?yi液相??yi气相0.0250.0710.904????0.9187 ki2.20.831.1用内插法求得 0.914MPa 时的露点为 61.5 ℃
1.1502?0.91871.1502?1?,t?61.5℃
55?6555?t四、天然气的热力性质 1、比热和比热容
在不发生相变和化学变化的条件下，加热单位质量的物质时，温度升高1℃所吸收的热量，称为此物质的比热，单位为kJ/kg·K或kJ/kg·℃；同样条件下，加热单位体积的物质时，温度升高1℃所吸收的热量，称为此物质的比热容，单位为kJ/m3·K或kJ/m3·℃；另外还有摩尔比热，其意义与上类同。比热和比热容代表相同类型的量，只是单位不同，因此，现在对两者已不加区别。以下统称为比热。
不同的热力过程，同样升高或降低1度其吸入或放出的热量也不同，一般定容过程和定压过程的比热最有现实意义。常用的比热主要有定容比热（容）和定压比热（容）。
（1）定容比热：气体加热在体积不变的情况下进行，加入的热量全部转变为分子的动能，使气体的温度升高。符号cv；
（2）定压比热：气体加热在压力不变的情况下进行，加入的热量除用于增加分子的动能，使气体的温度升高外，还有一部分作为机械能对外作功。符号cp；
这样看来，同样温度升高1度，定压过程需要的热量要比定容过程要多，即cp>cv。两者的关系为
cp＝cv＋R R－气体常数。 wp
p
p＝定v＝定
值 值
1kg气qp 1kg气qv
体 体
2、焦耳-汤姆逊系数
焦耳-汤姆逊系数是在研究一个被称为焦耳-汤姆逊膨胀过程的流动过程时得到的。如图所示，让气体在管道中通过一多孔塞从高压区向低压区流动或称膨胀，过程稳定、绝热地进行。因为气体不可能自发的从低压区向高压区扩散，因此，无论过程多么缓慢都是不可逆的。
保证高压侧的压力、温度P1、T1不变，而改变并维持低压侧压力在P2a、P2b、P2c等等，并分别测得相应的温度T2a、T2b、T2c等。把这些点画在T-P图上，就有一系列离散点1，2a，2b，2c，…。然后改变P1、T1，重复上述过程。如此作一系列类似的实验，就可以得到一簇等焓曲线，
焦耳-汤姆逊膨胀实验示意图
在这些曲线上，任一点的斜率称为焦耳-汤姆逊系数。
当由于节流作用，温度随着压力的降低而降低，称为冷却效应。
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对于干线输气管道，一般取3～5℃/MPa。 五、天然气的燃烧性质 1、天然气的热值
1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，简称热值。单位kJ/m3（或MJ/m3 ）。天然气的热值有高热值和低热值之分。
高热值又称全热值是指在恒定压力1.01325×105 Pa、恒定温度T（一般为25℃）下燃气完全燃烧，生成的水蒸气完全以冷凝水的状态排出时所放出的热量；
低热值又称净热值是指在恒定压力1.01325×105 Pa、恒定温度T（一般为25℃）下燃气完全燃烧，生成的水蒸气以气相排出时所放出的热量。
显然高、低热值之差即为水蒸气的气化潜热。一般在应用时，计算燃气具热效率时采用高热值为标准热值，而在实际当中，烟气排放均比水蒸气冷凝温度高得多，水蒸气并没有冷凝，或者说冷凝潜热得不到利用。所以工程计算中，一般采用低热值。 2、华白数、燃烧势 （1）华白数
又称沃贝尔数、沃泊指数。是燃气的热负荷指数，等于燃气高热值Hs与相对密度d开方的比值，代表燃气性质对热负荷的综合影响。符号Ws，单位kJ/m3。
1/2
Ws = Hs/d
（2）燃烧势
燃烧速度指数。当燃气的组分和性质变化较大，或者掺入的燃气与原来燃气性质相差较大时，燃气的燃烧速度会发生较大变化，仅用华白数已不能满足设计需要。所以我国的燃气分类标准中又引入燃烧速度指数—燃烧势CP，来全面判定燃气的燃烧特性。
CP-燃烧势;
H2-燃气中氢体积分数，%;
CmHn-燃气中除甲烷以外碳氢化合物体积分数，%; CO-燃气中一氧化碳体积分数，%; CH4-燃气中甲烷体积分数，%;
d-燃气相对密度(空气相对密度为1); K-燃气中氧含量修正系数; O2-燃气中氧体积分数，%。 3、天然气的爆炸极限
在室温和101.325kPa下，可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。
可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行，这一极限称为爆炸下限；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称为爆炸上限。某些可燃气体的爆炸极限见下表。 气体 甲烷 乙烷 乙烯 丙烷 丙稀 正丁烷 2.9 13 2.7 34 2.1 9.5 2.0 1.5 正戊烷 一氧化碳 1.4 8.3 12.5 74.2 硫化氢 4.3 45.5 爆炸下限，％ 5 爆炸上限，％ 15 11.7 8.5 (1)只含有可燃气体的混合气体，其爆炸极限可按下式估算
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L?100 ?yi????L??i?i?(2)含有含有惰性气体的燃气，其爆炸极限范围将缩小可按下式估算
?ui??1??1?u???100i? L??L??ui?100?L??1?u??i??L'-含有惰性气体的燃气的爆炸上、（下）限，％（体积）；
L-扣除惰性气体含量后，重新调整各组分体积分数后计算得到的燃气的爆炸上、（下）限，％（体积）； Ui-惰性气体体积分数。
另外，含有氧气（空气）的混合气体爆炸极限可参阅其它资料。 六、气体状态方程
描述气体压力、比容和温度之间相互关系的方程就是气体状态方程，对于研究可压缩气体的状态和流动规律是十分重要的。我们把气体的压力p、密度ρ（或比容v）和温度T这三者关系称之为“PVT特性”。
1、理想气体及其与实际气体的区别
主要有两点：分子是质点没有体积；分子间无作用力。实际上这样的气体是不存在的，当压力足够低、温度足够高，即密度足够小的情况下（例如常温常压或低压），我们可以近似使用理想气体状态方程。
2、理想气体状态方程
pv=RT （2-29） pVM=RMT （2-30） pV=mRT=nRMT
p——气体压力，Pa；
v——气体比容，m3/kg； R——气体常数，kJ/kg·K； T——气体温度，K；
VM——1kmol气体容积，m3/ kmol；
RM——通用气体常数或普适常数，RM =8.3143kJ/kmol·K； V——m公斤或n摩尔气体容积，m3； m——气体质量，kg； n——气体摩尔数，kmol。
气体常数R与通用气体常数RM的关系为
R= RM /M
3、实际气体状态方程
在天然气输气管线上，输气压力高达几兆帕甚至更高，此时天然气与理想气体的性质差别很大，分子体积和分子间的作用力必须予以考虑。为了考虑这些效应，范得瓦尔（Van Der Waals）在1873年提出了定性描述实际气体一般特性的范得瓦尔状态方程。之后又出现了大量的经验或半经验半理论的关系式。
工程实际中经常使用的带压缩因子Z的状态方程。
P=ZρRT 或 pv= ZRT 或 pV= ZmRT 或 pV= ZnRT （2-33）
式中的Z称为压缩因子或压缩系数，它表示实际气体与理想气体的差别。由状态方程可以看出，Z是一个状态参数，但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。
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4、对比态原理
任何实际气体的Z值要通过实验来确定。但大量实验表明：
在相同的压力和温度下，不同流体的密度（或比容）是不同的，但是，处于对比状态的不同流体具有近似相同的对比密度（或对比容积），这就是对比态原理。
这一事实首先被范得瓦尔应用，对所有气态和液态流体提出如下的数学表达式： F（pr、Tr、vr）=0 或 vr=f1（pr、Tr）
Z?pvpv 及Zc?cc
RTcRTZc称为临界压缩因子。两式相比得
Z?Zcprvr Tr由上式与（2-34）联立可得： Z=f2（pr、Tr、Zc） （2-35） 对于大多数物质，Zc的实验值变化不大，在0.23～0.31左右，因而可以近似认为是一常数。这样（2-35）式简化为
Z=f2（pr、Tr） （2-36）
常用天然气的压缩因子图
例 已知某天然气压力4.413MPa，温度5℃。气体组成容积百分数（％）为：甲烷97.5，乙烷0.2，丙烷0.2，氮1.6，二氧化碳0.5。利用通用压缩因子图查其Z值。 解：1）查表2.3得甲烷乙烷丙烷氮二氧化碳各组分pci、Tci如下 pci，MPa：4.5444.8164.1943.3497.290
Tci，K：190.58305.42369.82125.97304.25 2）计算视临界参数
Tc=ΣyiTci=(97.5*190.58+0.2*305.42+0.2*369.82+1.6*125.97+0.5*304.25)/100=190.7K Pc=ΣyiPci=(97.5*4.544+0.2*4.816+0.2*4.194+1.6*3.349+0.5*7.290)/100=4.538MPa
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3）计算对比参数
对比压力pr=p/Pc=4.413÷4.538=0.972 对比温度Tr=T/Tc=278.15÷190.7=1.459 4）查图得 Z=0.91 例 如果上题在作一下改动：
已知某天然气管道内径为900mm、长为115km，压力4.413MPa，温度5℃。气体组成容积百分数（％）为：甲烷97.5，乙烷0.2，丙烷0.2，氮1.6，二氧化碳0.5。求管道中天然气在标准状态下（101.325kPa、273.15k）的体积。
求解过程前四步是一样的，即：
1.查的各组分的临界压力pci、临界温度Tci 2.计算天然气视临界压力pc、临界温度Tc 3.计算对比压力pr 、对比温度Tr 4.查通用压缩因子图得Z＝0.91
接下来就要用到pV= ZmRT 或 pV= ZnRT 由上式可得：
ZpT0pVp0V0V Z0＝1 ， Z＝0.91 ? 所以V0?0Zp0TZTZ0T0V?V0??4?内径2?长度＝0.784?0.92?115000＝73123m3
14.413273.15???73123 0.910.101325278.15例 已知混合气体的容积成分为丙烷 50 % ，丁烷 50 % ，求在工作压力 p = 1MPa、t＝100 ℃ 时的密度和比容。 解：
1.查表得丙烷和丁烷标准状态下的密度分别为2.0102、2.703 2.标准状态下混合气体密度
?0??yi?i?0.5?2.0102?0.5?2.703?2.36(kg/m3)
3. 混合气体的平均临界温度和临界压力
查表得丙烷和正丁烷的平均临界温度和临界压力为： 丙烷：368.85k、4.3975MPa 正丁烷：425.95k、3.6173MPa
混合气体的平均临界监度和临界压力 TC=ΣyiTci＝397.4k pC=Σyipci＝4.0074MPa 3.计算对比参数
对比压力pr=p/Pc=0.275 对比温度Tr=T/Tc=0.94 4.查通用压缩因子图得Z＝0.87 5.混合气体密度
???0pT01?21.6
p0TZ6.混合气体比容 v＝1/ρ＝0.0463
若按理想气体状态方程计算，密度为18.78，偏差达13％。
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