1、第二章 工程热力学基础理论目前已为人们发现的自然界中可被利用的能源中，除风能和水能是以机械能的形式提供给人们外，其余各种能源往往直接以热能的形式，或通过相应的设备进行能量转换将它们转变为热能提供给人们。热能利用方式，一为直接利用，即将热能直接用来加热物体，如烘干、蒸煮、采暖、熔化等。另一为间接利用，即将热能转换为机械能或电能加以利用，如热力发电厂。工程热力学主要研究热能与机械能转换的客观规律，即热力学的基本定律，分析工程上借以实现热能和机械能相互转换过程的媒介物质( 如水和蒸汽) 的基本热力性质，以及应用热力学基本定律分析计算工作物质在热力设备中所经历的变化过程。第一节 工质及状态参数一、工质
2、和热机能实现热能转变为机械能的设备，称为热机，如内燃机、蒸汽机和汽轮机等均为热机。在热机里要使热能不断地转换为机械能，必须借助于一种工作物质，工作物质经过吸热、膨胀而完成作功，如汽轮机和蒸汽机的工作需要蒸汽；内燃机的工作需要燃气。这种实现热能和机械能相互转化的工作物质叫做工质。由于工质在热力设备中要连续不断地流动并膨胀作功，因此，工质应有良好的流动性与膨胀性。同时，工质还要价廉、易得、热力性能稳定、不腐蚀设备、无毒等。在物质的三态中，气态物质受热膨胀的能力最大，流动性也最好，显然，气态物质最适宜作工质。而水蒸汽具有价廉易得，无毒，不腐蚀设备等优点，所以火力发电厂主要以水蒸汽为工质。热能动力装置
3、的工作过程，概括起来就是工质从高温热源吸取热能，将其中一部分转化为机械能，并把余下的一部分传给低温热源的过程，如图 2-1 所示。在工程热力学中，高温热源就是指能不断地供给热能的物体，简称热源。低温热源指接受工质排出剩余热能的物体，简称冷源。二、状态参数用来描述和说明工质状态的一些物理量(如压力、温度等)则称为工质的状态参数。状态参数值只取决于工质的状态，因而，任何物理量，只要它的变化量等于初始、终止两态下该物理量的差值，而与工质的状态变化途径无关，都可以作为状态参数。热力学中采用的状态参数有：温度，压力，比容、内能、焓、熵等。（一）温度温度是标志物体冷热程度的一个物理量。当两个不同温度的物体
4、接触时，高温物体就要向低温物体传热，两物体温度相等后，即处于热平衡状态。处于热平衡的物体具有相同的温度，这是用温度计测量物体温度的依据。被测物体达到热平衡时，温度计的温度即等于被测物体的温度。温度的数值表示方法称为温标。旧的摄氏温标规定在 760mm 汞柱气压下纯水的冰点温度为 0 度，沸点的温度为 100 度，两定点间分为 100 个分度，每一分度叫做摄氏一度。高 温 热 源低 温 热 源 输 出 功加 热放 热 图 2-1国际单位制采用热力学温标为基本温标。热力学温标采用水的三相点(即水的固、液、气三相平衡共存的状态)为基本定点，并定义它的温度为 273.16K。用该温标确定的温度称为热力
5、学温度，符号为“T ” ，单位为“开尔文” ，中文代号“开” ，国际代号“K” 。与热力学温标并用的还有热力学摄氏温标，简称摄氏温标。它所确定的温度称为摄氏温度，用“t ”表示，单位为“摄氏度 ，代号。这种摄氏温标与旧的摄氏温标不同，它是由热力学温标导出的。摄氏温度按以下定义式确定：t =T-273.15 （2-1）这就是说，规定热力学温度 273. 15K 为摄氏温度的零度。（二）压力单位面积上所受到的垂直作用力称为压力。以符号 P 表示。气体的压力是气体分子作不规则运动时撞击容器壁面的结果。绝对压力是指工质的真实压力，以 P 表示。绝对压力大于大气压力时，超出大气压力之值，即表计所测出的压
6、力称为表压力，以 Pg 表示。有：P=P amb+ Pg当容器内的绝对压力低于大气压力时，例如凝汽器内、锅炉炉膛内，测压仪表指示的读数习惯上称为负压或真空，以 Pv 表示，则：PP amb-Pv显然，真空愈高，说明被测流体的绝对压力愈低。通常称测量真空的仪表为真空计。图 2-2 表明了绝对压力、表压力、真空与大气压力之 间的关系。大气压力 Pamb 的值可用气压计测定，其值随测量的时 间、地点而异。所以只有绝对压力才能作为状态参数，而表压 力或真空的读数将因当地大气压力不同而随之改变。在国际单位制中，力的单位是 N(牛顿) ，面积的单位是m2，压力的单位则是 Nm 2，称为帕斯卡，中文代号“帕
7、 ”， 国际代号“Pa” 。 工程上因以 Pa 为压力单位太小，计算不方便，常取MPa（兆帕）作为实用单位，即lMPa=106Pa工程上容器内工质的压力是由压力表来测定的。压力测量一般采用弹簧管式压力计，如图 2-3 所示，较小的压力用 U 形管式压力计测量，如图 2-4 所示。压力的大小也可用液柱的高度表示的，常用的有 mmHg 和 mmH2O。换算关系为：1mmHg=133.322Pa133.3 Pa1mmH2O=9.80665Pa=9.81Pa图 2- 绝 对 压 力 、 表 压 力 、 真 空 和 大 气 压 力 间 的 关 系ppgamb pv(a) (b)o，则 qo，工质从外界吸
8、热：dscv。3利用比热容计算热量的方法为了简便，常使用气体的定值比热和平均比热来计算它所吸收或放出的热量。用定值比热计算热量：当温度在 150以下，可忽略温度对比热的影响。这种不考虑温度影响的比热称定值比热容，简称定比热容。根据分子运动论，原子数相同的气体的定值千摩尔比热都相同，其值如表 2-1 所列。实验证明，表 2-1 的数据仅是低温范围内的近似值。表 2-1 气体的定值千摩尔比热容值 已知定值比热容所需的热量为：q= kJkg （2-14）212112)(tcdtc对 mkg 质量气体，所需热量为：Qmc( ) kJ （2-15）12t用平均比热计算热量：在实际热力工程中，气体往往处于
9、很高的温度范围，例如锅炉中的烟气，计算时就不能忽略温度对比热的影响。从图 2-9 就可看出，温度很高时，比热随温度的变化显著，任何一个温度都对应有一个比热值。在实际计算中，不可能也不需要将每一温度下气体的真实比热都算出来。所以，工程上采用了平均比热容的概念来简化热工计算。平均比热是指在一定的温度范围内，单位数量气体所吸收或放出的热量与温度差的比值。用符号 ，表示。即：21tmtC原 子 数定容干摩尔比热容McvkJ(kmolK)定压千摩尔比热容McpkJ(kmol K)单原子气体双原子气体多原子气体34.186854.186864.186854.186874.186884.1868t=150C
10、O图 2-9 比 热 容 与 温 度 的 关 系ctc=21tmtC1tq由此，单位量气体吸收或放出的热量为：q （t 2-t1） （2-16）1m对于 mkg 质量气体， Q=m（ t2- t1） （2-170C0m）表 2-2 和表 2-3 分别列由各种气体从 0到 1200范围内的平均定压质量比热容和平均定压容积比热容的数据。例题 2-4 求在定压下加热 20kg 二氧化碳气体由 t1=400到 t2=1000所需要的热量。解 根据已知条件，从表 2-2 中查得二氧化碳气体的平均定压质量比热容为：kJ(kgK)40.983mpC表 2-2 气体平均定压质量比热容 单位：kJ(kgK)气体
11、温度O2 N2 CO CO2 H2O SO2 空气0 0.915 1.039 1.040 0.815 1.859 0.607 1.004100 0.923 1.040 1.042 0.866 1.873 0.636 1.006200 0.935 1.043 1.046 0.910 1.894 0.662 1.012300 0.950 1.049 1.054 0.949 1.919 0.687 1.019400 0.965 1.057 1.063 0.983 1.984 0.708 1.028500 0.979 1.066 1.075 1.013 1.987 0.724 1.039600 0.9
12、93 1.076 1.086 1.040 2.009 0.737 1.050700 1.005 1.087 1.098 1.064 2.042 0.754 1.061800 1.016 1.097 1.109 1.085 2.075 0.762 1.071900 1.026 1.108 1.120 1.104 2.110 0.775 1.0811000 1.035 1.118 1.130 1.122 2.144 0.783 1.0911100 1.043 1.127 1.140 1.138 2.177 0.791 1.1001200 1.051 1.136 1.149 1.153 2.211
13、0.795 1.108表 2-3 气体平均定压容积比热容 单位：kJ(m 3K)气体温度O2 N2 CO CO2 H2O SO2 空气0 1.306 1.299 1.299 1.600 1.494 1.733 1.297100 1.318 1.300 1.302 1.700 1.505 1.813 1.300200 1.335 1.304 1.307 1.787 1.522 1.888 1.307300 1.356 1.311 1.317 1.863 1.542 1.955 1.317400 1.377 1.321 1.329 1.930 1.565 2.018 1.329500 1.398
14、1.332 1.343 1.989 1.590 2.068 1.343600 1.417 1.345 1.343 2.041 1.615 2.114 1.357700 1.434 1.359 1.372 2.088 1.641 2.152 1.371800 1.450 1.372 1.386 2.131 1.668 2.181 1.384900 1.465 1.385 1.400 2.169 1.696 2.215 1.3981000 1.478 1.397 1.413 2.204 1.723 2.236 1.4101100 1.489 1.409 1.425 2.235 1.750 2.26
15、1 1.4211200 1.501 1.420 1.436 2.264 1.777 2.278 1.433kJ(kgK)10.2mpC所需要的热量为：Q=m（ t2- t1）=20（ 1000- 400）=14576 kJ0010mp40mpC第三节 热力学第一定律一、热力学第一定律的实质热力学第一定律（也称为当量定律）是能量守恒与转换定律在研究热能转换时的具体体现。 “热可以变为功，功也可以变为热，一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功，消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热” 。热能和机械能之间的当量关系：Q=AWA热功当量，热和功采用不同的能量单位时应具有的转换系数，称为热功当量
16、国际单位制中，热与功采用相同的单位，即：Q=W功的单位用公斤力米，热用千卡，则： 可近似取 A=1427kcal(kgf m)工程上常用 kWh（千瓦时）为功的单位。这时功热的换算关系为1kWh=1kJ/s3600s=3600kJ例题 2-5 巳知某电厂的容量为 50000kW。锅炉的燃料消耗量为 24th。煤的发热量为 25000kJkg。试求该电厂将热能转变为电能的总效率。即发电厂效率 为多少?解 该厂每小时烧煤发出的热量为：24l000 25000=600l06 kJh每小时转变为电能的热量为：50000 3600=180106 kJh= = =0.3=30%每 小 时 转 换 为 功
17、的 热 量每 小 时 燃 料 发 出 的 热 量 6180二、热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律是热力学的基本定律。它适用于一切热力过程。对于任何系统，各项能量之间的平衡关系可一般表示为：系统中原有的能量+进入系统的能量-离开系统的能量= 系统最终剩余的能量。如图 210 所示以闭口系统为例，设有一活塞的气缸，内有 1kg 气体。开始时系统处于平衡状态 l，工质的状态参数为 p1、v 1、T 1 及 u1。在热力过程中系统从外界吸热 q，气体膨胀推动活塞对外界作膨胀功 w。过程终了时到达平衡状态 2，状态参数为 p2、v 2、T 2 及u2。能量平衡关系应当表现为：u1(系统原有的能量)
18、十 q(进入系统的能量) w(离开系统的能量)=u 2（系统最终剩余的能量）12wq图 2-10 闭 口 热 力 系即： q=u2-u1+w=u+w （2-18）对微元过程，则（2-19）d此式称为热力学第一定律解析式，上述公式中的 q、u 及 w 都是代数值。上述方程式是根据能量守恒原理直接导出的，除要求工质的初态和终态是平衡状态外，其它再无任何假定和限制条件。所以它不受过程性质(可逆或不可逆) 和工质性质(理想气体、实际气体) 的限制，是普遍适用的。对于 mkg 质量而言，可相应地得出：Q=U +W （2-20）若工质经历的是可逆过程热力学第一定律解析式可写成：q=u+ （2-21）21p
19、dvQ=U + （2-22）21V例题 2-6 容器中装有一定质量的热水。热水向周围大气放出热量 10kJ，同时功源通过搅拌器对热水作功 15kJ。试问热水内能的变化量为多少 kJ?解 取热水为闭口系统，由式（2-20）得UQ W系统放热 Q=-10kJ。外界对系统作功，功量亦为负值，W=-15kJ。U=-10+15=5kJ热水内能增加 5kJ。从这个简单的例子可以看出，判断系统内能的变化，不应只看系统与外界的热交换，或系统与外界的功交换，而应看两者的综合结果。例题 2-7 对定量的某种气体加热 l00kJ，使之由状态 1 沿途径。变至状态 2，同时对外作功 60kJ。若外界对该气体作功40k
20、J，迫使它从状态 2 沿途径 b 返回至状态 1，如 p v 图所示。问返回过程中工质需吸热还是向外放热?其热量是多少?解 按题意 Q1- a-2=l00kJ；W 1- a-2=60kJ。该气体在过程中内能变化量为：U l- a-2=U2-U1=Q1- a-2-Wl- a-2=l00-60=40kJ对 2-b-1 过程：W2-b-1=40kJ；U 2-b-1=(U2U1)=-40 kJQ2-b-1=4040= 80kJ ，气体在返回过程中放出热量 80kJ。三、稳定流动的能量方程式及应用（一）稳定流动的能量方程式如图 2-11 所示的一个系统，工质不断地经由 1-1 截面进入系统，同时系统不停
21、地从外界吸取热量，并不断地通过轴对外界0Q2zz1 WS0cp1图 2-1 开 口 系 统 cuupvv 2abpvo输出轴功，作功以后的工质则不断地通过截面 2-2 流出系统。这种工质与外界不仅有能量的传递与转换，而且还有物质交换的系统，为“开口系统” 。如果在流动过程中，系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间而变，则称这种流动过程为稳定流动过程。要使流动过程达到稳定，必须满足以下条件：(1)单位时间进入热力系的工质质量 m1 与流出热力系的工质质量 m2 相等。(2)系统内储存的能量保持不变。为此，要求系统与外界的能量交换情况不随时间而改变。即单位时间加入热力系的净热及热
22、力系作出的功都不随时间而变。一元稳定流动是工质的状态参数只沿着流动的方向作连续变化的流动。如图 2-11 所示系统，设单位时间有 mkg 工质由 1-1 截面进入系统其状态参数为压力p1、比容 v1、温度 T1、内能 u1，流速为 c1，设进口中心距水平面的高度为 z1。经由 2-2 截面离开系统时工质的参数相应为：p 2、T 2、v 2、u 2，流速为 c2，出口截面中心距水平面的高度为 z2。进、出口的能量有内能 mu、动能 mc 、位能 rngz 和流动功 mpv。此外，工质流经热力系时，外界加入热量 Q，工质对外界输出轴功 Ws=mws。由于流动是稳定的，根据稳定流动的条件，系统的能量
23、是不变的。能量平衡式列为：mu1+mp1v1+ mc +rngz1+Q=rnu2+mp2v2+ mc 十 mgz2 十 mws 21也可写成 Q=(U2 U1)+m(p2v2 p1v1)+ m(c c )+rng(z2 z1)+Ws （2-123）对于 lkg 工质可写为：q=(u2-u1)+(p2v2 p1v1)+ (c c )+g(z2 z1)+ws21整理后得：q=u+(p 2v2 p1v1)+ (c c )+g(z2 z1)+ws （2-24）21上式（2-23）和（2-24）为热力学第一定律应用于工质在稳定流动时的数学表达式。称为稳定流动的能量方程式。工程热力学中将 (c c )+g
24、(z2z 1)+ws三项之和总称为技术功 wt。21将焓代人稳定流动能量方程式可得：q=(h2-h1)+ (c -c )+g(z2-z1)+ws （2-25）21技术功代入上式得：q=h+w t （2-26）对其微元则： q=dh+ wt=dh-vdp若为可逆过程，则q= h （2-27）21vdp（二）应用1热交换器工质流经热交换器（锅炉、加热器、凝汽器等）时，和外界有热量交换而不作功，故ws=0，位能差和动能差很小可忽略不计，因此，稳定流动的能量方程简化为：q=h2h 12汽轮机汽流通过汽轮机时发生膨胀，压力下降，对外作功。动能、位能可忽略，散热小q0。因此，稳定流动能量方程式用于热机时就
25、简化为：ws=(h1h 2)3泵和风机工质流经泵和风机时消耗外功而使工质压力增加，外界对工质作功。位能差和动能差很小可忽略不计，q0。能量方程式可以简化为：-ws=h2h 14喷管喷管是一种特殊的短管，气流经过喷管后，压力下降，速度增加。(c c )=h1h 2212例题 2-8 已知新蒸汽进入汽轮机时的焓 h1=3230kJkg，流速 c150m s，排汽流出汽轮机时的焓 h2=2300kJkg ，流速 c2l00ms，散热损失和位置高差可忽略不计。(1)求每 kg 蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功；(2)若忽略工质进、出汽轮机的动能差，估计由此对 ws 的计算值所产生的误差，(3)若蒸汽流量
26、为 104kgh，求汽轮机的功率。解 如图 2-11 所示，取 1、2 截面间的流体作热力系。(1)根据稳定流动能量方程有：q=(h2 h1)+g(z2z 1)+ws 其中 q0，位能为零故 ws=（ h1h 2） (c c )=（32302300） （ 100250 2）10 -3=926.25kJkg(2)工质进、出汽轮机动能之差为：(c c )=3.75kJkg221=0.405%5.9673其数值为功量 ws 的 0.405%，误差很小故常可忽略。(3)汽轮机的功率为：926.25103104 =2570KW601第四节 热力学第二定律一、热力循环工质从某一状态经过一系列的状态变化过程
27、，又回到原来状态的全部过程的组合，就称为“热力循环” ，简称循环。在一个循环中，既然工质经过膨胀后又能回复到原来的状态，那么，一个循环中必定同时包含着膨胀和压缩这样两个性质相对立的热力过程。可见，一个热力循环最少应由两个热力过程所组成。如果循环的总效果是将热能转变为机械能，则称为正向循环。各种热力发动机中所实施的循环都是正向循环，故也称为热机循环。正向循环所产生的净功，等于循环中工质对外界所做的膨胀功和外界对工质所做的压缩功的代数和。这个净功就是可以由外界加以利用的功，所以也称它为“有用功” ，用符号 w0表示。对于一个循环，由于工质回复到原来的状态，所以内能的变化应为：u=0。根据热力学第一
28、定律，对于一个循环则有：q=u +w=w这里的 q 和 w 都是指循环的总效应，即 w 是指整个循环中工质对外界所作膨胀功和外界对工质所作压缩功的代数和，即为有用功 wo，而 q 是整个循环中工质从外界所吸收热量和对外界放出热量的代数和，即为循环的净热量，常用 q0表示，因而对于循环有：q0 =q1-q2=wo见图 2-12，在 T s 图上净热量的大小为：q0=面积 1a2341 一面积 2b1432=面积 la2bl即为循环曲线所包围的面积。显然，从利用热能来取得机械能的目的出发，我们希望在一定的吸热量下，放热量愈小愈好，这样可以得到的有用功就愈多。也就是说，有用功 wo相对于循环时吸热量
29、 q1所占有的份额愈大愈好。 t= = = （2-28）1wo221q t表明热机循环变热能为机械能的有效程度，称作循环的热效率。即循环的热效率等于循环产生的有用功或有效热与循环的吸热量之比的百分数，愈大表示循环的经济程度愈高。二、热力学第二定律热量从低温物体传至高温物体的过程需要有机械能转变成热能的过程来补偿；热能转变成机械能的过程则需要有热量从高温物体传至低温物体的过程来补偿，这些补偿过程都是自发的过程。可见，一个非自发过程的进行要伴随一个自发的过程来作为补偿。所以，在没有补偿的条件下，自然界的一切过程只能朝着自发的方向进行，这就是过程的方向性，任何过程都具有这种方向性。热力学第二定律的实
30、质和表述1.克劳修斯说法“热量不可能自动(自发)地不付代价地从低温物体传到高温物体” 。2.开尔文普朗克说法“不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功，而其它物体不发生任何变化” 。oTs图 2-1 正 向 循 环q1q2w0ab34(1)热转换为功是非自发过程，实现这种过程需要有一定的补充条件。(2)在第二定律确立以前，有人曾设想制造出一种只需要一个热源就能连续工作的机器，它试图把从单一热源吸取的热量全部转变为功，而不引起其它变化。因此“第二类永动机是不可能造成的” 。(3)不能把热力学第二定律简单地理解成“功可以完全变为热，但热不能完全变为功 ”。因为，可用来
31、推动热变功这种非自发过程得以实现的补偿过程，并非只限一种。三、卡诺循环卡诺循环是两个热源间的可逆循环，它由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成，如图 2-13 所示。过程进行的顺序如下：1-2 为可逆等温吸热过程，工质从高温恒温热源( T1)吸人热量 q1，对外界作膨胀功w12；2-3 为可逆绝热膨胀过程，工质从温度 T1下降至 T2并对外界作膨胀功 w23；3-4 为可逆等温放热过程，工质在温度 T2下向冷源放出热量 q2，同时接受外界的压缩功 w34；4-1 为可逆绝热压缩过程，工质从温度了 T2升高至温度 T1，接受外界的压缩功 w41，回到初状态 1，完成一个循环。循环的热经济
32、性是以热效率来衡量的，工质为理想气体时，热效率与工质性质无关。所以，理想气体卡诺循环热效率可简化为： c= - （2-31）1-21T2分析卡诺循环热效率公式，可得出下列结论：(1)卡诺循环的热效率，决定于高温热源与低温热源的温度 T1及 T2，即取决于工质吸热、放热时的温度。T 1越高，T 2越低，也就是热源与冷源的温差愈大，循环热效率越高。(2)卡诺循环的热效率恒小于 1，决不可能等于 1，更不可能大于 1。(3)当热源和冷源的温度相等，即 T1=T2时，卡诺循环的热效率等于零。这就是说当处于热平衡时，不可能再将热连续地变为功。所以循环中的温度差是热能转变成机械能的必要条件。卡诺循环是一种
33、理想循环，由于实际上不可能在等温下进行热量交换，另外还有摩擦等不可逆损失，故实际热机不可能完全按卡诺循环工作。虽然卡诺循环不能付诸实现，但它从理论上确定了循环中实现热变功的条件和在一定的温差范围内热变功的最大限度，从pvo12oTs12Ts234 234图 2- 卡 诺 循 环 woq1-2=qq2而指出了提高实际热机热效率的方向，即尽可能提高循环中工质吸热时的温度，尽可能降低工质放热时的温度。循环的最低温度受环境限制，所以提高热效率主要靠提高吸热温度。实际上各种热机正是向提高循环最高温度和最高压力的方向发展的。例题 2-9 某热机中的工质从 tl=1727的高温热源吸热 1000kJkg，向
34、 t2=227的低温热源放热 360kJkg。试判断该热机中工质的循环能否实现？是否为可逆循环？解 由卡诺定理可知，在温度不同的两热源间工作的热机以卡诺循环的热效率为最高，故 c=1- =0.7512T按热效率定义，该循环的热效率为： t= =0.6421q因 tp加 热 (b)(c)(d)(e)(a)加 热 加 热 加 热图 3-1水 蒸 汽 定 压 产 生 过 程()()()()(e)未 饱 和 水 饱 和 水 湿 饱 和 蒸 汽 干 饱 和 蒸 汽 过 热 蒸 汽ppppts2水蒸汽的 p-v 图和 T-s 图实验表明在不同压力下水蒸汽的定压产生过程，同样都要经历上述三个阶段，并都呈现有
35、各自相应的未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态。将若干压力下的水蒸汽定压发生过程表示在 p-v 图和 T-s 图上，如图 3-2 所示，将不同压力下的饱和水温度点连成 MC 曲线， MC 曲线为饱和水线，将不同压力下的干饱和蒸汽温度点连成 NC 曲线，N C 曲线为干饱和蒸汽线。 C 点为临界点，水的临界参数：PC=22.12Mpa，t C=374.15，v C=0.00317m3/kg。在临界点，饱和水与干饱和蒸汽没有区别，即在临界压力 PC下加热未饱和水，当温度达到饱和温度 tC时，饱和水立刻全部汽化，变成干饱和蒸汽。第二节 水蒸汽表及焓熵图一、水蒸汽表1饱和水和干饱
36、和蒸汽表饱和水和干饱和蒸汽的参数可查饱和水蒸汽表该表分两种形式：一种是以温度为变数列出了相应的饱和水蒸汽的各参数值,见附表一；另一种是以压力为变数列出了相应的饱和水蒸汽的各参数值，见附表二。例题 3-1 若压力为 p=1MPa，当温度分别为 100、200、300时，试确定水所对应的状态。解 查以压力为依据的饱和水蒸汽表得：p=1MPa 时，t S=179.88。故在 100时，为未饱和水，而在 200和 300时，为过热蒸汽。例题 3-2 150的水放在一个密闭的容器内，试问处在什么压力下才可能保持水的状态?解 查以温度为依据的饱和水蒸汽表tS=150时，p S=0.476MPa因此，处于
37、p0.476MPa 时才可能保持水的状态。若压力低于此压力时，容器中就不可能有水而全是过热蒸汽了。2未饱和水及过热蒸汽表未饱和水及过热蒸汽是处于饱和界限曲线以外的非饱和状态工质，其状态参数可由p、t 等任何两个独立参数来确定。见附录表三。CNMPa123b3d123epc图 3-2 水 蒸 气 的 p-v图 和 Ts图 CNMTa123b123d123es例题 3-3 试求水在 0.05MPa 下温度为 80和 140时的状态及参数。解 查未饱和水及过热蒸汽表，p=0.05MPa 时，t S=81.35，当温度为 80时为未饱和水，其参数为v=0.0010292 m3/kgh=334.9 kJ
38、/kgs=1.0752 kJ/(kgK)当温度 140时，tt S为过热蒸汽，其参数为v=3.796 m3/kgh=2760.6 kJ/kgs=7.8942 kJ/(kgK)二、水蒸汽的焓熵图（h-s）由于水蒸汽表是不连续的，在求表列值间隔中的数据时，必须使用内插法，同时在分析热力过程时表不如图清晰方便。因此，根据分析计算和研究的实际需要，可以用状态参数为坐标，绘制水蒸汽的各种热力性质图。如前面已介绍过的 p-v 图和 T-s 图，这两种图在分析过程时是有其特点的。但在工程上常常需要计算功量和热量的大小，在 p-v 图和 T-s图中就需要计算过程曲线下方的面积，这是很不方便的。而在以焓 h 为
39、纵坐标，以熵 s 为横坐标所构成的焓熵图(h-s 图) 上，液体热、汽化热、过热热以及绝热膨胀技术功等，都可以用线段表示，h-s 图具有很大的实用价值，成为工程上广泛使用的一种重要工具。h-s 图是根据水蒸汽表上所列数据绘制而成的，其结构如图 3-3 所示，在 h-s 图中 C 为临界点，x=0为饱和水线，x=l 为干饱和蒸汽线，另外还绘有以下各种线群：1定压线群2等温线群3等干度线群4定容线群5定焓线群6定熵线群第三节 水蒸汽的流动及典型热力过程一、连续性方程 连续性方程是在质量守恒定律基础上建立起来的，它普遍适用于稳定而连续的流动过程。连续性方程可以表述为；单位时间内进入热力系的工质质量与
40、流出热力系的工质质量相等，且等于常数。设有一任意流道如图 3-4 所示。则单位时间内流过的流体质量为：m1= kgsAcv123AA2vvcc图 3-4 一 元 稳 定 流 动CMN=1x=0xspvt图 3- 水 蒸 汽 的 h-图同理，在截面 2-2 处相应有：m2= kgsAcv在连续稳定流动中，单位时间内通过流道任意截面的质量流量应相等。即m= = = =常数 （3-1）1cv2cv这就是连续性方程，它描述了流速、截面积和比容之间的关系。不论工质是理想气体还是实际气体，也不论过程是否可逆、是否作功，是否绝热，上式均适用。二、音速及马赫数音速是微弱扰动波在介质中传播速度的统称。所谓弱扰动
41、是指由于某种原因引起的气体状态发生微弱变化的现象。如敲音叉、说话等，都会使气体介质产生周期性的疏密波，并随即向远离扰动源的空间传播，波及之处气体参数将跟着变化。音波的传播过程可视作可逆绝热过程，在状态参数为 p、v 的理想气体中，音速的计算式可导为：（3-2）kRTa可见音速与流体的性质和状态有关。对于理想气体，即当气流温度升高时，音速亦增大。而且对不同的理想气体(k 和 R 不同)，音速也不同。对于实际气体，音速不仅与温度有关还与压力有关。应当注意音速是随介质状态而变的参数，一个状态对应一个确定的音速。通常所说的音速是指某一状态下的音速值，称为当地音速。在流动中气流各点的状态不同，它们的当地
42、音速也不同。在分析流体流动时，常以音速作为流体速度的比较标准。人们把气流中任一确定点的速度 c 与该介质中当地音速 a 之比这一无因次量称为该点气流的马赫数，用符号 Ma 表示。即Ma= （3-3）c如果流速小于当地音速，即 Ma1，称为超音速流动； Ma1 表示流速等于当地音速，为临界流动。三、喷管凡是用来使气流压力降低速度增大的管道都称为喷管。对喷管来说沿着流动方向，气体因绝热膨胀比容不断增大，压力降低而流速增加，这时气流截面的变化规律为：1渐缩喷管：当喷管进口流速为亚音速时，c a，即 Ma1，喷管应是渐扩形的。3缩放喷管：如果工质在喷管内从亚音速一直膨胀到超音速，即气流从 Ma1 时，
43、其截面变化必然是先收缩而后扩张，中间有一最小截面。这最小截面为临界截面，是亚音速与超音速气流的转折点。这种先收缩后扩张的喷管称为缩放喷管，也叫 1a1 1图 3-5 喷 管（ a)渐 缩 喷 管 (b)渐 扩 喷 管 (c)所 放 喷 管拉伐尔喷管。在缩放喷管的最小截面处（也称喉部） ，Ma=l，流速等于当地音速。各种喷管的形状如图 3-5 所示。由此可见在渐缩喷管中，流出喷管的速度一般比当地音速小(Ma1)。所以管道截面形状一定要符合气流加速对截面积变化的要求，才能保证气流在喷管中充分膨胀，达到理想加速的效果。如果 c1、c 2 为喷管进、出口截面上的流速，h 1、h 2 为进、出口截面处气
44、流的焓值。喷管出口流速为：c2= ms121c由于喷管的进口速度远较出口速度小，故 t2 。当 l/d2大于 10 时，沿轴向的导热可以略去；在工程计算中可视为无限长的圆筒壁。此时温度仅沿半径方线向发生变化，由于圆柱体的侧表面积随着半径的增大而增大，所以在稳定导热时，通过圆筒壁传递的热量 Q 沿途不变，而热流密度 q 则随着半径的增大而减小。圆筒壁内温度分布是一条对数曲线。导热量的公式 Q= = 12t-r ln12t-d ln通过单位长度圆筒壁的热量称为圆筒壁单位长度的热流密度，以 ql 表示，它不因半径的变化而变化，则ql= = w/m （4-3）dln 21t-2圆筒壁稳定导热时，沿半径方向传递的热量 Q 不变，则圆筒壁单位长度的热流量密度也不变 。多层圆筒壁在稳定状态下,通过每层管壁单位长度的热流密度 ql 都相等。对于 n 层圆筒壁单位管长的热流密度为ql = w/m （4-4）1n+i1t-d l2nii例题 4-1 炉墙内层为 460mm 厚的硅砖，外层为 230mm 厚的轻质粘土砖，内表面温度为 t11600，外表面温度 t3150，设硅砖的导热系数 =1849W （m ） ，轻t1t2图 4-2 多 层 平 壁xd12xtt图 4-3单 层 圆 筒 壁
