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2023-06-15
混合气的性质及特点
【摘要】：理想气体因不存在分子间的相互引力，其状态处于纯正状态，还是处于混合气的状态，各成分的运动不受其他成分的影响，因此热力学性质不会发生变化。混合气的状态规定为独立状态量和各成分气体的混合比率这两种。把式和式各用总质量m和总摩尔数n进行除法运算，可以推导出：即，混合气所有成分的质量百分比和摩尔数百分比总和为1。
内燃机的工质为空气与燃料混合的混合气或可燃气体，由两种以上气体混合的混合气。
对于混合气状态的计算可以使用理想气体的概念。理想气体因不存在分子间的相互引力，其状态处于纯正状态，还是处于混合气的状态，各成分的运动不受其他成分的影响，因此热力学性质不会发生变化。这表示理想气体A、B即使处于混合状态，也可以适用独立的理想气体状态方程式。因此，混合气的比热、气体常数、内能、焓、熵等参数与各气体的状态量和混合比率有关。混合气的状态规定为独立状态量和各成分气体的混合比率这两种。
1.混合气的结构
理想气体混合物各成分的混合比率（结构）分为质量百分比和摩尔百分比。
由N个纯正物质混合结构的混合物总质量m和总摩尔数n可表示为
m=m1+m2+…+mN=∑mi （2.15）
n=n1+n2+…+nN=∑ni （2.16）
式中，各成分质量分别为mi，摩尔数为ni。第i个成分的质量百分比fi定义为，第i个成分质量mi与混合气总质量m之比。摩尔百分比yi定义为，第i个成分摩尔数ni与混合气总摩尔数n之比。
把式（2.15）和式（2.16）各用总质量m和总摩尔数n进行除法运算，可以推导出：
即，混合气所有成分的质量百分比和摩尔数百分比总和为1。
因物质质量m和摩尔数n、分子量M之间具有m=nM的关系，因此混合物的质量百分比fi与摩尔百分比yi之间具有下述关系：
2.混合气的分子量、气体常数
混合气的表观分子量（或平均分子量）M[kg/kmol]定义为混合物的总质量m（kg）除以总摩尔数n（kmol）得出的值。因此各成分气体的分子量Mi、摩尔百分比yi、质量百分比fi之间的关系式为
混合气的气体常数R定义为气体常数
除以混合气的分子量M得出的值，即混合气常数R为各成分气体的气体常数Ri乘以质量百分比fi的总和：
混合气也可以满足下述的理想气体状态方程式：
式中，
分别表示混合气的压力（Pa）、比容（m3/kg）、摩尔比容（m3/kmol）、容积（m3）、温度（K）、气体常数[kJ/（kg·K）]、通用气体常数[8.314kJ/（kmol·K）]、总质量（kg）、总摩尔数（kmol）、平均分子量（kg/kmol）。
3.比热
在上述说明中，假设气体的质量热容（质量定容热容，质量定压热容）为常数，但实际上质量热容c为温度的函数。质量为m的物质吸收热量，其温度从T1上升到T2时，传递的热量为
式中，cm为温度T1与T2之间的平均质量热容。
混合气的质量热容（质量定容热容cv、质量定压热容cp）也是各成分气体的质量热容ci乘以质量百分比fi的总和。同理，混合气的摩尔比热是各成分气体的摩尔热容
乘以摩尔百分比yi的总和。
式（2.24）说明，质量热容定义为在一定的容积（或温度）下，单位质量的物质上升单位温度所需的内能（或焓）。即，理想气体的内能、焓的变化可以计算为
dh=cpdT，du=cvdT
混合气的质量热容比κ定义为混合气的质量定压热容与质量定容热容之比，因此下式成立：
表2-4显示了各成分气体的质量定压热容cp、质量定容热容cv和质量热容比κ。
表2-4 质量定压热容、质量定容热容、质量热容比（101.3kPa，0°）
【例题2.1】
干燥空气成分的质量百分比：氮气75.53%、氧气23.14%、氩气1.28%、二氧化碳0.05%。请求出干燥空气的气体常数Rair、平均分子量mair、质量热容比κ。
计算：
干燥空气（混合气）的气体常数和状态量以各成分气体的状态量乘以质量百分率fi的总和来进行计算的，因此有
cv≡∑ficv，i=0.7553×743+0.2314×658+0.0128×315+0.0005×658=717.81
cp≡∑ficp，i=0.7553×1041+0.2314×919+0.0128×523+0.0005×847
=1006.04
4.内能、焓、熵
混合气的状态量（U、H、S）为各成分气体状态量（Ui、Hi、Si）的总和，或各成分气体比状态量（ui、hi、si）乘以各成分质量mi的总和，或各成分气体摩尔比状态量
乘以各成分摩尔数ni的总和。
混合气也与理想气体一样，内能和焓仅为温度的函数，熵为温度和压力的函数。
混合气的比状态量为把上述公式用混合气的总质量m相除的值，也是各成分气体比状态量（ui、hi、si）乘以质量百分比fi的总和。
混合气熵的变化为
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