热工基础与流体力学 全套课件 第1-15章 基本概念- -传热过程及换热器的热计算

第一章

热力学基本概念第一节热力系统、状态及状态参数一、热力系统定义

热力系统：根据研究工作的需要人为划定的热力学研究对象，简称“系统”或“热力系”。

外界：热力系以外的物质称为外界。

边界：热力系与外界的分界面称为边界。热源外界外界热力系统边界工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。物质三态中气态最适宜。固定、假想汽轮机活塞汽缸真实、变动注意：边界可以是真实存在的或假想的；可以是固定不变的或变动的。

分类方法：系统与外界的相互作用关系能量交换物质交换热量交换功量交换二、热力系统分类分类：开口系统－存在物质交换(1)闭口系统－无物质交换绝热系统－无热量交换非绝热系统－无物质交换(2)(3)孤立系统－无物质交换、无能量交换非孤立系统

1）闭口系与系统内质量不变的区别；

2）开口系与绝热系的关系；

3）孤立系与绝热系的关系。注意：高温热源低温热源可压缩系统—由可压缩流体构成的热力系统。简单可压缩系—由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交换容积变化功（膨胀功或压缩功）的有限物质系统。热源：具有无限大热容量的系统，在放出和吸收有限热量时不改变系统自身的温度三、热力学状态和状态参数（一）（工质的热力学）状态：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。（二）状态参数：描述热力系统所处状态的宏观物理量

★定义：无外界影响，系统保持状态参数不随时间而改变的状态•热平衡（thermalequilibrium）：处处温度相等（即没有热量传递）•力平衡（mechanicalequilibrium）：处处压力相等。•热力平衡的充要条件

—系统同时达到热平衡和力平衡。（三）平衡状态四、状态参数的特性和分类（一）特征：1、状态参数是状态的单值函数

2、状态参数的变化只与工质的初

终状态有关，而与状态变化的途径无关，可以表示为（二）常见的状态参数

压力、温度、比体积、热力学能、焓、熵

压力、温度和比体积为三个基本状态参数（可直接用仪器测量）（三）系统状态相同的充分必要条件

系统两个状态相同的充要条件：

所有状态参数一一对应相等简单可压缩系两状态相同的充要条件：

两个独立的状态参数对应相等（四）基本状态参数

1.比体积（v）和密度（

） 比体积：单位质量的工质所占的体积密度：单位体积内所包含的工质的质量

比体积和密度都是用来描述工质聚集的疏密程度。

注意：v

=1，两者不是独立参数。

2.压力（p）

定义：单位面积上所承受的垂直作用力。按分子运动学说，气体的压力是气体的大量分子向容器壁面撞击所产生的平均结果。 压力的常用单位换算：

巴：1bar=105Pa；兆帕：1MPa=106Pa

工程大气压：1at=1kgf/cm2=98066.5Pa

标准大气压：1atm=760mmHg=101325Pa1mmH2O=9.80665Pa

1mmHg=133.322Pa3、压力测量和表示

环境压力表压力绝对压力p>pb真空环境压力绝对压力p<pb

注意：表压力和真空不是状态参数，绝对压力才是状态参数4.温度

定义：物体冷热程度的标志

温标：衡量温度的标尺

热力学温标：T

（K）摄氏温标：

t（℃）

热力学温度与摄氏温度的关系

1.状态方程

状态方程：基本状态参数之间的关系

对于简单可压缩系统，可由两个相互独立的参数确定其平衡状态。

v=v(p,T)

p=p(T,v)

T=T(p,v)

F(p,v,T)=0理想气体：pv=RgT五、状态方程及参数坐标图2.参数坐标图

参数坐标图：由两个彼此独立的状态参数为横纵坐标所构成的坐标图.常用的状态参数坐标图：p－v图、T－s图、h－s图

注意：参数坐标图上的一点描述一个平衡状态。

非平衡状态无法在坐标图中表示。11

一、热力过程

热能和机械能的相互转化必须通过工质的状态变化才能实现。热力系统由一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和称为热力过程，简称过程。

就热力系本身而言，热力学仅可对平衡状态进行描述，“平衡”就意为这宏观是静止的；而要实现能量的转换，热力系又必须通过状态的变化即过程来完成，“过程”就意味着变化，意味这平衡被破坏。“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就要靠准平衡过程。第二节热力过程、功和热二、准平衡过程定义：若过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需的时间很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态。进行条件：

破坏平衡的势—过程进行无限缓慢工质有恢复平衡的能力无穷小，

注意：准平衡过程可在状态参数图上用连续实线表示1pv2三、可逆过程

（一）定义：热力系统经历一个过程之后，可经原途径返回原来状态,而使外界恢复到初始状态而不留下任何痕迹。气缸活塞飞轮热源21pv

（二）条件：1、推动过程进行的势差为无限小2、不存在任何耗散效应（三）可逆过程和准平衡过程的关系

1、可逆=准静态+没有耗散效应

2、可逆过程必然是准平衡过程，但准平衡过程却不一定是可逆过程。3、一切实际过程不可逆4、可逆过程可用状态参数图上实线表示

四、可逆过程的体积变化功

（一）体积变化功（W）：系统体积变化时通过边界与外界交换的功。

J或kJ

（二）比功（w）：单位质量工质所作的体积变化功。J/kg或kJ/k

（三）规定：热力系统对外界作功，功量为正

外界对热力系统作功，功量为负

注意：功量是过程量，功量的大小不仅取决于初终状态，

还与过程途径有关。▲功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示▲功的计算式中符号是工质参数（示功图）（四）可逆过程功的计算

五、可逆过程的热量

（一）热量（Q）：热力系统与外界之间依靠温差传递的能量。J或kJ

（二）比热量（q）：单位质量工质所传递的热量。J/kg或kJ/k

（三）规定：系统吸收热量，热量为正

系统放出热量，热量为负（T-s图上）表示▲可逆过程热量可以在T-S图上用过程线下方的的面积表示（示热图）

注意：热量是过程量，热量的大小不仅取决于初终状态，

还与过程途径有关。(四）计算式及状态参数图熵（S）是状态参数，J/K或kJ/K。比熵（s）为单位质量工质的熵，J/(kg·K)或kJ/(kg·K)温度：工质温度。热量：可逆过程交换的热量可逆过程（五）熵

一、热力循环

(一)定义：简称循环，是指工质从某一初始状态出发，经历一系列热力状态变化之后，又回到初始状态的封闭热力过程。特性：一切状态参数恢复原值，即（二）分类可逆循环不可逆循环1、正向循环逆向循环2、第三节热力循环q1w0q2T1T2vp1324W0（+）定义：将热能转化为机械能的循环叫正向循环，它使外界得到功。

（一）正向循环：动力循环所作功代数和二、正向循环和逆向循环q1w0q2T1T2vp3124w0（-）（二）逆向循环：制冷循环和热泵循环q1w0q2T1T2循环的经济指标用工作系数来衡量

动力循环三、循环的经济指标q1w0q2T1T2制冷循环：从低温热源吸热，维持其低温热泵循环：向高温热源放热，维持其高温第二章

热力学基本定律辽宁工程技术大学第一节

热力学第一定律

一、第一定律的实质

能量守恒与转换定律在热现象中的应用（机械能和热能）

二、第一定律的表述

热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们之间的比值是一定的。或：

热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。

第一类永动机不可能制成：不消耗能量而连续产生动力的机器经验总结，不能用数学的理论来证明。1.1热力系统储存能热力系统储存能内部储存能外部储存能储存于热力系统的能量称作热力系统储存能。宏观动能重力位能热力学能一、热力学能内部储存能符号：UJ或kJ

u

J/kg

或kJ/kg。是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量。Uk平移动能转动动能振动动能Up—内动能：分子热运动内位能：分子间相互作用力热力学能U

热力学能是工质的状态参数。

任何物质都在运动，因而没有一个不运动的绝对0点。所以U的绝对值无法测定。

我们在工程应用中常用△U，所以，可选择任意一个状态的U为0值作基点，如取0℃或0K时气体的热力学能为零。总能热力学能，内部储存能外部储存能宏观动能宏观位能宏观动能与内动能的区别二、总（储存）能

1.2热力系与外界传递的能量热量功量工质通过边界时所携带的能量

在热力过程中，热力系与外界交换的能量:

一、功量

在力差作用下，热力系与外界发生的能量交换就是功量。

有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、轴功等。

体积变化功轴功流动功推动功

有用功

—热力系通过机械轴与外界交换的功量。

轴功:Ws

J或kJ

。

闭口系：向刚性闭口系输入轴功，输入的轴功通过摩擦耗散效应被系统所吸收，相反的过程，即闭口系靠加热而连续的通过所示的方式向外输出轴功是办不到的。开口系：输入轴功（叶轮式压气机）；

输出（汽轮机）。1.轴功2、推动功、流动功

—开口系因工质流动而传递的功量称为推动功。即推动工质流动而做的功。推动功进出口差值称为流动功。推动功:Wf,单位为J或kJ1kg工质所作推动功用wf表示，单位为J/kg或kJ/kg。dxAdm11pA反力p流动11系统

微元体dm进入系统内，工质的状态参数不变，需上游工质的推动以克服系统内工质的反力，推动力为pA，移动dx距离所作的功为：推动功：流动功1kg工质流入和流出控制体的净流动功为

wf

p2v2

p1v1∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进、出口界面上工质的热力状态。

流动功：二、焓在计算时常用到焓定义为：2、焓单位J（kJ）J/kg（kJ/kg）比焓：1、定义3、焓是状态参数闭口系统:焓存在否?

焓是状态参数，在闭口系统中焓同样存在。但不具有热力学能+流动功的含义。焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。开口热力系:当1kg工质流入热力系统，工质所携带的能量包括:所以h在流动系统中的确代表了工质与热力状态有关的那部分能量。1.3热学第一定律一、闭口系统热力学第一定律

对一切热力系统和热力过程，有:

进入热力系的能量－离开热力系的能量=热力系储存能的变化

Q=△U+W或q

u

w

对微元过程：

Q

dU

W

或

q

du

w

它表示加给热力系的热量一部分用来对外膨胀做功，另一部分用来增加工质的热力学能，储存于工质内部。

讨论：1）可逆、不可逆都可以。条件：2）任何工质（理想气体、实际、液体等）3）都是代数值，可正可负。讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。4）系统通过边界和外界交换的热量，系统内部摩擦生热不计入。5）系统通过边界与外界交换的总功量。Ws1122p1T1dEcf1z1Qp2T2cf2z2流出系统的能量:系统内部储能增量:dE=0–=流入系统的能量:二、开口系的稳定流动能量方程考虑到稳流特征：δm1=

δm2=

δm;开口系稳定流动能量方程

2、技术功(technicalwork)—技术上可资利用的功wt∴

wt

q

h

(

u

w)

(

u

p2v2

p1v1)即wt

=

w

(p2v2

p1v1)

技术功对于稳定流动的可逆过程讨论：1）-vdp可以用画红颜色的微元面积表示，

可用画斜线面积表示。2）此时机器对工质作功（压气机）。此时工质对机器作功（汽轮机，燃气轮机）。对于稳定流动的可逆过程三、稳定流动能量方程的应用

工程上，对许多热工设备的运行，可利用简化的稳定流动能量方程式分析它们的能量关系。1.动力机械动力机械对外输出的轴功等于工质的焓降。∴理论功率

2.泵与风机（压气机、压缩机）工质流经泵与风机，消耗的轴功等于焓的增加。

功和热都是负值3.换热器工质在换热器中吸收的热量等于焓的增加。

稳定流动能量方程式的应用

5.节流装置

工质节流前后的焓值不变。稳定流动能量方程式的应用

4.喷管与扩压管工质流经喷管或扩压管时，

动能的增加等于焓的减少。第二节热力学第二定律自然界自发过程都具有方向性、自发过程都是不可逆过程，要实现，需补充条件可自动逆行吗？自发过程：不需任何外界作用而自动进行的过程热量：高温物体低温物体水流：高处低处电流：高电势低电势扩散：高浓度低浓度用何办法使其逆行？可进行到什么程度？条件、限度。例：2.1热力学第二定律的实质和表述

针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，但其实质等效。

1.克劳修斯（Clausius）表述热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。它是从热量传递过程来表达热力学第二定律的。

如制冷机或热泵装置的工作需消耗能量进行补偿

热力学第二定律2.开尔文－普朗克（Kelvin－Plank）表述

它是从热功转换过程来表述热力学第二定律的。

如热机的工作它说明，从热源取得的热量不能全部变成机械能，因为这是非自发过程。但若伴随以自发过程作为补偿，那么热能变成机械能的过程就能实现。不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而不在外界留下任何影响。热力学第二定律第二类永动机

:从单一热源取热并使之完全转变为功的热机。热力学第二定律说明，用于热功转换的热机至少要有高温、低温两个热源（即要有温度差）。为此，热力学第二定律也可以表述为“第二类永动机不可能实现”。

热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？???热二定律否定了第二类永动机

t

=100％不可能2.2卡诺循环和卡诺定理热一定律否定了第一类永动机

t

>100％不可能一、卡诺循环及其热效率1.卡诺循环（由T-s图画出p-v图）是两个热源的可逆循环q1q2STT2S1S2T13214卡诺循环64高温热源、低温热源温度2.卡诺循环热效率卡诺循环热效率讨论：（1）ηc=f(T1,T2)，T1↑，T2↓→

ηc↑Wnet<Q1循环净功小于吸热量，必有放热q2。

（3）若T1

T2，则，卡诺循环热效率只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的。即:（2）T1≠0

T2≠0→

η<1就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部转化为机械能。66二、逆向卡诺循环按与卡诺循环相同的路线而反方向进行的循环即逆向卡诺循环。逆向卡诺循环卡诺制冷循环卡诺热泵循环671、制冷系数：Tc↑T0-Tc

↓↑

在保证冰箱内食物不变质的前提下，没有必要将冰箱冷冻室的温度调的过低。同理：室内空调温度设置不低于26℃。逆卡诺循环2、供暖系数：T1↓T1-T0↓↑冬天空调温度不要设的太高。T0T1制热Tss4s11324T1逆卡诺循环三、卡诺定理

在卡诺定理证明以前，理想气体卡诺循环的热效率计算公式没有任何普遍意义。

1、不能回答可逆循环种类不同的热效率是否相同；

2、不能回答采用非理想气体为工质的可逆循环是否与采用理想气体的可逆循环热效率相等；

3、不能回答两个热源间不可逆循环得热效率是否小于可逆循环的热效率。定理1:在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其热效率相等。与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。

定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。卡诺定理2.3熵与熵增原理

一、熵的基本概念熵S是由热力学第二定律推导出的状态参数。

熵的微分定义式为适用于任何热力系的任何可逆过程可逆过程中1、2两平衡态的熵差为

第二定律数学表达式可逆“=”不可逆“>”不可能“<”上面两式可以直接判断热力过程、循环是否可行以及是否可逆。二、第二定律数学表达式注意：1）Tr是热源温度；

2）工质循环，故q的符号以工质考虑。3）q是代数值。三、孤立系统熵增原理对孤立系统：Q=0，W=0，△m=0不可逆对于实际热力系统

S=0

可逆

S>0

对于孤立系统

孤立系统熵增原理：孤立系内部一切不可逆过程均使孤立系统熵增加；其极限(一切过程均可逆时)系统熵保持不变；使孤立系熵减小的过程不可能出现。第三章

理想气体和蒸汽的热力性质辽宁工程技术大学分子为不占体积的弹性质点（比体积大到分子本身体积远小于其活动空间）除碰撞外分子间无作用力（分子间距离远到作用力及其微弱的状态）理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。一、理想气体的基本假设

常见的气体如H2，O2，N2，CO，空气，烟气，燃气等，在p不是特别高，t不是特别低的情况下，都可以按理想气体处理。其分子间无作用力，不存在内位能

3.1理想气体状态方程式

3.1.1状态方程式

当理想气体处于任一平衡状态时，三个基本状态参数之间满足:

Rg

气体常数，单位为J/(kg·K)，其数值取决于气体的种类，与气体状态无关。

称为理想气体状态方程又称克拉贝龙方程式

对于质量为mkg

的理想气体，有

二、理想气体状态方程

物质的量与摩尔质量的关系：

物质的量：n，单位：

mol（摩尔）。

1）摩尔质量：

M

，1mol物质的质量，kg/mol。

1kmol物质的质量在数值上等于该物质的相对分子质量。如:

理想气体状态方程

2）摩尔体积：

Vm

，1mol物质的体积，m3/mol。

阿伏伽德罗定律指出:同温，同压下，任何气体的摩尔体积相同。标态下，1mol任何气体的体积同为22.4×10-3m3，即m3/mol理想气体状态方程793)摩尔气体常数

当两种不同的气体压力相同，温度相同时，Vm=const，则两种气体的MRg相同。

因M，Rg都与气体状态无关，所以MRg既与状态无关也与气体性质无关，令R=MRg，称为摩尔气体常数（通用气体常数）。J/(mol.K)理想气体状态方程

—物体温度变化1K（或1℃）所需要吸收或放出的热量称为该物体的热容。

一、比热容的定义和单位

根据不同的物量，存在三种比热容:比热容(质量热容):1kg物质的热容,符号为c,单位为J/(kg·K)或kJ/(kg·K)；摩尔热容:lmol物质的热容,符号为Cm,单位为J/(mol·K)或kJ/(mol·K)；体积热容:标准状态(1atm,273.15K)下1m3物质的热容,符号为c

,单位为J/(m3·K)或kJ/(m3·K)。

三种比热容的关系:Cm

Mc

0.0224c

3.2理想气体比热容比热容是过程量还是状态量?Ts②1

Kc1c2①123

在热力过程中，最常见的情况是定容加热过程或定压加热过程。因此，比热容相应的分为比定容热容和比定压热容。

1.热力过程特性对比热容的影响

比定容热容

—单位质量气体在定容过程中（即容积不变）温度变化1K（或1℃）所需要吸收或放出的热量称为比定容热容，也称为质量定容热容，用符号cV表示。

或二、影响比热容的主要因素理想气体cp与cV之间的关系为：

比定压热容

—单位质量气体在定压过程中温度变化1K（或1℃）所需要吸收或放出的热量称为比定压热容，也称为质量定压热容，用符号cp表示。

或迈耶公式cp-cV与气体种类有关，与气体温度无关。比热容

在定容过程中，气体不能膨胀作功，加入的热量完全用来增加气体分子的热力学能，使气体温度升高；

在定压过程中，气体可以膨胀作功，加入的热量除用来增加气体分子的内动能外，还应克服外力而作功。

显然对同样质量的气体升高同样的温度，在定压过程中所需加入的热量要比定容过程多。

比热容将上式两边同乘以摩尔质量M，可得

等熵指数

Cp,m–CV,m=R

摩尔定压热容

摩尔定容热容

迈耶公式与气体的种类有关，与T有关。比热容相应于每一确定温度下的比热容称为气体的真实比热容。2.温度对比热容的影响当温度不同时，气体的比热容也不相同。

比热容与温度之间的关系可表示为一曲线关系。

比热容对应横坐标围成的曲边梯形的面积12t2t11表示。由比热容的定义式可得

因此，温度从t1变到t2所需的热量为

为简化计算，工程上常使用气体的定值比热容和平均比热容来计算它所吸收或放出的热量。

将

表示在图上。热力过程l-2吸收的热量可用过程曲线与三、利用比热容计算热量

由上可换算出气体的定值质量热容c和定值体积热容c

。1.用定值比热容计算热量

在温度变化范围不大时，可用于热量的近似计算。

对于理想气体,凡是原子数目相同的气体,其定值摩尔热容相同。与温度无关Cp,m

CV,m多原子气体双原子气体单原子气体定值摩尔热容

热量计算

热工计算中，还常采用温度为298K时气体的真实比热容作为定值比热容的值。

对于1kg质量的气体,其定压过程和定容过程的换热量为

对于mkg质量的气体，换热量为热量计算1.用平均比热容表计算热量

平均比热容指在t1～t2温度范围内真实比热容的平均值，用符号查附表1获得或插值计算表示,用于热量的精确计算。热量计算理想气体的热力学能是温度的单值函数。即一、理想气体热力学能变化量的计算

u

f(T)

则比热力学能的变化量为适用于理想气体的任意过程可选用平均比定容热容或定值比定容热容

q

du

pdv

对于定容过程dv

0，而

可得3.2.2理想气体热力学能和焓变化量的计算理想气体的焓也是温度的单值函数。即h

f(T)

则比焓的变化量为适用于理想气体的任意过程

q

dh

vdp

对于定压过程dp

0，而

可得可选用平均比定压热容或定值比定压热容二、理想气体焓变化量的计算3.3

理想气体混合物一、处理气体混合物的基本原则

▲混合气体混合物的组分都处理想气体状态，则混合气体也处理想气体状态，具有理想气体的一切特性；▲混合气体可作为某种假想气体，其质量和分子数与组分气体质量之和及分子数之和相同。理想气体混合物可作为Rg混和M混的“某种”理想气体。平均气体常数，折合气体常数平均摩尔质量，折合摩尔质量③⑤△u=cvt④cp-cv=Rg②①通用气体常数二、混合气体的分压力定律和分容积定律1.分压力定律(Daltonlawofpartialpressure)-道尔顿分压定律

分压力——组分气体处在与混合气体相同容积、相同温度单独对壁面的作用力。分压力定律

2.分容积定律(lawofpartialvolume)---亚美格分体积定律

分容积——组分气体处在与混合气体同温同压单独占有的体积。分容积定律三、混合气体成分2.体积分数(volumefractionofamixture)---组成各气体体积与混合气体总体积之比3.摩尔分数(molefractionofamixture))---组成各气体物质的量与混合气体总物质的量之比1.质量分数(massfractionofamixture)—组成各气体质量与混合气体总质量之比4.各成分之间的关系根据分体积定义6.利用混合物成分求M混和Rg混1)已知质量分数5.分压力和总压力2)已知摩尔分数1003–4-1水蒸气的饱和状态和相图一、汽化和液化(vaporizationandliquefaction)汽化：由液态到气态的过程蒸发：在液体表面进行的汽化过程液化：由气相到液相的过程沸腾：在液体表面及内部进行的强烈汽化过程。问：必须将水加热到100℃才能获得水蒸汽吗？3–4水蒸气101二、饱和状态(Saturatedstate)

当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量—饱和状态。饱和状态的温度—饱和温度，ts(Ts)(Saturatedtemperature)

饱和状态的压力—饱和压力，ps（Saturatedpressure）

加热，使温度升高如t'，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps'。所以一一对应，只有一个独立变量，即如液汽102t/℃02050100120150p/MPa0.00061120.00233850.01234460.10133250.1984830.47571饱和状态压力bar=atm103

三、几个名词

饱和液(saturatedliquid)—处于饱和状态的液体：t=ts

干饱和蒸汽(dry-saturatedvapor;dryvapor)—处于饱和状态的蒸汽：t=ts

未饱和液(unsaturatedliquid)

—温度低于所处压力下饱和温度的液体：t<ts

过热蒸汽(superheatedvapor)

—温度高于饱和温度的蒸汽：t>ts,t–ts=d称过

热度(degreeofsuperheat)。

湿饱和蒸汽(wet-saturatedvapor;wetvapor)

—饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts使未饱和液达饱和状态的途径：104干度（dryness）（湿度

y=1–x）x01饱和液湿饱和蒸汽干饱和蒸汽定义：湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w或x表示。105四、饱和状态压力和温度的关系1.吉布斯相律对于多元（如k个组元）多相（如f个相）化学反应的热力系，其独立参数，即自由度n=k–f+2

例：水在液相（或固相、气相）k=1，f=1，故n=1-1+2，此时压力，温度均可独立变化。水在汽液共存时k=1，f=2，故n=1，此时压力和温度中仅有一个可自由变化。三相点：k=1，f=3故n=0

水的三相点(triplepoint)：?1062.克拉贝隆方程

分别为汽化潜热(heatofvaporization)、熔解热(heatoffusion)和升华热(heatofsublimation)。分析：1）因γ、λ、σ为“+”；T为“+”；故相平衡线斜率正负由体积差决定；

2）三相点处不光滑。水的相图一、水的定压汽化过程水预热汽化过热水定压汽化过程的三个阶段t=ts饱和水b1t=ts湿蒸汽c1t=ts干蒸汽d1t>ts过热蒸汽e1t<ts未饱和水p1a13–4-2水的汽化过程和临界点108一点临界点Criticalpoint两线上界限线下界限线三区液汽液共存汽五态未饱和水饱和水湿蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽MPa℃m3/kg下上1093–4.3水和水蒸气状态参数及热力性质图表

●水和水蒸气的状态参数可按不同区域，由给出的独立状态参数通过实际气体状态方程及其他一般关系式计算（通常由计算机计算）或查图表确定。●在动力工程中水蒸气不宜利用理想气体性质计算110一、零点规定规定：三相点液态水热力学能及熵为零可近似为零111二、未饱和水（t，p）●查图表或由专用程序计算三、饱和水和饱和水蒸气(ps和ts)

查图表或由专用程序计算●压力不太高时，可近似四、过热蒸汽（p，t）注意：过热蒸汽不可用类似未饱和水的近似式，因cp变化复杂。查图表或由专用程序计算。112五、湿饱和蒸汽由ts（或ps）与x共同确定：x较大时未饱和水过热蒸汽湿饱和蒸汽1133–4.4水蒸气表和图一、水蒸气表

1.饱和水和干饱和蒸汽表1142.未饱和水和过热蒸汽表p0.001MPa0.005MPa0.01MPa饱和参数ts=6.949℃v’=0.0010001,v”=129.185h’=29.21,h”=2513.3s’=0.1056,s”=8.9735ts=32.879℃v’=0.0010053,v”=28.191h’=137.72,h”=2560.6s’=0.4761,s”=8.3930ts=45.799℃v’=0.0010103,v”=14.673h’=191.76,h”=2583.7s’=0.6490,s”=8.1481tvhsvhsvhs℃m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)m3/kgkJ/kgkJ/(kg·K)00.0010002-0.05-0.00020.00100020.0010003-0.05-0.00020.0010002-0.04-0.000210130.5982519.08.993842.010.15100.001000342.010.151020135.2262537.79.05880.001001883.870.29630.001001883.870.296340144.4752575.29.182328.8542574.08.43660.001009167.510.572350149.0962593.99.241229.7832592.98.496114.8692591.88.173260153.7172612.79.298430.7122611.88.553715.3362610.88.231380162.9562650.39.408032.5662649.78.663916.2682648.98.3422100172.1922688.09.512034.4182687.58.768217.1962686.98.4471120181.4262725.99.610936.2692725.58.867418.1242725.18.5466115二、水蒸气的焓—熵（h-s）图●水蒸气的t–s图定压线定容线定干度线定热力学能线h=u+pv116定压线定温线定容线定干度线●焓熵图斜率根据：第四章

理想气体和蒸汽的热力过程辽宁工程技术大学118在logp-logV图上有logp=-nlnV+c=常数多变过程常数n多变指数第一节理想气体的基本热力过程119（一）定容过程1、过程方程v=常数2、参数关系3、在p–v图及T–s图上表示p、T成正比

一、基本热力过程1201

2

2‘

p

v

0

1

2

2‘

T

s

0

4、Δu、Δhq>0q<0p↑T↑；w=0,△u>0,q>05、w,wt和q

说明：膨胀功为0，加给工质的热量全部用于增加工质的热力学能，使温度升高。122（二）定压过程1、过程方程2、参数关系3、在p–v图及T–s图上表示p=常数定压线和定容线在T-s图上谁陡一些。？v、T成正比

1

2

2‘

T

s

0

4、Δu、Δh1

2

2‘

p

v

0

22‘q>0q<0w>0w<0v↑T↑；wt=0,△h>0,q>05、w,wt和q124（三）定温过程1、过程方程2、参数关系3、在p–v图及T–s图上表示p、v成反比

1251

2

2‘

Ts

0

4、Δu、Δh1

2

2‘

p

v

0

q>0q<0W>0W<0q>0,△u=0w>0,v↑p↓5、w,wt和q126

工质在状态变化的任一瞬间与外界无热量交换的过程称为绝热过程。绝热过程：全部过程与外界交换的热量也为0。不可逆绝热过程是熵增过程。可逆的绝热过程是定熵过程（四）等比（定）熵（可逆绝热）过程2.初、终态参数的关系1.过程方程式=定值

1

2

2‘

Ts

0

1

2

2‘

p

v

0

W>0W<0Q=0,△u<0w>0,v↑p↓定温线和定熵线在p-v图上谁陡一些。？绝热过程3.在p–v图及T-s图上表示4.w，wt和q0第二节

水蒸气的基本过程一、基本公式过程中状态参数确定—图表或专用程序计算。功、热量的计算式：二、定压过程汽化潜热p/MPa0.0010.010.111022.12/(kJ/kg)2485.02392.92257.92013.61319.70三、定熵过程注意：水蒸气其中为经验数字过热蒸汽饱和蒸汽湿蒸汽或水蒸气?四、定体积过程v<vc时，定容加热x下降v>vc时，定容加热x上升定容加热时x如何变化？思考：1345-1稳定流动的基本方程式5-2管内定熵流动的基本特性5-3喷管的计算5-4绝热节流第五章气体和蒸汽的流动135一、简化稳定绝热一维可逆参数取平均值造成的误差以后用实验系数修正。5–1稳定流动的基本方程式

二、稳定流动基本方程

1.质量守恒方程（连续性方程）p1T1qm1cf1p2T2qm2cf2条件：稳定流动，任何工质，任何过程。不可压缩流体，气体和蒸汽，喷管截面的变化规律与v和cf有关。137注意：（1）上式对变比热容的理想气体可逆绝热过程也适用，此时k为过程范围内的平均值。

工质在喷管中流动可视为绝热过程，如果不考虑摩擦，也就是可逆绝热过程,对理想气体取定比热容：上式微分：（2）若水蒸气，也可近似采用上述公式，此时k为经验值。

k？2.过程方程1383.稳定流动能量方程任何工质，任意过程。上式微分：表明：任一截面上工质的焓和动能之和保持定值，因而气体动能的增加等于气流的焓降。

气体在绝热稳定流动过程中，因受某种物体的阻碍流速降低为零的过程称为绝热滞止过程。理想气体：若过程可逆，则是定熵过程，可以计算其它滞止参数：（1）定比热容绝热滞止定义：水蒸气：其他状态参数从h-s图中得到。注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在–20℃的高空以Ma=2飞行，其t0=182.6℃。（2）变比热容141等熵过程中所以？声速：是微弱扰动在连续介质中所产生的压力波传播的速度。

声速与介质种类以及介质处的物理状态有关。在气体介质中，压力波的传播过程可近似看作定熵过程，声速的表达式为：拉普拉斯声速方程定熵过程p-V图上的斜率4.声速方程注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速。

如空气，2）水蒸气当地声速3）

马赫数亚声速声速超声速一、力学条件力学条件表明：气流的动能增加是和技术功相当的，即技术功并未向设备传出，而是全部变成动能了。5–2管内定熵流动的基本特性喷管扩压管2）是压降，是焓（即技术功）转换成机械能。的能量来源1）异号讨论：145力学条件过程方程式连续性方程几何条件二、几何条件1461）A的变化规律，不但与cf是大于当地声速还是低于当地声速有关，还与是喷管还是扩压管有关，对于喷管渐缩喷管讨论：

截面上Ma=1、cf=c，称临界截面(minimumcross-sectionalarea)[也称喉部(throat)截面]，临界截面上速度达当地音速称临界压力、临界温度、临界比体积。148

a）收缩喷管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）

b）以低于当地音速流入渐扩喷管不可能使气流可逆加速。

c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管—拉伐尔喷管。2）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：1493）背压pb是指喷管出口截面外工作环境的压力。正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于背压pb，但非设计工况下p2未必等于

pb。4）对扩压管，目的是p上升，通过cf下降使动能转变成压力势能，情况与喷管相反。150归纳：

1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是使流动可逆必不可少的条件；5）背压pb未必等于p2。2）气流的焓火用差（即技术功）为气流加速提供能量；3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速151一、流速计算及分析1.计算式注意：

a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；

b）式中h，J/kg，cf，m/s，但一般资料提供

h，kJ/kg。求cf2方法：理、可、绝：可据p1，T1，cf1---p0，T0，结合出口截面参数p2（已知）---T2---h2---cf2水蒸气：利用h-s图。5–3喷管计算152分析：普适理想气体、定比热容2.初态参数对流速的影响：为分析方便，取理想气体、定比热分析得出的结论可定性地应用于水蒸气等实际气体。153cf，max不可能达到摩擦从1下降到0的过程中某点154为临界点，此点上压力pcr与p0之比称为临界压力比，νcr讨论：

1）理想气体水蒸气随工质而变理想气体定比热双原子k=1.4过热水蒸气

k=1.3干蒸汽k=1.1351553）几何条件约束，临界截面只可能发生在dA=0处，考虑到工程实际收缩喷管—出口截面缩放喷管—喉部截面2）？156另：与上式是否矛盾？4）理想：157

a.收缩喷管

b.缩放喷管不属本课程范围3.背压pb对流速的影响1581.计算式通常收缩喷管—出口截面缩放喷管喉部截面出口截面二、流量计算及分析159分析：

理想、定比热确定2.初参数对流量的影响160abbc分析：161据p1，v1，T1背压

pb喷管形状几何尺寸首先确定pcr与pb关系，然后选取恰当的形状初参数1.外形选择三、喷管外形选择和尺寸计算162一、绝热节流定义：流体在管道内流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力降低的现象称为节流现象。没有热量交换，称为绝热节流，简称节流。节流现象特点：

1)p2<p1；

2)强烈不可逆，s2>s1，I=T0sg3)h1=h2，但节流过程并非等焓过程；

4)T2可能大于、等于或小于T1

视节流时气体所处的状态及压降的大小而定。5–4绝热节流1641.焦耳-汤姆逊系数据令焦耳-汤姆逊系数（也称节流的微分效应、绝热节流系数）第六章已求得比焓的热力学微分方程式即气流在节流中压力变化为dp时的温度变化。二、节流后的温度变化165降温，表示冷效应升温，热效应不变，零效应2）实际气体要依其状态方程的具体形式和节流前气体状态而定。节流后，多数气体的T↓；节流后，少数气体如H2、He的T↑。如：1）理想气体1671）节流后温度稍有下降2）2）

但少作功作功能力损失？Ohs

11’2’2三、水蒸气节流过程1686-1朗肯循环6-2再热循环6-3回热循环第六章蒸汽动力循环169

蒸汽及蒸汽动力装置(steampowerplant)

1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展，促使资本主义诞生。

2）目前世界约75%电力、国内78%电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。

3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。

4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。一、概述6-1朗肯循环1.水蒸气的卡诺循环水蒸气卡诺循环有可能实现，但：

1）温限小

2）膨胀末端x太小

3）压缩两相物质的困难实际并不实行卡诺循环气体作工质的卡诺循环：

1）定温加热和放热难于进行；

2）功少。二、朗肯循环1712.水蒸气朗肯循环

1）流程图2）p-v，T-s及h-s图172???3）朗肯循环的热效率173若忽略水泵功，同时近似取h4

h3，则174

三、初参数对朗肯循环热效率的影响

1.初温t1

或循环1t2t3561t=循环123561+循环11t2t21175但x2下降且p太高造成强度问题2.初压力p1176但受制于环境温度，不能任意降低同时，x2下降。3.背压p2177一、设备流程及T-s图6-2再热循环178二、再热对循环效率的影响忽略泵功：其他影响：x末上升（根本目的）；

d0下降；复杂化，投资上升。ηt？1796-3回热循环一、抽汽回热循环回热器两种方式混合式180间壁式181二、回热循环计算

1.抽汽量忽略泵功2.回热器R

熵方程：能量方程：182

讨论：

1）抽汽回热ηt上升；

2）抽汽级数越多ηt越高，若级数趋向无穷，ηt=1？3.循环热效率183思考：1）抽汽回热循环否2）回热器是间壁式，α怎么求？3）回热器中过程不可逆，为什么循环ηt上升？流体力学篇第七章~第十章流体力学的研究内容流体力学：研究流体平衡和运动规律及其应用的一门技术科学。一、流体力学的基本任务

建立及求解描述流体运动和平衡的基本方程，获得：速度和压强的分布规律、能量转换的关系、各种能量损失的确定方法、流体与固体之间的相互作用力二、研究对象气体、液体注意：液体和气体的主要力学差别——气体更容易被压缩。第七章

流体及主要物理性质

本章讲解流体的定义、连续介质模型、密度、黏性、压缩性、膨胀性等物理性质，以及作用在流体上的质量力与表面力。流体力学篇7.1流体定义及连续介质模型

流体的定义：在任何微小剪切力的作用下都能产生连续变形的物质，称为流体。流体包括：液体、气体流体与固体的根本区别：记忆点：流体=能流动的物质，静止时切应力必为零。7.1流体定义及连续介质模型为什么要引入连续介质模型？微观上：流体由分子组成，存在间隙→物理参数不连续宏观上：我们关心的是宏观运动，而非个别分子连续介质模型的内容：流体由无数多、稠密、无间隙的流体微团（流体质点）构成流体微团=微观无穷大+宏观无穷小微团内仍含有巨量分子（1mm³空气含2.7×10¹⁶个分子）7.1流体定义及连续介质模型连续介质模型的意义：物理参数（p,v,ρ,T）是空间和时间的连续函数可用微积分等数学工具研究流体运动适用条件：要求：物体特征尺寸远大于分子平均自由程不适用：航天器在高空稀薄大气中飞行结论：本书讨论的流体全部适用连续介质模型。7.2流体的主要物理性质密度——单位体积流体所具有的质量（kg/m³）。非均质流体：均质流体：常用数值（标准大气压）：7.2流体的主要物理性质比体积与相对密度7.2流体的主要物理性质压缩性与膨胀性压缩性：温度一定时，压强增大→体积缩小体积压缩系数(

m2/N

)：体积弹性模量（Pa）：K越大，压缩性越小水的体积弹性模量（20℃）：E≈2.0×10⁹Pa（2.0GPa））7.2流体的主要物理性质压缩性与膨胀性膨胀性：压强一定时，温度升高→体积膨胀体积膨胀系数：(1/K

)：7.2流体的主要物理性质可压缩流体与不可压缩流体工程中的处理：7.2流体的主要物理性质黏性与牛顿内摩擦定律黏性定义：相邻流体层或流体与固体间发生相对运动时产生的内摩擦作用。牛顿平板实验：上板以速度U运动，下板固定板间流体速度呈线性分布7.2流体的主要物理性质牛顿内摩擦定律：关键理解：只有流体层之间有相对运动时，黏性才表现出来。静止或均匀流动时，黏性“消失”。7.2流体的主要物理性质运动黏度（m²/s）误区澄清：（1）运动黏度是μ与ρ的比值（2）不能用ν

比较不同流体的黏度大小举例（0℃时）发现：水的μ更大（更黏），但空气的ν更大。7.2流体的主要物理性质影响黏性的因素：温度对黏度的影响核心规律：压强对黏度的影响通常范围（<100atm）：影响很小，可忽略高压下：黏度随压强增大而增大7.2流体的主要物理性质牛顿流体牛顿流体——τ

与du/dy成正比μ为常数（与流动状态无关）例如：水、空气、汽油、矿物油非牛顿流体——τ与du/dy不成正比例如：奶油、血液、石油、水泥浆、高分子溶液理想流体（简化模型）—忽略黏性（μ=0）特点：无切应力，壁面可滑移适用：高速流动、远离壁面区域、升力分析7.3作用在流体上的力质量力定义：作用于流体每一个质点上，与流体质量成正比的力。单位质量力（m/s²）：直角坐标系分解：最常见的质量力：重力

7.3作用在流体上的力表面力定义：作用于所研究流体表面上，与表面积成正比的力。单位表面力（Pa）：静止流体中的特殊情况：τ=0（无切应力）只有正应力p，即为静压强提示：表面力是接触力，由相邻流体或固体壁面施加。

流体力学篇第八章流体静力学

流体在外力作用下的平衡规律、平衡状态下流体和固体之间的相互作用力及其工程应用。8.1流体静压强及其特性静压强的定义流体静压强：流体内部或流体与固体壁面之间所存在的单位面积上的法向作用力。流体静压强的两个特性方向：流体静压强的作用方向沿作用面的内法线方向8.1流体静压强及其特性流体静压强的两个特性大小：静止流体中任一点的流体静压强与作用面在空间的方位无关，只是坐标点的连续函数。对微元体进行受力分析：8.2重力场中流体的平衡流体平衡微分方程——欧拉平衡微分方程x方向的平衡方程式

8.2重力场中流体的平衡流体平衡微分方程——欧拉平衡微分方程物理意义：作用在静止流体上的质量力与压强梯度力相平衡。适用范围：可压缩流体和不可压缩流体均适用。8.2重力场中流体的平衡压强差公式联立流体平衡微分方程得：表明：当质量力一定时，处于静止状态的同一种流体内部，静压强增量取决于坐标增量。8.2重力场中流体的平衡等压面定义：流场中压强相等的各点组成的面（平面或曲面）。等压面方程：等压面的重要性质：作用于静止流体中任一点的质量力必垂直于通过该点的等压面。即：等压面与质量力的合力方向垂直。8.3重力场中流体的平衡流体静力学基本方程重力场中，适用条件：于连续不可压缩重力流体的平衡状态不可压缩流体对1,2两点列方程8.3重力场中流体的平衡流体静力学基本方程(1)自由表面的压强(2)淹深为h、密度为ρ的流体柱产生的压强ρgh※不可压缩的重力流体处于平衡状态时,流体内部的静压强由两部分构成8.3

重力场中流体的平衡★物理意义※当连续不可压缩的重力流体处于平衡状态时,在流体中的任意点上,单位重量流体的总势能为常数单位重量流体的位势能单位重量流体的压强势能总势能对图中a点和b点列静力学方程或8.3重力场中流体的平衡★几何意义※不可压缩的重力流体处于平衡状态时,静水头线或者计示静水头线为平行于基准面的水平线位置水头压强水头静水头A-A静水头线A－A′计示静水头线8.3液柱式测压计测压管——结构最简单的液柱式测压计8.3重力作用下静止流体的压强分布U形管测压计8.3重力作用下静止流体的压强分布U型管压差计8.3重力作用下静止流体的压强分布微压计（倾斜式）倾斜管放大读数，提高精度——用于测量微小压强8.3重力作用下静止流体的压强分布例题按复式水银测压计（如图8-11）的读数算出锅炉中水面上蒸汽相对压强p。已知H=3m，h1=1.4m，h2=2.5m，h3=1.2m，h4=2.3m，水银密度ρHg=13600kg/m3。8.4静止液体作用在固体壁面上的总压力平面壁总压力——大小8.4静止液体作用在固体壁面上的总压力平面壁总压力——方向：垂直指向壁面，平行力系合成问题合力矩定理—面积A对Ox轴的惯性矩惯性矩平行移轴定理：—压力中心总在形心下方—常见图形惯性矩：矩形Icx=bh³/12，圆形Icx=πd⁴/648.4静止液体作用在固体壁面上的总压力曲壁面总压力8.4静止液体作用在固体壁面上的总压力压力体定义：压力体是曲面与自由液面（或其延长面）所包围的

体积。实压力体——压力体充有液体虚压力体——压力体中没有液体压力体的画法：从曲面两端点垂直向上（或向下）画线至自由液面曲面+垂线+自由液面围成的封闭区域=压力体压力体是一个数学概念，与实际是否有液体无关。流体力学篇第九章流体运动学与动力学基础

本章讲解流体运动时的基本概念、基本规律和三大守恒方程9.1描述流体运动的方法拉格朗日法与欧拉法欧拉法的优势：工程中关心的是空间各点的参数（如管道某截面压强）不需要追踪每个质点去了哪里本书主要采用欧拉法9.2流体动力学基本概念流动的分类按时间分类：9.2流体动力学基本概念流动的分类按空间维数：简化：工程中常将三维简化为二维或一维。9.2流体动力学基本概念流线（欧拉法）定义：某一瞬时，曲线上各点的切线方向与该点流速方向重合性质：流线不能相交（驻点除外）；

流线疏密反映流速大小（密→快，疏→慢）；

定常时流线形状不变迹线（拉格朗日法）定义：某一质点在连续时间内的运动轨迹9.2流体动力学基本概念元流与总流流管：由流线围成的管状曲面（流体不能穿过）元流（微元流束）：流管横截面积dA→无限小，截面上速度均匀总流：由无数元流组成。工程中的管道流动、明渠流动9.2流体动力学基本概念有效截面：与流线处处垂直的横断面流线平行时→平面；流线不平行时→曲面湿周χ：有效截面上流体与固体壁面接触的周长水力半径R：当量直径D（非圆管）：9.2流体动力学基本概念流量：单位时间内通过有效截面的流体量平均流速v：是一个假想的均匀流速用v计算流量与实际速度分布相同意义：将不均匀的速度分布简化为均匀分布。9.2流体动力学基本概念缓变流与急变流缓变流的重要性质：同一有效截面上，压强服从静力学分布：9.2流体动力学基本概念系统与控制体对应方法：系统→拉格朗日法控制体→欧拉法工程中