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1、工程热力学和传热学工程热力学和传热学第一篇 工程热力学Engineering Thermodynamics工程热力学和传热学工程热力学和传热学 湖南科技大学湖南科技大学电话：13789303851 邮箱：主要研究方向：主要研究方向：矿井通风、煤矿瓦斯防治及利用等。主讲人简介： 王鹏飞王鹏飞，男，1984年8月生，江西九江人,博士，讲师。 2002年9月-2006年7月，湖南科技大学建筑环境与设备工程专业学习，获学士学位； 2006年9月-2009年7月，湖南科技大学安全技术及工程专业学习，获硕士学位； 2009年9月-2012年6月，中南大学安全技术及工程专业学习，获博士学位； 2012年6月
2、至今，湖南科技大学能源与安全工程学院任教；2 2上课前预习，带着问题来听课；上课前预习，带着问题来听课；上课认真听讲并积极思考；上课认真听讲并积极思考；弄清基本概念，注意每章后的思考题弄清基本概念，注意每章后的思考题;理解计算公式的推导过程；理解计算公式的推导过程；熟记重要的方程和公式；熟记重要的方程和公式；独立地按时完成作业并按时递交作业；独立地按时完成作业并按时递交作业；除教材外，手头备有除教材外，手头备有2-3本参考书籍；本参考书籍；不懂的地方查阅文献或与同学讨论或请教老师和同学。及不懂的地方查阅文献或与同学讨论或请教老师和同学。及时解决所遇到的问题。时解决所遇到的问题。参考书目：参考书
3、目：1工程热力学工程热力学严家騄，王永青编著，高教出版社严家騄，王永青编著，高教出版社3Thermodynamics Wark Richards 22工程热力学精要分析及典型题精解工程热力学精要分析及典型题精解 何雅玲，何雅玲，西安交通大学出社西安交通大学出社如何学好工程热力学？如何学好工程热力学？3 3作业工整，每做完一道题，空一行。作业工整，每做完一道题，空一行。可以不抄题目，但要写出题次、必要时画出可以不抄题目，但要写出题次、必要时画出简图、写出已知条件和需要求解的问题。简图、写出已知条件和需要求解的问题。解题过程要完整，如写出公式后要完整的代解题过程要完整，如写出公式后要完整的代入数据
4、。入数据。小数点后一般保留小数点后一般保留13位有效数字，具体几位有效数字，具体几位可参考相关章节的例题。位可参考相关章节的例题。 对作业的要求对作业的要求4 4考试成绩的评定考试成绩的评定（1）平时作业及上课表现）平时作业及上课表现10%（2）考勤）考勤10%（3）实验）实验10%（4）期末考试）期末考试70%5 5提提 纲纲第六章第六章水蒸汽的热力性质和过程水蒸汽的热力性质和过程 第一节第一节概述概述第二节第二节水的定压汽化过程和水的定压汽化过程和水蒸汽的水蒸汽的p-v图及图及T-S图图第三节第三节水蒸汽表水蒸汽表第四节第四节水蒸汽的水蒸汽的h-s图图第五节第五节水蒸汽的基本热力过程水蒸汽
5、的基本热力过程6 61、熟练掌握水蒸汽的有关基本概念：、熟练掌握水蒸汽的有关基本概念：（1）饱和水（饱和温度、饱和压力）饱和水（饱和温度、饱和压力）（2）过冷度（过冷水）、过热度（过热蒸汽）过冷度（过冷水）、过热度（过热蒸汽）（3）液体热、过热热、汽化潜热、干度、临界点）液体热、过热热、汽化潜热、干度、临界点（4） 一点、两线、三区、五态一点、两线、三区、五态2、熟练掌握水蒸汽的热力性质、水定压汽化过程和水蒸汽的、熟练掌握水蒸汽的热力性质、水定压汽化过程和水蒸汽的 P-V图、图、T-S图图3、掌握水蒸汽表和利用水蒸汽表进行五态的相关基本计算、掌握水蒸汽表和利用水蒸汽表进行五态的相关基本计算4、
6、掌握水蒸汽的、掌握水蒸汽的h-S图和基本热力过程计算图和基本热力过程计算基本要求：基本要求：7 7第一节第一节 概概 述述范德瓦尔方程：理想气体方程：分分子子间间相相互互作作用力修正项用力修正项分子本身体分子本身体积的修正项积的修正项（1）考虑分子本身体积修正项：（2）考虑分子间相互作用力修正项：（ 内聚压力）8 8纯纯纯纯物物物物质质质质的的的的热热热热力力力力学学学学曲曲曲曲面面面面图图图图及及及及相相相相图图图图 纯纯物物质质状状态态方方程程的的一一般般形形式式为为 f f ( (p p, ,T T, ,v v) )= =0 0, , 在在由由 p p- -v v- -T T 构构成成的
7、的三三维维坐坐标标系系中中 f f ( (p p, ,T T, ,v v) )= =0 0 是是一一复复杂杂曲曲面面, ,曲曲面面上上的的每每一一点点代代表表一一个个平平衡衡状状态态，这这个个曲曲面面称称为为热热力力学学曲曲面面。实际气体的热力学能和焓不仅是温度的函数，且与体积有关，所以比热容也是温度和体积的函数。水蒸汽的热力学能、焓和熵通过查图和表求得。（迈耶（迈耶方程）方程）9 9固液固液气体气体临界点临界点液体液体液汽液汽三相线三相线固汽固汽蒸汽蒸汽pT Tvp p常数常数T T常数常数固体固体水水的的热热力力学学曲曲面面图图1010固液固液固液固液液液 体体固固固固 体体体体o o 三
8、相点三相点三相点三相点蒸蒸 气气A A固汽固汽液液汽汽C CBpT水的水的水的水的p-Tp-T相图相图相图相图气气 体体（汽化曲线）（汽化曲线）（汽化曲线）（汽化曲线）（熔解曲线）（熔解曲线）（升华曲线）（升华曲线）临界点临界点热热热热力力力力学学学学曲曲曲曲面面面面在在在在p-p-T T平平平平面面面面上上上上的的的的投投投投影影影影被被被被称称称称为为为为p-Tp-T图图图图, , , ,又又又又称为相图。称为相图。称为相图。称为相图。 1111第二节第二节水的定压汽化过程和水的定压汽化过程和水蒸气的水蒸气的P-V图及图及T-S图图12122 2) ) 饱饱饱饱和和和和温温温温度度度度、饱
9、饱饱饱和和和和压压压压力力力力 饱饱和和状状态态下下的的温温度度和和压压力力分分别别称称为为饱饱和和温温度度 t ts s和和 饱饱和和压压力力p ps s。各各种种纯纯物物质质的的饱饱和和温温度度与与饱饱和和压压力力间间都都存存在在着着一一定定的的对对应应 关关系系。如如: :水水蒸蒸气气的的饱饱和和压压力力与与饱饱和和温温度度的的对对应应关关系系的的经经验验公公式式为为1 1 1 1) ) ) ) 饱饱饱饱和和和和状状状状态态态态 在在两两相相区区中中, ,有有两两种种不不同同的的相相平平衡衡共共存存, ,它它们们具具有有相相同同的的 压压力力和和温温度度。这这种种两两相相平平衡衡共共存存
10、的的状状态态称称为为饱饱和和状状态态。 3 3) ) 饱饱饱饱和和和和液液液液体体体体和和和和饱饱饱饱和和和和蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽 饱饱和和状状态态下下的的液液体体和和汽汽体体分分别别称称为为饱饱和和液液体体 和和饱饱和和蒸蒸汽汽( (或或干干饱饱和和蒸蒸汽汽) )。饱饱和和液液体体与与饱饱和和蒸蒸汽汽组组成成的的混混合合物物称称为为 湿湿饱饱和和蒸蒸汽汽。式式中中, , t ts s的的单单位位为为, , p ps s的的单单位位为为a at tmm。此此式式只只能能用用于于1 10 00 0附附近近。1 1 基基本本概概念念13132 2 水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生
11、成过程水蒸气的定压生成过程未饱和水状态未饱和水状态 饱和水状态饱和水状态 湿饱和蒸汽状态湿饱和蒸汽状态 干饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态过热蒸汽状态过热阶段过热阶段水蒸汽的定压生成过程水蒸汽的定压生成过程饱和水的汽化阶段饱和水的汽化阶段水的预热阶段水的预热阶段说明：在此说明：在此可代表可代表1414ssxsss”Tsvavv”vxvs0pTabcedebavc d五个状态五个状态：（1）a：未饱和水未饱和水（过冷水），t ts , 过热度t = t- ts , p、T 是独立的状态参数，单相均匀系= f ( p , T )。1616三个阶段：三个阶段：1）定压预热阶段定压预热阶段a-
12、b：未饱和水变为饱和水。比液体热：2）定压汽化阶段定压汽化阶段b-c-d：饱和水变为干饱和蒸汽，既是定压又是定温的相变加热过程。比汽化潜热：3）定压过热阶段定压过热阶段d-e：饱和蒸汽变成过热蒸汽，比过热热：vavv”vxvpebavc d1Ts2水蒸气定压生成过程中热量的计算水蒸气定压生成过程中热量的计算17173 水蒸气的p-v图和T-s图（1）饱和水线 各种压力下饱和水状态点的连线，又称下界线，沿此线x=0;（2）干饱和蒸汽线 各种压力下干饱和蒸汽状态点的连线，又称上界线，沿此线x=0;（3）临界点C 饱和水线和干饱和蒸汽线的交点。水的临界点C基本状态参数为： pcr=22.115 MP
13、a tcr=374.12 vcr=0.003147 m3/kg1818C2010C10(20)pvTs 水的临界参数水的临界参数水的临界参数水的临界参数: : : : 区是未饱和水区区是未饱和水区区是未饱和水区区是未饱和水区,区是湿饱和蒸汽区区是湿饱和蒸汽区区是湿饱和蒸汽区区是湿饱和蒸汽区,区是过热蒸汽区。区是过热蒸汽区。区是过热蒸汽区。区是过热蒸汽区。1919C2010C1020pvTs一点一点一点一点: : : :临界点临界点; ; ; ; 两线两线两线两线: : : :饱和水线、干饱和蒸汽线饱和水线、干饱和蒸汽线; ;三区三区三区三区: : : :未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区未饱
14、和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区; ; ; ;五态五态五态五态: : : :未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。2020工工程程上上认认为为三三相相点点液液相相水水的的焓焓取取零零已已足足够够准准确确。 根根据据1 19 96 63 3年年的的国国际际水水蒸蒸气气会会议议规规定定，选选取取水水三三相相点点的的液液相相水水作作为为基基准准点点，规规定定该该点点状状态态下下液液相相水水的的内内能能和和熵熵为为零零。6 6. .3 3. .1 1基基基基准准准准点点点点的的的的确确确确定定定定三三相相点点状状态态下下液液相相水水的的
15、参参数数为为根根据据焓焓的的定定义义, ,可可求求出出此此状状态态下下液液相相水水的的焓焓应应为为6 6. .3 3. .2 2水水水水蒸蒸蒸蒸气气气气热热热热力力力力性性性性质质质质表表表表 1 1 1 1) ) ) )未未未未饱饱饱饱和和和和水水水水与与与与过过过过热热热热水水水水蒸蒸蒸蒸气气气气的的的的热热热热力力力力性性性性质质质质表表表表可直接查取未饱和水和过热蒸汽参数（可直接查取未饱和水和过热蒸汽参数（附表附表4 4）。）。 第三节第三节 水蒸气表水蒸气表21212) 2) 饱和水与饱和水蒸气的热力性质表饱和水与饱和水蒸气的热力性质表饱和水与饱和水蒸气的热力性质表饱和水与饱和水蒸气
16、的热力性质表 （按温度排列（按温度排列附表附表2 2和按压力排列和按压力排列附表附表3 3）(1)(1)(1)(1)可直接查取饱和水的参数和干饱和蒸汽的参数可直接查取饱和水的参数和干饱和蒸汽的参数可直接查取饱和水的参数和干饱和蒸汽的参数可直接查取饱和水的参数和干饱和蒸汽的参数(2)(2)(2)(2)计算湿饱和蒸汽的参数计算湿饱和蒸汽的参数计算湿饱和蒸汽的参数计算湿饱和蒸汽的参数干干 度度容器中湿饱和蒸汽的体积容器中湿饱和蒸汽的体积则湿饱和蒸汽的比容则湿饱和蒸汽的比容饱和水的参数饱和水的参数干饱和蒸汽的参数干饱和蒸汽的参数饱和蒸汽饱和蒸汽饱和水饱和水 而饱和蒸汽占体积而饱和蒸汽占体积 饱和水占体
17、积饱和水占体积有湿饱和蒸汽的参数有湿饱和蒸汽的参数a a可以是可以是u,h,v,su,h,v,s湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽2222三、计算步骤三、计算步骤1、确定状态已知（p，t）tst ts 过热蒸汽 t ts 未饱和水 已知（p，v）v,v”vv v” 湿蒸汽 v v” 过热蒸汽 xSx，hx2、根据状态查相应的图或表，湿蒸汽查饱和水与饱和蒸汽表，再利用干度公式求出。3、热力学能利用公式u=h-pv求得。2323 例6-1 有一种说法：“过冷水一定很冷，过热水蒸气一定很热”，试用水蒸气表对此说法予以评论。 解解 由附表3查得，p=20 MPa时饱和蒸汽的ts=365.71。因
18、此， p=20 MPa， t=300的水为未饱和水，即过冷水，且过冷度t=ts-t=365.71-300=65.71，可见过冷水不一定很冷。 同 样 ， 由 附 表 3查 得 ， p=0.001 MPa时 饱 和 蒸 汽 的ts=6.982。因此， p=0.0001 MPa， t=16.982的水蒸气为过热水蒸气，且过热度t=t-ts=16.982-6.982=10，可见过热水蒸气不一定很热。2424 例例例例6-2 6-2 p p=0.5Mpa，v=0.36m3/kg，确定状态，并求出确定状态，并求出温度、比焓、比热力学能和比熵。温度、比焓、比热力学能和比熵。解：查饱和水与饱和蒸汽表 ts=
19、151.85 C，v=0.0010928 m3/kg，v”=0.37481 m3/kg湿蒸汽h=640.1 kJ/kg，h”=2748.5 kJ/kgs=1.8604 kJ/(kgK)，s”=6.8215 kJ/(kgK)2525 例 6-3 在压力p=10 MPa下，对水进行定压加热，当其温度分别达到t1=300和t2=500时，试确定所处状态。 解 由未饱和水与过热水蒸气（附表4）得，当p=10 MPa时， ts=310.96。可见t1=300时为未饱和水，过冷度 t1=ts-t1=310.96-300=10.96其比体积、比焓和比熵分别为：v1=0.0013978m3/kg h1=134
20、3.7 kJ/kg s1=3.2494 kJ/(kgK) 而t2=550时为过热水蒸气，过热度 t2=t2-ts=550-310.96=239.04其比体积、比焓和比熵分别为：v2=0.03561m3/kg h2=3500.4 kJ/kg s2=6.7568 kJ/(kgK)2626第四节 水蒸气的h-s图我们用过 p-v 图、T-s 图,这在热力过程的分析中常用，一个叫示功图，一个叫示热图.但功和热都是一块面积，不直接，而用h-s 图可用线段来表示功和热.h-s图由上界线、下界线及定压线群，定温线群，定容线群、定干度线群组成。2727可逆过程的稳定流动能量方程：而根据熵的定义式：所以有： 根
21、据热力学关系式可得到h-s图上定压线、和定温线的斜率分别为：定压线斜率：定温线斜率：2828 在饱和蒸汽区域的汽化过程中，压力与温度保持不变，所以:和 即在湿蒸汽区域，定压线的斜率就是定温线的斜率，并且是一条斜率不变的直线。 进入过热蒸汽区后，由于 ,因此 因此，在这一区域，定压线较陡，而定温线较为平坦。随着温度升高、压力降低，蒸汽越来越接近理想气体，这时定温线将趋于水平，2929定压线群定压线群联立联立：dqp = dh dq = Tds，可得：可得：3030定温线群定温线群:在湿在湿蒸汽区定压线就是蒸汽区定压线就是定温线，因而定温定温线，因而定温线在湿蒸汽区为直线在湿蒸汽区为直线；在过热蒸
22、汽区线；在过热蒸汽区为向右凸曲的曲线，为向右凸曲的曲线，越往右，定温线越越往右，定温线越趋于水平。趋于水平。定干度线群定干度线群:定干度线是定干度线是x=0和和x=1之间的等分线，之间的等分线，在在Ts、pv 图上图上如图。只有在湿蒸如图。只有在湿蒸气区才存在。气区才存在。31313232第五节第五节 水蒸气的基本热力过程水蒸气的基本热力过程目的目的：1 1）初、终状态参数；）初、终状态参数； 2 2）过程功、热量以及焓、熵的变化量。）过程功、热量以及焓、熵的变化量。可逆过程可逆过程1）根据初态已知条件查图或表得到其他状态参数。）根据初态已知条件查图或表得到其他状态参数。2）根据过程特征和终态
23、参数查图或表得其他终态参数。）根据过程特征和终态参数查图或表得其他终态参数。3）求解步骤：）求解步骤： 据初、终状态参数求出功、热量以及焓、熵变化量。据初、终状态参数求出功、热量以及焓、熵变化量。3333一、定容过程一、定容过程（v =常数常数)体积功体积功技术功技术功二、定压过程二、定压过程（p = 常数常数 )体积功体积功 技术功技术功3434三、定温过程三、定温过程（T=常数常数)四、绝热过程四、绝热过程（s = 常数常数 )单位质量热量单位质量热量：体积功：体积功：技术功：技术功：体积功：体积功：技术功：技术功：35351-21-2可逆过程：可逆过程：1-21-2不可逆过程：不可逆过程
24、： 绝热效率（相对内效率）：绝热效率（相对内效率）： 工程上对汽轮机而言，工程上对汽轮机而言，一般给出相对内效率。一般给出相对内效率。它反映了过程不可逆的它反映了过程不可逆的程度，它越大，反映过程的程度，它越大，反映过程的不可逆性愈小，它等于不可逆性愈小，它等于1时说时说明过程是可逆的，也称为定明过程是可逆的，也称为定熵效率。熵效率。3636例例6-6 (P82)6-6 (P82)hsp2p1t112解：解：可逆过程可逆过程1-21-2：P1，t1h h1 1=3317kJ/kg=3317kJ/kg，s s1 1=6.8204kJ/(kg=6.8204kJ/(kg K)K)s2=s1= 6.8
25、204kJ/(kg6.8204kJ/(kg K)K)P2s s2 2=0.4762kJ/(kg=0.4762kJ/(kg K)K)，s s2 2”=8.3952kJ/(kg=8.3952kJ/(kg K)K)h h2 2= =137.77kJ/kg137.77kJ/kg，h h2 2”= =2561.2kJ/kg2561.2kJ/kg37372hsp2p1t112不可逆过程不可逆过程1-21-2：P2s s2 2=0.4762kJ/(kg=0.4762kJ/(kg K)K)，s s2 2”=8.3952kJ/(kg=8.3952kJ/(kg K)K)h h2 2=137.77kJ/kg=137
26、.77kJ/kg，h h2 2”=2561.2kJ/kg=2561.2kJ/kg 38381 1 1 1。基本概念：基本概念：基本概念：基本概念： （1）汽化、凝结（）汽化、凝结（2）饱和状态（饱和温度、饱和压力）饱和状态（饱和温度、饱和压力） （3）过冷度（过冷水）、过热度（过热蒸汽）过冷度（过冷水）、过热度（过热蒸汽） （4）液体热、过热热、汽化潜热、干度、临界点）液体热、过热热、汽化潜热、干度、临界点 （5） 一点、两线、三区、五态一点、两线、三区、五态2 2。基本原理。基本原理。基本原理。基本原理： （1 1）水的定压汽化过程水的定压汽化过程水的定压汽化过程水的定压汽化过程( ( (
27、(三个阶段：定压预热、定压汽化、定压过热）三个阶段：定压预热、定压汽化、定压过热）三个阶段：定压预热、定压汽化、定压过热）三个阶段：定压预热、定压汽化、定压过热） （2 2 2 2）水）水）水）水蒸汽的蒸汽的P-VP-V图、图、T-ST-S图图( (一点、两线、三区、五态一点、两线、三区、五态) （3 3）水蒸气表）水蒸气表 a a、饱和水（用饱和水（用 表示）和饱和水蒸汽表（用表示）和饱和水蒸汽表（用”表示）表示） b b、未饱和水和过热水蒸气表未饱和水和过热水蒸气表( (热力学能用热力学能用 U=h-PV U=h-PV 来计算来计算) ) c c、湿蒸汽用：湿蒸汽用：Y x = X YY
28、x = X Y” + (1-X)Y + (1-X)Y 来计算来计算 （4 4） h-Sh-S图（定压线图（定压线P P、定温线定温线T T、定干度线定干度线X X）3 3。水蒸汽的热力过程和应用水蒸汽的热力过程和应用水蒸汽的热力过程和应用水蒸汽的热力过程和应用 (1)(1) 定容过程（定容过程（2）定压过程（）定压过程（3）定温过程（）定温过程（4）绝热过程）绝热过程 计算步骤：计算步骤：a、由两初态查表或图由两初态查表或图 b、确定终态并查表确定终态并查表 c、计算计算 q w wt h S 等。等。本章小结：本章小结：本章小结：本章小结：3939作业 P8283 习题：2、3、4、740404141
