系统熵增原理
5-7 㶲参数的基本概念 热量㶲 5-8 工质㶲及系统 㶲平衡方程
4-6 理想气体热力过程 综合分析
体积流量 摩尔流量
3-2
理想气体的比热容
比热容的定义
定义：物体温度升高1K(或1℃)所需的热量成为热容，以C表示。(J/K) 1kg物质温度升高1K (或1℃)所需的热量称为质量热容， 又称比热容，以 c 表示。(J/kg.K)
C
Q
dT
c
q
dT
(J/mol.K)
摩尔热容： 1mol物质的热容，以Cm表示.
1mol任何气体的体积均为：Vm0= 0.0224141m3/mol (22.4L/mol) (下角标0是指标准状态)
理想气体状态方程式(克拉贝隆方程)
理想气体状态方程
pv RgT
pv M MRgT
两边同时乘以摩尔质量
pVm MRgT
摩尔体积
p1Vm1 M1 Rg T1
p2Vm 2 M 2 Rg T2