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1、气体的基本状态参数第1页，本讲稿共38页 气体的基本状态参数气体的基本状态参数 气体气体状态参数的特性状态参数的特性 介绍气体基本状态参数及其特性介绍气体基本状态参数及其特性 气体基本状态参数气体基本状态参数 状态参数的特性状态参数的特性 2/4第2页，本讲稿共38页 一、比容、密度和重度一、比容、密度和重度 单位质量的物质所占有的体积，叫做比容单位质量的物质所占有的体积，叫做比容，以，以符号符号表示，若质量为表示，若质量为m的物质占有的体积为的物质占有的体积为V，则其比容为，则其比容为 单位体积内含有物质的质量，叫做密度单位体积内含有物质的质量，叫做密度，以符号，以符号表示。若质量为表示。若
2、质量为m(kg)的物质占有的体积为的物质占有的体积为V(m)，则其密度，则其密度为为 14 气体的基本状态参数气体的基本状态参数第3页，本讲稿共38页根据比容及密度的定义式，可知比容和密度互根据比容及密度的定义式，可知比容和密度互为倒数。即为倒数。即由于密度的大小说明物质分子的密集和松散程由于密度的大小说明物质分子的密集和松散程度，因此比容的大小也是说明气体分子的疏密度，因此比容的大小也是说明气体分子的疏密程度。程度。第4页，本讲稿共38页 单位体积内含有物质的重量，叫做重度单位体积内含有物质的重量，叫做重度，以符号，以符号表示。质量为表示。质量为m(kg)的物质其重量为的物质其重量为mg，若
3、，若其占有的体积为其占有的体积为V，则其重度，则其重度为为 =比容、密度和重度都是说明物质在某一状态比容、密度和重度都是说明物质在某一状态的分子疏密程度，所以它们实质上是一个说的分子疏密程度，所以它们实质上是一个说明、物质物理性质的参数。三者的关系为明、物质物理性质的参数。三者的关系为 第5页，本讲稿共38页例例 容积为容积为60L的氧气瓶内，盛氧气的氧气瓶内，盛氧气0.8KG，求氧，求氧气的比容和重度。气的比容和重度。解：因为解：因为 故故 那么那么 v=0.075 m3 那么那么 =130.8N/m 第6页，本讲稿共38页例例 空气在某一状态下的重度为空气在某一状态下的重度为 ，求，求它的
4、比容和密度。已知重力加速度它的比容和密度。已知重力加速度 。解：解：第7页，本讲稿共38页二、压力或压强二、压力或压强 1、压力的定义、压力的定义垂直作用在单位面积上的力，叫做压力或压强垂直作用在单位面积上的力，叫做压力或压强，以符号以符号P表示。表示。气体的压力乃是气体分于作无气体的压力乃是气体分于作无规则运动时频繁地撞击容器内壁的平均总结果规则运动时频繁地撞击容器内壁的平均总结果。2、气体压力、气体压力气体的分子运动论指出气体作用于容器壁上气体的分子运动论指出气体作用于容器壁上的压力为的压力为 P=n 第8页，本讲稿共38页式中式中 P 力；力；n分子浓度，即单位容积的分子数；分子浓度，即
5、单位容积的分子数；分子的平均移动动能；分子的平均移动动能；m 分子的质量；分子的质量；分子的均方根移动速度，由下式求得分子的均方根移动速度，由下式求得 =其中其中 ，表示各个分子的移动速度表示各个分子的移动速度 第9页，本讲稿共38页 上式说明气体的压力在数值上等于单位容积上式说明气体的压力在数值上等于单位容积内气体分子平均移动动能的三分之二。内气体分子平均移动动能的三分之二。若气体作用于器壁面积若气体作用于器壁面积A上的垂直作用力为上的垂直作用力为F，则该壁面上的压力为，则该壁面上的压力为 P=第10页，本讲稿共38页3、几个压力单位的换算、几个压力单位的换算压力的单位是帕斯卡，简称帕，以符
6、号压力的单位是帕斯卡，简称帕，以符号Pa表表示，采用帕示，采用帕(Pa)作为压力的单位，在工程实用上作为压力的单位，在工程实用上显得太小，而数值太大，所以实际上采用千帕显得太小，而数值太大，所以实际上采用千帕(KPa)或兆帕或兆帕(MPa)作为压力的实用单位，它作为压力的实用单位，它们与帕们与帕(Pa)的关系为的关系为此外，暂时与国际单位制压力单位并用的压力单此外，暂时与国际单位制压力单位并用的压力单位还有：巴位还有：巴(bar)1bar=10 Pa=01MPa第11页，本讲稿共38页 4、液柱高度、液柱高度压力的大小有时用汞柱或水柱的高度表示。如图压力的大小有时用汞柱或水柱的高度表示。如图(
7、113)所示，设液注的截面积为所示，设液注的截面积为A，高度为，高度为Z，液体的密度为，液体的密度为，则作用于底面积，则作用于底面积A上的总上的总作用力作用力F应为该液柱的重量，即应为该液柱的重量，即则则由于液体的密度由于液体的密度为定值，所以液柱的高度与压为定值，所以液柱的高度与压力成正比，因此用液柱的高度就可以代表压力的大力成正比，因此用液柱的高度就可以代表压力的大小。小。第12页，本讲稿共38页5、物理大气压或标准大气压、物理大气压或标准大气压它是在纬度为它是在纬度为45，大气温度为，大气温度为0的海平面的海平面上的大气常年平均压力，通过气压计测定上的大气常年平均压力，通过气压计测定1个
8、物理大气压为个物理大气压为760毫米汞柱高毫米汞柱高，即，即 1 atm=760mmHg 若把物理大气压换算成若把物理大气压换算成SI制中常用的单位，制中常用的单位，即得即得 1atm=760133.32=101325Nm =1.01325bar第13页，本讲稿共38页6、工程大气压或大气压、工程大气压或大气压 工程制中力的单位为千克，面积的单位为平工程制中力的单位为千克，面积的单位为平方米，于是压力的单位是千克每平方米方米，于是压力的单位是千克每平方米()。在工程实用上这个单位亦显得太小，所以取千。在工程实用上这个单位亦显得太小，所以取千克每平方厘米（克每平方厘米（）作为实际应用的单位，）作
9、为实际应用的单位，显而易见显而易见 1 =101at=0.98bar=735.6mmHg=0.968atm第14页，本讲稿共38页7、液柱高度表示的压力、液柱高度表示的压力在热力学中描写气体的状态时，压力应是气体的在热力学中描写气体的状态时，压力应是气体的真实压力或绝对压力；它的数值不能用测量仪表真实压力或绝对压力；它的数值不能用测量仪表直接测得，而是根据力学平衡的概念利用气压计直接测得，而是根据力学平衡的概念利用气压计与压力表或与压力表或U形管两者综合求得。如果气体的绝形管两者综合求得。如果气体的绝对压力对压力 P 高于大气压力，如图高于大气压力，如图114a所示，所示，则则 P =B+P
10、式中式中 B气压计测出的当地大气压力；气压计测出的当地大气压力；第15页，本讲稿共38页L用液柱测出或用弹簧管式的压力表测出：用液柱测出或用弹簧管式的压力表测出：它是容器内的气体压力高于当地大气压力的数它是容器内的气体压力高于当地大气压力的数值，所以叫做表压力或超出压力，在图值，所以叫做表压力或超出压力，在图114a中，中，如果气体的绝对压力如果气体的绝对压力P由低于大气压力，如图由低于大气压力，如图114b所示，则所示，则 式中式中 B气压计测出的当地大气压力；气压计测出的当地大气压力；用液柱测或仪表测出的气体压力；用液柱测或仪表测出的气体压力；第16页，本讲稿共38页 是容器内的压力低于当
11、地大气压力的数值，其是容器内的压力低于当地大气压力的数值，其值越大，则气体的绝对压力越小，亦即越接近真值越大，则气体的绝对压力越小，亦即越接近真空，所以空，所以 叫为真空度，测定真空度的仪表叫叫为真空度，测定真空度的仪表叫做真空表。在图做真空表。在图114b中中 上述的上述的 ，B，的关系可用图，的关系可用图115表示。表示。第17页，本讲稿共38页在某一确定的状态下，气体的绝对压力保持不变，在某一确定的状态下，气体的绝对压力保持不变，但是由于外界环境的变化，例如气候的突变，气但是由于外界环境的变化，例如气候的突变，气压计的读数将发生变化，因此压计的读数将发生变化，因此 亦将发生变化；亦将发生
12、变化；所以所以 不是单值地与此确定状态对应，因而它不不是单值地与此确定状态对应，因而它不是一个状态参数，这可由图是一个状态参数，这可由图116看出。看出。第18页，本讲稿共38页例例 用用U形管测出某实验设备的出口压力是形管测出某实验设备的出口压力是05mHg,而实验室内的气压计读数为而实验室内的气压计读数为750mmHg，求该实验设备的出口绝对压力是多少，求该实验设备的出口绝对压力是多少?解：解：利用式利用式(1113)得实验设备的出口绝得实验设备的出口绝对压力是对压力是 =750+0.51000=1250mmHg =1250133.3=1.66710 Pa=1.67bar第19页，本讲稿共
13、38页例例114，氧气瓶上安装的压力表指示的压，氧气瓶上安装的压力表指示的压力为力为47.5bar，这时气压计上的读数为，这时气压计上的读数为755mmHg,求瓶内氧气韵绝对压力是多少求瓶内氧气韵绝对压力是多少?解：解：气压计上的读数气压计上的读数755mmHg换算为换算为 =1.007bar1bar 代人式代人式(1113)得氧气瓶内的绝对压力为得氧气瓶内的绝对压力为P =1.007+47.5=48.50748.5bar第20页，本讲稿共38页 三、温度三、温度 热力学第零定律热力学第零定律 温度表示物质冷热的程度。两个温度不同温度表示物质冷热的程度。两个温度不同的物体相接触，高温物体的温度
14、降低，低的物体相接触，高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，两者之间有热的传递，温物体的温度升高，两者之间有热的传递，经过一段时间后，两者的温度相等，它们经过一段时间后，两者的温度相等，它们之间没有热量的传递，达到一个共同的热之间没有热量的传递，达到一个共同的热平衡状态。温度概念的建立以及温度的测平衡状态。温度概念的建立以及温度的测定都是以热平衡为依据的。由经验可知，定都是以热平衡为依据的。由经验可知，若某物体（例如温度计）分别与其它两个若某物体（例如温度计）分别与其它两个物体处于热平衡时（或温度相等时），则物体处于热平衡时（或温度相等时），则这两个物体彼此也处于热平衡，即它们的这两个物体彼
15、此也处于热平衡，即它们的温度也必定相等温度也必定相等这就是热力学第零定这就是热力学第零定律律。第21页，本讲稿共38页分子运动论把温度和气体分子的平均移动动能联分子运动论把温度和气体分子的平均移动动能联系起来，它们之间具有如下的简单正比关系系起来，它们之间具有如下的简单正比关系 =CT （1115）式中式中 T热力学温度；热力学温度；C比例数，对任何气体都是同一数值；比例数，对任何气体都是同一数值；分子的平均移动动能。分子的平均移动动能。第22页，本讲稿共38页从式（从式（1115）可见，温度的高低表示）可见，温度的高低表示气体分子的平均移动动能的大小，两个温气体分子的平均移动动能的大小，两个
16、温度不等的物体相接触，通过接触面上分子度不等的物体相接触，通过接触面上分子的互相碰撞。温度较高的物体，即分子平的互相碰撞。温度较高的物体，即分子平均移动动能较大的物体将部分能量传给温均移动动能较大的物体将部分能量传给温度较低的，即分子平均移动动能较小的物度较低的，即分子平均移动动能较小的物体，直到两物体的平均移动动能相等时为体，直到两物体的平均移动动能相等时为止，亦即两个物体的温度相等，到达了热止，亦即两个物体的温度相等，到达了热平衡的状态。平衡的状态。第23页，本讲稿共38页温度的高低使物体的体积、饱和蒸气压、温度的高低使物体的体积、饱和蒸气压、气态物质在定容下的压力或在定压下的容气态物质在
17、定容下的压力或在定压下的容积、电阻、接触电动势等发生变化。因此，积、电阻、接触电动势等发生变化。因此，利用物质的某一个随冷热程度有显著变化利用物质的某一个随冷热程度有显著变化的物理量作为建立温度计的标志。例如，的物理量作为建立温度计的标志。例如，水银温度计就是利用水银柱体体积与温度水银温度计就是利用水银柱体体积与温度的关系，电阻温度计就是利用金属丝的电的关系，电阻温度计就是利用金属丝的电阻与温度的关系来决定温度的高低。阻与温度的关系来决定温度的高低。第24页，本讲稿共38页温度的数值表示法叫做温标。过去老的摄氏温度的数值表示法叫做温标。过去老的摄氏温标规定在一个物理大气压纯水结冰的温度温标规定
18、在一个物理大气压纯水结冰的温度为为0，沸腾的温度为，沸腾的温度为100，其间的温度数，其间的温度数值是按温度与物质物里量的线性函数确定的。值是按温度与物质物里量的线性函数确定的。由于温度计中所选的测温物质不同，作为温由于温度计中所选的测温物质不同，作为温度标志的物理量不同，切定的温标除在冰点度标志的物理量不同，切定的温标除在冰点与沸点相同外，其它温度往往有较小的差别。与沸点相同外，其它温度往往有较小的差别。为了避免这些差异提高温度测量的精确度，为了避免这些差异提高温度测量的精确度，1960年第十一次国际计量大会上通过的热力年第十一次国际计量大会上通过的热力学温标又名绝对温标或开尔文温标，它完全
19、学温标又名绝对温标或开尔文温标，它完全不依赖于任何测温物质的性质。不依赖于任何测温物质的性质。第25页，本讲稿共38页这种热力学温标用符号这种热力学温标用符号T表示；其单位为开表示；其单位为开尔文或简称为开，用符号尔文或简称为开，用符号K表示。热力学温表示。热力学温标是取水的三相点的温度作为单一固定点，标是取水的三相点的温度作为单一固定点，并规定水的三相点温度为并规定水的三相点温度为273.16K，而热力，而热力学温度单位开尔文为水的三相点温度的学温度单位开尔文为水的三相点温度的1/273.16。所谓水三相点温度的是指水的固、。所谓水三相点温度的是指水的固、液、气三态共存，并处于平衡状态时的温
20、液、气三态共存，并处于平衡状态时的温度。水的三相点温度比水的冰点温度高度。水的三相点温度比水的冰点温度高0.01K，所以水的冰点温度在热力学温标中，所以水的冰点温度在热力学温标中为为273.15K。第26页，本讲稿共38页在摄氏温标中，水的冰点温度为在摄氏温标中，水的冰点温度为0C，而摄，而摄氏温标用符号氏温标用符号t表示，采取热力学温标相同表示，采取热力学温标相同的间隔，因此，热力学温标和摄氏温标具的间隔，因此，热力学温标和摄氏温标具有如下关系：有如下关系：t=T273.15 或或 T=273.15+t 273+t这是这是1960年第十一次国际计量大会对摄氏年第十一次国际计量大会对摄氏温标所
21、给予新的定义，它是从热力学温标温标所给予新的定义，它是从热力学温标换算出来的，并且应该给以全名为热力学换算出来的，并且应该给以全名为热力学摄氏温标。摄氏温标。第27页，本讲稿共38页选取水的三相点作为参考点比选水的冰点选取水的三相点作为参考点比选水的冰点作为参考点的好处有二：一是实验装置中作为参考点的好处有二：一是实验装置中三相点的温度比较容易稳定，可长期维持三相点的温度比较容易稳定，可长期维持在万分之一度内不变；二是三相点不牵涉在万分之一度内不变；二是三相点不牵涉到外界条件，如大气压等。到外界条件，如大气压等。第28页，本讲稿共38页15 气体状态参数的特性气体状态参数的特性一、状态参数的单
22、值性一、状态参数的单值性前述的三个基本状态参数描述了在某一瞬前述的三个基本状态参数描述了在某一瞬时体系所处的状态，也就是说，体系处于时体系所处的状态，也就是说，体系处于平衡状态时，才可以用这些状态参数来表平衡状态时，才可以用这些状态参数来表示，而且某一参数只能有一个数值，不可示，而且某一参数只能有一个数值，不可能有两个或两个以上的数值，所以能有两个或两个以上的数值，所以状态参状态参数的本身就说明了状态的单值性数的本身就说明了状态的单值性，这不仅，这不仅对比容、压力和温度三个基本状态参数适对比容、压力和温度三个基本状态参数适用，而且对以后要介绍的内能、焓和熵等用，而且对以后要介绍的内能、焓和熵等
23、状态参数也适用。状态参数也适用。第29页，本讲稿共38页 状态参数的单值性，就是体系的热力学状状态参数的单值性，就是体系的热力学状态一经确定，则状态参数的数值即随之确态一经确定，则状态参数的数值即随之确定，而与热力学体系如何过渡到这一状态定，而与热力学体系如何过渡到这一状态的变化过程无关。的变化过程无关。确定状态参数的函数叫确定状态参数的函数叫做点函数，它具有以下的数学特征。做点函数，它具有以下的数学特征。第30页，本讲稿共38页在任意变化过程中，热力学体系从状态在任意变化过程中，热力学体系从状态1过渡过渡到状态到状态2时，状态参数的变化量，永远等于其时，状态参数的变化量，永远等于其起始状态下
24、的和终了状态下的此状态参数的起始状态下的和终了状态下的此状态参数的差值，而与过渡的方式无关，即差值，而与过渡的方式无关，即 式中式中 Z任意状态参数。任意状态参数。第31页，本讲稿共38页当热力学体系自起始状态经历一个变化过程，当热力学体系自起始状态经历一个变化过程，最后又回到起始状态，即完成一个封闭的变化最后又回到起始状态，即完成一个封闭的变化过程，此时，状态参数的变化量为过程，此时，状态参数的变化量为0，即，即 由上所述，可见状态函数的微分应为全微分。由上所述，可见状态函数的微分应为全微分。状态参数的本身虽然具有单值性，但是，各状态参数的本身虽然具有单值性，但是，各个状态参数之间，并不都是
25、互不相关的参数。个状态参数之间，并不都是互不相关的参数。经验和理论证明，在没有化学反应的工质处经验和理论证明，在没有化学反应的工质处于平衡状态时，基本状态参数了维持一定的于平衡状态时，基本状态参数了维持一定的函数关系，即函数关系，即第32页，本讲稿共38页 这个关系式叫做气体的状态方程式或特性方这个关系式叫做气体的状态方程式或特性方程式，它的具体形式取决于气体的性质。此状程式，它的具体形式取决于气体的性质。此状态方程式在态方程式在 直角坐标系上表示为一个曲直角坐标系上表示为一个曲面，叫做热力学面。给定三个参数中任何一个面，叫做热力学面。给定三个参数中任何一个参数的数值时，则可得到其它两个参数的
26、关系，参数的数值时，则可得到其它两个参数的关系，它表示在热力学面上是一根曲线，若再给第二它表示在热力学面上是一根曲线，若再给第二个参数的数值，则将确定第三个参数的数值；个参数的数值，则将确定第三个参数的数值；它表示在热力学面上是一个点这表明了体系它表示在热力学面上是一个点这表明了体系处于某一平衡状态。处于某一平衡状态。由于两个参数决定了气体的状态，所以热力学中由于两个参数决定了气体的状态，所以热力学中广泛采用平面坐标图描写一定的状态。经常用压容广泛采用平面坐标图描写一定的状态。经常用压容图表示。图表示。第33页，本讲稿共38页 二、强度量和广延量二、强度量和广延量热力学中所有物理量可以分为两类
27、：热力学中所有物理量可以分为两类：一类是一类是代表热力学体系的内在性质，与该体系的总代表热力学体系的内在性质，与该体系的总质量无关的物理量，叫强度量。另一类是代质量无关的物理量，叫强度量。另一类是代表热力学体系的外延性质，与该体系的总质表热力学体系的外延性质，与该体系的总质量成正比的物理量，叫广延量量成正比的物理量，叫广延量。广延量对质量或体积的比值，具有强度量广延量对质量或体积的比值，具有强度量的性质的性质。一般的广延量具有可加性，即热力学体系的一般的广延量具有可加性，即热力学体系的总量等于各部分的分量之和，但强度量没有总量等于各部分的分量之和，但强度量没有可加性。可加性。第34页，本讲稿共38页图图1-1-3第35页，本讲稿共38页图图1-1-4第36页，本讲稿共38页图图1-1-5第37页，本讲稿共38页图图1-1-6第38页，本讲稿共38页