化工熱力學(xué)資料

0.1熱力學(xué)發(fā)展簡史1738年，伯努利方程誕生，為其驗(yàn)證能量守恒，即熱力學(xué)第一定律年出項(xiàng)第一個(gè)熱功當(dāng)量，焦耳進(jìn)行試驗(yàn)測定熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。0.3化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展微觀與宏觀相結(jié)合微觀：分子熱力學(xué)宏觀：經(jīng)典熱力學(xué)量子力學(xué)的發(fā)展液位化工熱力學(xué)的研究提供了新的途徑，0.4化工熱力學(xué)在化工中的重要性0.5熱能轉(zhuǎn)換的基本概念一、熱力系、狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)(一)熱力系與工質(zhì)1、工質(zhì)：在物化學(xué)習(xí)當(dāng)中我門知道熱機(jī)就是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備，如氣輪機(jī)、媒介物質(zhì)就是工質(zhì)。例如在卡諾熱機(jī)當(dāng)中的工質(zhì)就是理想氣體。不同性質(zhì)的工質(zhì)對(duì)能量轉(zhuǎn)換的效果有直接影響，工質(zhì)性質(zhì)的研究是本學(xué)科的重要內(nèi)容之，價(jià)廉、易得等。因此，葉的相互作用實(shí)現(xiàn)了熱能向機(jī)械能的連續(xù)轉(zhuǎn)換。2、熱力系：作任何分析，首先必須明確所研究的對(duì)象。在熱力學(xué)中，具體指定的熱力解面稱為界面或邊界。根據(jù)具體情況，這個(gè)界面可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。塞機(jī)構(gòu)，若把虛線所包圍的空間去做熱力系，則其邊界就是真實(shí)的，其中活塞所在的那條b面所包圍的空間作為熱力系，一般情況下，熱力系與外界總是處于相互作用中，它們交換則有傳熱和做功兩種形式。根據(jù)熱力系與外界相互作用情況的不同，熱力系可區(qū)分為以下幾種類型。內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量保持不變，也稱為控制質(zhì)量系統(tǒng)。c、簡單可壓縮系：熱力系有可壓縮流體構(gòu)成，與外界只有熱量和可逆(可逆即指可逆過程)體積變化功的交換。熱能轉(zhuǎn)換所涉及的系統(tǒng)大多屬于簡單可壓縮系統(tǒng)。系和相互制約的，所以絕對(duì)的絕熱系和孤立系在實(shí)際中是并不存在的。根據(jù)熱源的高低不同，熱源可分為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩础Ａ亢臀镔|(zhì)的交換，它就可以看作是一個(gè)孤立系。如圖2－1a所示的閉口系，它如果與熱源、氣缸活塞以及活塞的推動(dòng)力就可以看作是一個(gè)孤立系。此時(shí)，原來的閉口系以及與它發(fā)生相互作用的所有物體都可以看作這個(gè)孤立系的組成部分。絕熱系和孤立系都是熱力系中的抽象概念，它們常能反應(yīng)客觀事物的本質(zhì)，這種科學(xué)的抽象概念將給熱力學(xué)的研究帶來很大方便，在后面的學(xué)習(xí)中，我門還會(huì)遇到很多從客觀事物的方便。它可以是一群物體，也可以是一個(gè)物體或物體的一個(gè)部分，它可以很大，也可以很FF(二)狀態(tài)與基本狀態(tài)參數(shù)們根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的變化，都可以確定工質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生了變化。狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，自確定的數(shù)值；反之，一組數(shù)值確定的狀態(tài)參數(shù)可以確定一個(gè)狀態(tài)。x211達(dá)式為： 下面討論一下三個(gè)基本的狀態(tài)參數(shù)在熱力學(xué)中的用途。1、壓力：壓力的定義是單位面積上所受的垂直作用力，以符號(hào)p表示：p=。A氣體的壓力是氣體分子撞擊容器壁面，而在容器壁面的單位面積上所呈現(xiàn)的平均作用工程上，壓力的測量通常用壓力表或真空表來測量。常用的有彈簧管測壓計(jì)和U型管測壓計(jì)，如圖2－2所示。測量壓力的儀表通常處于大氣環(huán)境中，不能直接測出絕對(duì)壓力的彈簧管內(nèi)外壓差的作用產(chǎn)生變形帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指示被測工質(zhì)與環(huán)境間的壓差；圖2－1b的U型測壓計(jì)一端與被測工質(zhì)相連，另一端敞開在環(huán)境中，測壓液體的高度差即指示被測物質(zhì)和環(huán)境間的壓差。當(dāng)氣體的絕對(duì)壓力高于大氣壓時(shí)，壓力計(jì)顯示的超出大氣壓力(用符號(hào)pb表示)的部分(即壓力表的讀數(shù))，稱為表壓力，用符號(hào)pg表示，那么絕對(duì)壓力即為：ppgpb讀數(shù))稱為真空度，用符號(hào)pv表示，此時(shí)絕對(duì)壓力為： papaNmMpa(兆帕)作壓力的單位，并有1Mpa＝106pa，在物理學(xué)中，將緯度45°海平面上的常年平均氣壓作標(biāo)準(zhǔn)＝0.1Mpa，稱為1個(gè)工程大氣壓(現(xiàn)已不常用)。Vv=(2－5)m參數(shù)，比體積越大，物質(zhì)內(nèi)部分子之間的距離就越大，物質(zhì)內(nèi)部分子越稀疏。固體、液體、氣體比體積逐漸增大。比體積的倒數(shù)稱為密度，用符號(hào)ρ表示，密度是單位體積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量：mp=(2－6)V標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)用t表示，單位為℃(攝氏度)。國際單位制中間的換算關(guān)系如下：t=T273.15(2－8)CK顯然，兩種溫標(biāo)的每一溫度間隔的大小完全一致，只是攝氏溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)比絕對(duì)溫標(biāo)的(三)狀態(tài)和狀態(tài)方程式1、平衡狀態(tài)所謂平衡狀態(tài)是指在外界沒有影響的情況下，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下，工質(zhì)各點(diǎn)相同的狀態(tài)參數(shù)均勻一致，具有確定的數(shù)值。平衡狀態(tài)下才有可能。例如，我們說工質(zhì)在某一狀態(tài)下具有溫度T(K)，這就意味著此時(shí)利用確定的狀態(tài)參數(shù)來描述工質(zhì)的狀態(tài)特性，這是進(jìn)行熱力學(xué)分析和計(jì)算的基礎(chǔ)。去買東西一樣，你只需知道商品的價(jià)格和你要買的數(shù)量，那么你就清楚自己該帶多少錢一樣。)例如，如果維持氣體的比體積不變，對(duì)氣體加熱，則氣體的壓力將隨溫度的升高而增表達(dá)式表達(dá)如下：F(p，T，v)＝0(2－9)求出，也可由理論分析求得。3、參數(shù)坐標(biāo)圖：由上述可知，對(duì)平衡狀態(tài)，只需確定兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)，第三個(gè)狀態(tài)參數(shù)隨之確定，因此，通常簡單熱力系的熱力學(xué)狀態(tài)方程只需用兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)便可確定。數(shù)，所以不能在參數(shù)坐標(biāo)圖上用確定的點(diǎn)表示。同樣，圖2－3的T－s圖(溫熵圖)，是以過程、功量及熱量(一)熱力過程狀態(tài)將發(fā)生變化。我們吧工質(zhì)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總工質(zhì)從一個(gè)平衡狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程稱足以使熱力系內(nèi)部的工質(zhì)能及時(shí)恢復(fù)被不斷破壞的平衡。實(shí)際過程雖不完全符合這一條件，但有很多過程經(jīng)過簡化后都可以近似地當(dāng)作準(zhǔn)平衡過程來處理。因?yàn)闅怏w分子若運(yùn)動(dòng)的平均準(zhǔn)平衡過程是為了便于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)的熱力學(xué)過程進(jìn)行描述而提出的，它只是著眼于的計(jì)算時(shí)，還必須引出可逆過程的概念。徑可逆過程進(jìn)行必須滿足一下條件：(1)過程必須是準(zhǔn)平衡過程。因?yàn)橹挥袦?zhǔn)平衡過程才可能對(duì)其路徑加以描述。因不僅不能把正向過程中因摩阻變成的熱量再轉(zhuǎn)換回來變成功，反而還要消耗額外的機(jī)械功，也就是外界必須提供更多的功，才能使工質(zhì)恢復(fù)到初態(tài)，這樣外界發(fā)生了變化，這將導(dǎo)致過程不可逆。(3)傳熱無溫差。熱量總是自發(fā)地從高溫?zé)嵩磦鞯降蜏責(zé)嵩础Ｈ暨^程中工質(zhì)與外界發(fā)生有溫差的傳熱，則過程不可逆。例如當(dāng)外界溫度高于工質(zhì)溫度時(shí)，工質(zhì)將從外界吸熱，而當(dāng)工質(zhì)逆向返程時(shí)，工質(zhì)所放出的熱量不可能傳給溫度比它高的外界。因此，有熱交換存在的過程，傳熱有溫差必將導(dǎo)致過程不可逆。進(jìn)行，并使工質(zhì)恢復(fù)到原狀態(tài)，必將給外界留下影響，這就是實(shí)際過程的不可逆性。過程，因而可以作為實(shí)際過程中能量交換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)，并借以作出努力的方向。因?qū)Σ豢赡孢^程進(jìn)行分析計(jì)算相當(dāng)困難，為了簡便和突出主要矛盾起見，我們通常把實(shí)際過程當(dāng)作可逆過程進(jìn)行分析計(jì)算，然后再引用一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以適當(dāng)修正，從而得到實(shí)際過程的結(jié)果。這正是引出可逆過程的實(shí)際意義所在。狀態(tài)所組成。因而都在熱力參數(shù)上用連續(xù)曲線來描述。但準(zhǔn)平衡過程只是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)與外界所產(chǎn)生的總效果，必是可逆過程，它只是可你過程的必要條件之一。(二)功量和熱量1、功物理學(xué)中把物體通過力的作用而傳遞的能量稱為功，并定義功等于F和物體在力的作用方向上的位移?x的乘積，即1正值，外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)取為負(fù)值。功的符號(hào)用W表示，單位為J。熱力系是通過氣體的體積變化(膨脹或壓縮)，來實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，這種功稱為體積變化功，它包括膨脹功和壓縮功。來看可逆過程體積功的導(dǎo)出：外界壓力必須與系統(tǒng)壓力一致，則該微元可逆過程中熱力系對(duì)外界所作的功為(2-10)(2-10)(2-11)(2-11)re1(2-12)(2-13)(2-12)(2-13)1由系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算，而無需考慮往往不知道情況的外界參數(shù)，這正是可逆過程的優(yōu)點(diǎn)。2．熱量熱量是系統(tǒng)與外界之間有溫差推動(dòng)的情況下，通過邊界向外界傳遞的能量。束，也就是達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，熱力系與外界就不再存在這著功與熱的傳遞了。化功時(shí)，功量可用狀態(tài)參數(shù)p和v描述，即式(2-10)到(2-14)。其中壓力是系統(tǒng)對(duì)外做功的推動(dòng)力，只要系統(tǒng)與外界存在微小的壓力差，則兩者間就有功量的傳遞。而比體積v由此進(jìn)行類比，既然熱量是系統(tǒng)與外界由于存在溫差而傳遞的熱量，則溫度T就可看rerere1由此可獲得狀態(tài)參數(shù)熵的定義式為T6qds=T(2－16)(2－17)(2－18)(2－19)pVTS圖上可逆過程線下面的面積表示該過程中系統(tǒng)與外界交換的(三)熱力循環(huán)熱力循環(huán)是指工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到原來初態(tài)的熱力過程，現(xiàn)預(yù)期連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換。循環(huán)按性質(zhì)來分有可逆循環(huán)(全部由可逆過程組成的循環(huán))和不可逆循環(huán)(含有不可逆過程的循環(huán))。按目的來分有正循環(huán)(即動(dòng)力循環(huán))和逆循環(huán)(即制冷循環(huán)或熱泵循環(huán))，這的膨脹功應(yīng)大于壓縮功，所以在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上正循環(huán)的狀態(tài)變化是沿順時(shí)針方向進(jìn)行9b所示。為此需要消耗功，故循環(huán)在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上沿逆時(shí)針方向進(jìn)行。循環(huán)中能量利用的經(jīng)濟(jì)性是指通過循環(huán)所獲得的收益與所付出的代價(jià)之比。對(duì)于正循Wn=0tQH(2－20)對(duì)于逆循環(huán)，當(dāng)用于制冷裝備時(shí)，其目的在于將熱量QL從低溫?zé)嵩慈〕?，它的?jīng)濟(jì)指Q=L(2－21)W0當(dāng)逆循環(huán)用于熱泵時(shí)，其目的是向高溫?zé)嵩?供暖房間)提供熱量Q，它的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)HQ'=HW0(2－22)cop相同。1.2流體的狀態(tài)方程(EOS)立方型(可化為V的三次多項(xiàng)式)和高次型。BCD1.2.3立方型狀態(tài)方程(1)范德華狀態(tài)方程RTap=(2)R-K方程RTa(3)SRK方程RTa(T)(4)PR方程RTa(T)(5)立方型狀態(tài)方程的通用形式RTa(T)(2)Ishikawaetal方程(2)Ishikawaetal方程1.3對(duì)比態(tài)原理一、對(duì)比態(tài)原理T=TrTcp=5fi(T)(Vb)ii=1V==rp=rrrprc和對(duì)比壓力時(shí)，則具有大致相同的壓縮因子，并且其偏離理想氣體的程度相同。二、三參數(shù)對(duì)比態(tài)原理2.以偏心因子ω作為第三參數(shù)的對(duì)比態(tài)原理1.4普遍化狀態(tài)方程(了解)一、普遍化第二維里系數(shù)二、普遍化立方型狀態(tài)方程一、混合規(guī)則對(duì)于理想氣體混合物，即采用道爾頓分壓定律和阿瑪格分體積定律iVi=(nV)yi二、流體混合物的虛擬臨界參數(shù)Kay簡單在臨界區(qū)，壓力和溫度對(duì)液體容積性質(zhì)的影響較復(fù)雜。項(xiàng)目二單組元流體及其過程的熱力學(xué)性質(zhì)因此要首先掌握熱力學(xué)基本定律的應(yīng)用。熱力學(xué)第一定律是工程熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。它是能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用，確定了熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，從能量“量”上面揭示了能量轉(zhuǎn)換的基律是解決工程實(shí)際問題的重要基礎(chǔ)和工具。一、熱力學(xué)第一定律及其本質(zhì)觀運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)統(tǒng)稱為熱力學(xué)能；另一部分取決于系統(tǒng)工質(zhì)與外立場的相互作用(如重力位能)及以外界為參考坐標(biāo)的系統(tǒng)宏觀運(yùn)動(dòng)所具有的能量(宏觀動(dòng)能)，這兩種能量統(tǒng)稱為外的“量”既不能創(chuàng)生也不能消滅，其總量保持不變。造一種可以不消耗能量而連續(xù)做功的設(shè)備，這種設(shè)備被稱為“第一類永動(dòng)機(jī)”。顯然，由于它不可能制造成功的。二、熱力學(xué)能分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間由于相互作用力所具有的內(nèi)位能；另一部分為在分子尺度以下有維持一定分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能和原子核內(nèi)部的核能。對(duì)于不發(fā)生化學(xué)反映和核變化的簡單可壓縮系統(tǒng)，熱力學(xué)能僅包括分子的內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能。所經(jīng)歷的途徑無關(guān)。除儲(chǔ)存在熱力系內(nèi)部的熱力學(xué)能外，熱力系作為一宏觀整體相對(duì)于某參考坐標(biāo)系還具有宏觀的能量：當(dāng)熱力系以速度c做宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有宏觀動(dòng)能Ek；當(dāng)熱力系相對(duì)高度為zpEp由物理學(xué)可知，若設(shè)工質(zhì)質(zhì)量為m，則，1E=mc2；E=mgzk2p熱力系儲(chǔ)存能(或總能量)E是熱力學(xué)能和外部儲(chǔ)存能的總和，即(2－27a)(2－27a)(2－24a)(2－24a)kp2對(duì)于單位質(zhì)量的工質(zhì)而言，比儲(chǔ)存能 (2－24b)kp2三、熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式量的傳遞和交換。根據(jù)熱力學(xué)第一定律能量守恒的意系統(tǒng)可得到其一般表達(dá)式：進(jìn)入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)能量2－25)mdE=6Q+e6m6We6msy11tot22mWemsy11tot22Tsy2211totT(2－26a)(2－26b)式(2－26a、b)即為熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式的兩種形式。四、閉口系的能量方程——熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式E均無變化，即E=0，=0，因此系統(tǒng)能量的增量僅為熱力學(xué)能增量?U；與外界無質(zhì)Kp2對(duì)單位質(zhì)量工質(zhì)而言，有對(duì)于微元過程，有(2－27)(2－28)(2－28b)由式(2-27)可得出：在熱力過程中，熱力系從外界吸收的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的之為熱力學(xué)第一定律的基本表達(dá)式?；騰V1(2－27b)(2－28b)v從兩個(gè)例題中我們可以得出以下結(jié)論：與外界交換能量的形式不同；2)在解題時(shí)要注意各個(gè)變量正負(fù)號(hào)的規(guī)定，符號(hào)弄錯(cuò)，解出的結(jié)果會(huì)大相徑庭。五、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程(一)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)此定義，可得出穩(wěn)定流動(dòng)必須滿足的條件：(1)進(jìn)出熱力系的工質(zhì)流量相等且不隨時(shí)間變化，滿足質(zhì)量守恒；(2)系統(tǒng)內(nèi)部及邊界各質(zhì)點(diǎn)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而變，即系統(tǒng)進(jìn)出口工質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化(3)系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的能量保持不變，即單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)與外界交換的功和熱量等所有能量不隨時(shí)間變化。(二)流動(dòng)功ff將這一系統(tǒng)作為研究對(duì)象，那么使流體流入流出所必須的功應(yīng)為：22112211相應(yīng)的比流動(dòng)功為(三)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程(2－30a)(2－30b)千克的工質(zhì)流出系統(tǒng)，由穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的定義可知m1＝m2＝m。若設(shè)流入流出系統(tǒng)的比儲(chǔ)存能為e1、e2，則同樣由穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的條件可知它們均為常數(shù)，從而式(2－26b)中syt2211tott22112121t (222)(21)totshfshW＝W+W＝Wtotshfsh對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)而言，各處質(zhì)點(diǎn)參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化，則有據(jù)此分析，則穩(wěn)定系統(tǒng)的能量方程可寫為?E＝0sysyt2211tot21shf (2222)(121)sh (2222)(121)sh22211122121sh2sh若單位質(zhì)量的工質(zhì)流入流出系統(tǒng)，則有2sh(2－31)(2－32)于任何過程和工質(zhì)。同樣，對(duì)于微元過程，則有2shsh(四)技術(shù)功(2－31a)(2－32a)sh工工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和位能的變化，屬機(jī)械能機(jī)械能均是技術(shù)上可利用的能量，稱為技術(shù)功，用符號(hào)Wt表示即W=mc2+mgz+Wt2shQ=H+Wt單位質(zhì)量工質(zhì)有q=h+wt對(duì)上式變換可得(由H=U+(PV))QU=(PV)+W=Wt=W+Wft(2－33) (2－35)(2－36)工質(zhì)的體積功(膨脹功)轉(zhuǎn)化而來的。或者說，技術(shù)功是由熱能轉(zhuǎn)換所得的體積功扣除流動(dòng)對(duì)于可逆過程V1(2－13)1所以t1(2－37a)對(duì)于可逆的穩(wěn)定流動(dòng)過程，能量方程可表示為11(五)焓 (2－35a)在穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式的推導(dǎo)過程中，定義了一個(gè)新的物理量——焓。是工質(zhì)流經(jīng)開口系時(shí)所攜帶的總能量中取決于熱力學(xué)狀態(tài)的那部分能量。若工質(zhì)的動(dòng)能和位能忽略不計(jì)，則焓就表示隨工質(zhì)流動(dòng)而轉(zhuǎn)移的總能量。六、能量方程的應(yīng)用(一)葉輪式機(jī)械工質(zhì)流經(jīng)熱機(jī)所需時(shí)間很短，向外散發(fā)熱量很少，所以通常認(rèn)為q≈0。因此，穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)方程(2－32)可簡化為W=hhW=(hh)sh21(二)熱交換器熱力過程中的鍋爐、凝汽器、回?zé)峒訜崞?、冷凝器等都屬于熱交換器，即換熱器。在熱出口的宏觀動(dòng)能變化和位能變化，則能量方程(2－32)可簡化為Q=H=HH21(三)節(jié)流外界無功量的交換，因此穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程式(2－32)可簡化為h=0或h=h1滿足能量在“數(shù)量”上的守恒。然而任何一個(gè)不違反熱力學(xué)第一定律的熱力過程是否都能夠因?yàn)樯婕盁岈F(xiàn)象的熱力過程具有方向性。在生產(chǎn)實(shí)踐中，不僅需要分析熱力過程中能量轉(zhuǎn)換這一普遍規(guī)律的是獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律之外的熱力學(xué)第二定律，它和熱力學(xué)第一定律一起共同構(gòu)成熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。一、熱力過程的方向性TTLo04TTLo04行。這種不需外界幫助就能自動(dòng)進(jìn)行的過程稱為自發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。發(fā)過程都具有一定的方向性，具有不可逆性。非自發(fā)過程的進(jìn)行必須付出某種代價(jià)作為補(bǔ)償條件的。反映自發(fā)過程具有方向性和不可逆性這一規(guī)律的定律就稱為熱力學(xué)第二定律。表述方式克勞修斯(R?Clausius)說法：不可能將熱量自發(fā)的不付代價(jià)地從低溫物體傳送到高開爾文(L?Kelvin)－普朗克(M?Plank)說法：不可能制造出一種循環(huán)工作的熱機(jī)，它從單一熱源吸熱，使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ话l(fā)生其他任何變化?！獜臒峁D(zhuǎn)換的角度表述了熱力學(xué)第二定律。三、卡諾循環(huán)和卡諾定理po112W043途徑又是什么？卡諾循環(huán)和卡諾定理回答了這些問題。(一)卡諾循環(huán)及熱效率為了提高熱機(jī)的熱效率，早在1824年卡諾就提出了一種最理想的熱機(jī)循環(huán)，即著名的程特征，可推出卡諾熱機(jī)的熱效率為：CT(2－39)H(二)卡諾定理可卡諾定理一所證明，除卡諾定理一外，還有卡諾定理二，現(xiàn)分述如下：兩個(gè)溫度不同恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆熱機(jī)的熱效率恒高于不可逆熱機(jī)的熱效率。兩個(gè)定理的證明參考教材。HLHLT取什么工質(zhì)，如果時(shí)可逆的，其熱效率n=1一L；如果是不可逆的，其熱效率CTHTCTH通過分析卡諾循環(huán)和卡諾定理，可得出如下重要結(jié)論：1)在兩個(gè)恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，都等于相同溫限間卡諾循環(huán)的熱效率，其值只與熱源和冷源的溫度有關(guān)，而與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。際熱力循環(huán)的完善與發(fā)展有極重要的知道意義。三、變溫?zé)嵩吹目赡嫜h(huán)實(shí)實(shí)際循環(huán)中熱源的溫度并非恒溫度在爐膛中，過熱器和尾部煙道處如圖2-29所示的變溫?zé)嵩吹目傻蜏責(zé)嵩吹臏囟榷际窃谶B續(xù)變化中，工質(zhì)的溫度在吸熱和放熱過程中也在連續(xù)變化，并隨時(shí)保持與熱源溫度環(huán)可逆。為了分析和比較方便起見，對(duì)變溫?zé)嵩吹目赡嫜h(huán)引入平均吸熱溫度和平均放熱溫度的概念，將其abccda?，F(xiàn)針TT的溫度TH就可稱為變溫吸熱過程abc的溫度THSST=H=abc(2－HSS過程的放熱量以及熵變都和變溫放熱過程cda的相同，則該定溫放熱過程的溫度TL就可稱LSST=L=cda(2－LSS通常把在平均吸熱溫度和平均放熱溫度之間工作的相應(yīng)的卡諾循環(huán)ABCDA稱為該任循環(huán)相等，故其熱效率也與原循環(huán)相等。即n=1-LCTH(2－46)需計(jì)算，僅比較兩循環(huán)的平均吸熱溫度和平均放熱溫度即可。四狀態(tài)參數(shù)熵(不再細(xì)講，物化學(xué)習(xí)中已經(jīng)講解的很清楚了)五不可逆過程的熵變、熵流及熵產(chǎn)6Q對(duì)于可逆過程，工質(zhì)熵的變化可直接按定義式計(jì)算，即dS=re。該式說明了可逆過T程中熵的變化是由于工質(zhì)與外界進(jìn)行熱交換而引起的。那么，如果系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)所經(jīng)歷的過程下面以系統(tǒng)內(nèi)存在摩擦的不可你過程析其熵的變化。如圖所示，取氣缸內(nèi)工質(zhì)為熱力系，系統(tǒng)進(jìn)行一微元不可逆過程，過程中工質(zhì)化分別為dU、dS。由于熵是狀態(tài)參數(shù)，其變化兩只取決于初始狀態(tài)，與過程相同初始態(tài)的可逆過程進(jìn)行計(jì)算。用6Q表示該微元可逆過程中與外界交換的熱量，pdV表示該微元可逆過程中工質(zhì)所re作的功，則根據(jù)熵的定義式和熱力學(xué)第一定律表達(dá)式有：dS=dS=1gT工質(zhì)熱力學(xué)能的變化可根據(jù)上述微元不可你過程的情況表示為將其帶入熵變的計(jì)算公式可得即6QpdV6W6QpdV6WTT上式中，pdV6W為微元不可逆過程中由于系統(tǒng)內(nèi)部存在不可逆因素而引起的功的損失，常表示為6W。例如，當(dāng)存在摩擦?xí)r，由于摩擦使功損耗而變?yōu)闊?，所產(chǎn)生的摩擦熱1又為工質(zhì)所吸收，從而導(dǎo)致熵額外地增加。與f變稱為熵產(chǎn)。即dS=fT因此，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)經(jīng)歷不可你過程時(shí)，熵變量為熵流和熵產(chǎn)兩部分之和。即fg(2-56)逆過程，熵產(chǎn)也只等于零，無論什么過程都不會(huì)出現(xiàn)熵產(chǎn)小于零的情況。因此T或dS0g(2-57)失越大，熵產(chǎn)越大。16Q6WdS=dS+dS=+1=0。即可逆絕熱過程是一個(gè)等熵過程。若過程不可逆，則有fgTT1fgTT需要指出的是，在絕熱過程中，由于工質(zhì)與外界沒有熱量交換，所以在T－s圖上，虛線下的面積并不表示過程中工質(zhì)與外界交換的能量。p可以用來判斷過程是否可逆，也可以用來表針過程的不可逆程度，這是熵的物理意義之一。需指出的是，熵是狀態(tài)參數(shù)，在工程實(shí)踐中，如需計(jì)算某一不可逆過程的熵的變化量，可以在相同的初始狀態(tài)之間任選一個(gè)便于計(jì)算的可逆過程來計(jì)算，其結(jié)果是相同的。六、孤立系統(tǒng)的熵增原理沒有能量交換的孤立系統(tǒng)。fisog式中dS表示孤立系統(tǒng)總熵的變化量，等號(hào)適用于系統(tǒng)進(jìn)行可逆過程，不等號(hào)表示系你過程)但不可能減少，這一結(jié)論稱為孤立系統(tǒng)熵增原理?？梢詼p少，也可以保持不變，但就整個(gè)系統(tǒng)而言，總的熵變量為各部分熵變化的代數(shù)。(1)氣輪機(jī)的功率；(2)忽略進(jìn)、出口動(dòng)能變化引起的計(jì)算誤差。p2.理想氣體焓變計(jì)算式ppp(2)工程上為了在不影響計(jì)算精度的前提下，簡化了這一積分過程，常利用平均比熱容進(jìn)行計(jì)算。所謂平均比熱容是在一定溫度范圍(t1，t2)內(nèi)，真實(shí)比熱容的積分平均值jt2cdttt-t21平均比熱容的數(shù)值可通過查物性數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得。3.真實(shí)流體焓變計(jì)算方法二、單相流體熵變的計(jì)算dVT(?T)pT(?T)VpdVT(?T)pT(?T)VpVVppVVVTV1dTpdTpppTp1三、蒸發(fā)焓與蒸發(fā)熵2.4熱力學(xué)性質(zhì)圖表及其使用(以水蒸氣在定壓下的產(chǎn)生過程為例來說明圖、表的使用)性質(zhì)水蒸氣熱力性質(zhì)表或線圖來確定水蒸氣的狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)，熱力過程的分析計(jì)算也只能根據(jù)熱力學(xué)基本定律和熱力性質(zhì)圖表來進(jìn)行。.水蒸氣的飽和狀態(tài)(1)汽化：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的過程叫汽化，汽化有蒸發(fā)和沸騰兩種方式。確定的溫度下進(jìn)行，這一溫度稱為給定壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。(2)液化：物質(zhì)從氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)的過程稱為液化，也可稱為凝結(jié)。從微觀上講，它是氣體分子重新返回液面而成為液體分子的過程。液化與汽化是物質(zhì)相態(tài)變化的兩種相反過(3)飽和狀態(tài)將一定量的水置于密閉容器中，并設(shè)法將水面上方的空氣抽出，此時(shí)容處于動(dòng)態(tài)平衡。這種氣液兩相動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)下的蒸汽稱為飽和蒸力稱為飽和壓力用符號(hào)ps表示；該溫度稱為飽和溫度，用符號(hào)ts表示。飽和溫度和飽和壓2.水蒸汽的定壓產(chǎn)生過程定壓下水蒸氣的形成過程及水蒸氣的一般熱力性質(zhì)。假設(shè)將1kg、0℃的水裝在帶有活塞的氣缸中進(jìn)行定壓加熱，如圖3－15(1)所示。定壓下水蒸氣的發(fā)生過程可分為三個(gè)階段：(1)預(yù)熱階段低于飽和溫度的水稱為為保和水或過冷水。在p－v圖和T－s圖上用ap應(yīng)的飽和溫度ts時(shí)，變成了飽和水，如圖3－15(2)所示。飽和水狀態(tài)在p－v圖上和T－s圖上用b表示，如圖3－15’所示。飽和水的狀態(tài)參數(shù)除壓力和溫度外，其它參數(shù)下腳標(biāo)加熱，用q1表示，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有(3－85)(3－85)pbdb0v′v′′v0v′TeTbcTdapvTs示(2)汽化階段當(dāng)水定壓預(yù)熱到飽和溫度ts以后，繼續(xù)定壓加熱，飽和水便開始沸騰，相共存的狀態(tài)，稱為濕飽和蒸汽狀態(tài)，常簡稱為濕蒸汽狀態(tài)，圖(3)所示。隨著加熱過程稱為干飽和蒸汽，常簡稱干蒸汽狀態(tài)，如圖中(4)所示。在p－v圖和T－s圖用d表示。濕蒸汽中所含的干飽和蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為干度，用符號(hào)x表示。即x(3－90)式中，m——濕蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量；gm——濕蒸汽中水的質(zhì)量fm+m——濕蒸汽的質(zhì)量。fgd(3)過熱階段將干蒸汽繼續(xù)加熱，蒸汽溫度將升高，比體積增加，熵增加，因?yàn)榇穗A過熱蒸汽的溫度與同壓下飽和溫度之差稱為過熱度，用符號(hào)D表示。即顯然，過熱度越高，過熱蒸汽離飽和狀態(tài)越遠(yuǎn)。qs表示。則溫度隨之提高外，汽化階段的(vg－vf)和(sg－sf)值減少，汽化潛熱值隨壓力提高而減到臨界溫度時(shí)，液體將連續(xù)的由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，汽化在瞬間完成，汽化潛熱r＝0。C為飽和線。CN右側(cè)為過熱蒸汽區(qū)域；兩線之間為濕飽和蒸汽區(qū)域。兩線、三區(qū)域、五態(tài)。五態(tài)即未飽和水狀態(tài)、飽和水狀態(tài)、濕飽和狀態(tài)、濕飽和蒸汽狀態(tài)、干飽和蒸汽狀態(tài)和過熱蒸汽狀態(tài)。三、水蒸氣圖表零點(diǎn)的規(guī)定：根據(jù)國際規(guī)定，通常以三相點(diǎn)(611.66Pa、273.16K)下的飽和水作為基準(zhǔn)點(diǎn)，規(guī)定其熱力學(xué)能和熵的值為零。在工程計(jì)算中，一般近似認(rèn)為0℃時(shí)水的熱力學(xué)能、熱力性質(zhì)表：分兩種，一種以溫度排列；一種按壓力排列。濕蒸汽的狀態(tài)參數(shù)由飽和水和干蒸汽所組成，故可利用飽和水與飽和水蒸氣熱力性質(zhì)表，根據(jù)干度及該壓力下飽和水與干蒸汽的狀態(tài)參數(shù)按下列各式計(jì)算：xxx在查表時(shí)，常常要重復(fù)使用線性內(nèi)查法求得所需數(shù)據(jù)。舉例說明如《熱工理論及應(yīng)用》2．水蒸氣的焓熵圖成的。圖上繪有定壓線群、定容線群、定干度線群、定溫線群四組線群。定壓線群：在焓熵圖上為一組自左下方向右上方延伸的呈發(fā)散裝的線群，從右到左壓力定干度線群：即x等于常數(shù)的線群，與x＝1的延伸方向大致相同，定干度線只在濕蒸汽區(qū)才有，干度值大的在上，低的在下。線陡峭。與定壓線群相反，定容線群從右到左比體積逐漸減小。舉例如(同上)P79例5－3四、水蒸氣的基本熱力過程性質(zhì)圖表，并結(jié)合熱力學(xué)基本定律來分析水蒸氣的熱力過程。分析水蒸氣的熱力過程時(shí)，設(shè)過程均可逆，一般步驟為：(1)用水蒸氣圖表由初態(tài)的已知參數(shù)確定其他參數(shù)；(2)根據(jù)過程性質(zhì)，如定壓、定熵等，加上終態(tài)的已知參數(shù)確定終態(tài)及終態(tài)其他參(3)根據(jù)已求得的初終態(tài)參數(shù)，應(yīng)用熱力學(xué)基本定律計(jì)算熱量和功量。定壓過程和定熵過程在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中應(yīng)用最多。t點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合過程特點(diǎn)，利用能量方程式可得到：即定壓過程的熱量等于焓差。2．絕熱過程絕熱過程在蒸汽動(dòng)力裝置中也是實(shí)施比較普遍的一種過程，如水蒸氣在氣輪機(jī)內(nèi)的膨脹則可逆的絕熱過程是定熵過程。在此我們討論此過程。根據(jù)給出的初終態(tài)參數(shù)差圖表得到各參數(shù)，結(jié)合過程特點(diǎn)，利用能量方程得到即定熵過程的技術(shù)功等于焓降。熱量等于過程中工質(zhì)的焓增。具有一定的焓值的過熱蒸汽再進(jìn)入氣輪機(jī)，將此焓值轉(zhuǎn)換為技工程上，水蒸氣在氣輪機(jī)內(nèi)的絕熱膨脹過程和水在水泵中的絕熱壓縮過程因存在摩擦等內(nèi)效率n來反映水蒸氣實(shí)際絕熱過程的不可逆程度，n定義為nnn=12'=n=12'=t12t二、熱力學(xué)性質(zhì)圖熱力學(xué)基本定律和熱力性質(zhì)圖表來進(jìn)行。一、水蒸氣的飽和狀態(tài)：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的過程叫汽化，汽化有蒸發(fā)和沸騰兩種方式。發(fā)表面積，利用風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫提高蒸發(fā)氣流的速率等措施來提高蒸發(fā)速度，提高冷卻水塔的工作效率。騰是在液體的內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生的劇烈汽化現(xiàn)象。在給定的壓力下，沸騰只能在一個(gè)相應(yīng)的飽和溫度。2．液化：物質(zhì)從氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)的過程稱為液化，也可稱為凝結(jié)。從微觀上講，它是氣體分子重新返回液面而成為液體分子的過程。液化與汽化是物質(zhì)相態(tài)變化的兩種相反過飽和狀態(tài)下的水稱為飽和水。處于飽和狀態(tài)時(shí)，蒸汽和水的壓力相同，溫度相等。該壓力稱ss為飽和壓力用符號(hào)p表示；該溫度稱為飽和溫度，用符號(hào)tss一對(duì)應(yīng)，改變飽和溫度，飽和壓力也會(huì)起相應(yīng)的變化，飽和溫度越高，飽和壓力也越高。二、水蒸汽的定壓產(chǎn)生過程1．工程上所用的水蒸氣是在鍋爐中定壓加熱產(chǎn)生的。以如圖3－15所示的簡單裝置來觀察定壓下水蒸氣的形成過程及水蒸氣的一般熱力性質(zhì)。假設(shè)將1kg、0℃的水裝在帶有活塞的氣缸中進(jìn)行定壓加熱，如圖3－15(1)所示。定壓下水蒸氣的發(fā)生過程可分為三個(gè)階(1)預(yù)熱階段低于飽和溫度的水稱為為保和水或過冷水。在p－v圖和T－s圖上用a表示壓力p下的過冷水，如圖3－15’所示。在維持壓力不變的條件下，隨著加熱過程的進(jìn)的熱量稱為液體熱，用q1表示，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有pbdb0v′v′′v0v′TeTbcTda(2)汽化階段當(dāng)水定壓預(yù)熱到飽和溫度ts以后，繼續(xù)定壓加熱，飽和水便開始沸騰，相共存的狀態(tài)，稱為濕飽和蒸汽狀態(tài)，常簡稱為濕蒸汽狀態(tài)，圖(3)所示。隨著加熱過程p－v圖和T－s圖用d表示。對(duì)于干蒸汽，狀態(tài)參數(shù)除壓力、溫度外均加一上角標(biāo)：′′以示和其x=vm+mvw(3－90)式中，m——濕蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量；vm——濕蒸汽中水的質(zhì)量wm+m——濕蒸汽的質(zhì)量。vwd(3)過熱階段將干蒸汽繼續(xù)加熱，蒸汽溫度將升高，比體積增加，熵增加，因?yàn)榇穗A段的蒸汽溫度高于同壓下的飽和溫度，故稱為過熱蒸汽。過熱蒸汽的溫度與同壓下飽和溫度之差稱為過熱度，用符號(hào)D表示。即顯然，過熱度越高，過熱蒸汽離飽和狀態(tài)越遠(yuǎn)。顯然，過熱度越高，過熱蒸汽離飽和狀態(tài)越遠(yuǎn)。qs表示。則溫度隨之提高外，汽化階段的(v′′－v′)和(s′′－s′)值減少，汽化潛熱值隨壓力提高而減再有區(qū)別，稱為同一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，此點(diǎn)稱為臨界狀態(tài)點(diǎn)，如圖中從點(diǎn)所示。水蒸氣的臨碣參數(shù)到臨界溫度時(shí)，液體將連續(xù)的由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，汽化在瞬間完成，汽化潛熱r＝0。性極小，可認(rèn)為其比體積不隨壓力而變化，在p－v圖上這些狀態(tài)點(diǎn)的連線為垂直于v坐標(biāo)pvTs點(diǎn)隨壓力升高而右移，將p－又稱為下界限線。又稱為上界限線。C起稱為飽和線。飽和蒸氣線CN右側(cè)為過熱蒸汽區(qū)域；兩線之間為濕飽和蒸汽區(qū)域。綜上所述，水的相變過程在水蒸氣的p－v圖和T－s圖所表示的規(guī)律可歸納為：一點(diǎn)、、五態(tài)。五態(tài)即未飽和水狀態(tài)、飽和水狀態(tài)、濕飽和狀態(tài)、濕飽和蒸汽狀態(tài)、干飽和蒸汽狀態(tài)和過熱蒸汽狀態(tài)。過熱器內(nèi)吸收。當(dāng)壓力升高時(shí)，液體熱和過熱熱所占的比例增大，汽化熱所占的比例減三、水蒸氣圖表零點(diǎn)的規(guī)定：根據(jù)國際規(guī)定，通常以三相點(diǎn)(611.66Pa、273.16K)下的飽和水作為基準(zhǔn)點(diǎn)，規(guī)定其熱力學(xué)能和熵的值為零。在工程計(jì)算中，一般近似認(rèn)為0℃時(shí)水的熱力學(xué)能、干蒸汽的狀態(tài)參數(shù)按下列各式計(jì)算：xxx在查表時(shí)，常常要重復(fù)使用線性內(nèi)查法求得所需數(shù)據(jù)。舉例說明如《熱工理論及應(yīng)用》熵圖成的。圖上繪有定壓線群、定容線群、定干度線群、定溫線群四組線群。定壓線群：在焓熵圖上為一組自左下方向右上方延伸的呈發(fā)散裝的線群，從右到左壓力熱區(qū)，定壓線的斜率隨著溫度的增加而增加，故為向上翹的曲線。溫度高的在上，低的在下。定干度線群：即x等于常數(shù)的線群，與x＝1的延伸方向大致相同，定干度線只在濕蒸汽區(qū)才有，干度值大的在上，低的在下。3四、水蒸氣的基本熱力過程研究水蒸氣熱力過程的目的和理想氣體熱力過程一樣，即：(1)確定過程初態(tài)與終態(tài)的(1)用水蒸氣圖表由初態(tài)的已知參數(shù)確定其他參數(shù)；(2)根據(jù)過程性質(zhì)，如定壓、定熵等，加上終態(tài)的已知參數(shù)確定終態(tài)及終態(tài)其他參3.4化工過程熱力學(xué)分析的三種方法及其比較基本原則(以上內(nèi)容理解概念：理想功、損失功、熱力學(xué)效率、有效能、無效能及合理用能的基本原的變化。實(shí)際上，在很多熱力設(shè)備中，能量轉(zhuǎn)換時(shí)工質(zhì)的流動(dòng)速度和熱力狀態(tài)是同時(shí)變化的，如蒸汽在氣輪機(jī)中的噴管內(nèi)流動(dòng)，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，蒸汽以很高的速度沖向葉片，起動(dòng)能變化，其能量轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜，需要專門研究。一、穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式根據(jù)已學(xué)過的熱力學(xué)基本知識(shí)來分析工質(zhì)的一維穩(wěn)定流動(dòng)，所用到的基本方程式歸納起來不外乎是質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及反映工質(zhì)狀態(tài)變化的過程方程。1．連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式是在質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上建立起來的，可以表述為：單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熱力系的工質(zhì)質(zhì)量與流出熱力系的工質(zhì)質(zhì)量相等，且等于常數(shù)。連續(xù)性方程式普遍適用于任何工質(zhì)和任何過程的穩(wěn)定而連續(xù)的流動(dòng)。值，不隨時(shí)間而變。m1m2f，1f，21212根據(jù)質(zhì)量守恒定律：Apc=Apc=const111222AcAc11=22=constvv2Avc (5－1b)1)對(duì)于不可壓流體(dv=0)，如液體等，流體速度的改變?nèi)Q于截面的改變，截面f2)對(duì)于氣體等可壓流，流速的變化取決于截面和比體積的綜合變化。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)。其能量方程為2122121sh(5－10)M=(5－10)a因此上式簡化為即1212222(5－3a)(5－3a)即得cdc=-dh(5－3b)結(jié)論：1、氣體動(dòng)能的增加等于氣流的焓降。2、任一截面上工質(zhì)的焓與其動(dòng)能之和保持定值根據(jù)熱力學(xué)第一定律的解析式，對(duì)于絕熱過程有將式(5－4)和式(5－3b)對(duì)比可得 工凡是用來使氣流將壓增速的短管稱為噴管，用來使氣流增壓減速的短管稱為擴(kuò)壓管。程式dPdp兩邊微分可得 ccpv從物理學(xué)可知，聲速是微弱擾動(dòng)波在連續(xù)介質(zhì)中的傳播速度，用符號(hào)ca表示，?？蓪⒊炭醋魇嵌剡^程。理想氣體=kpv=kRgT(5理想氣體=kpv=kRgT(5－9)sc稱為馬赫數(shù)，用M<1M=1M>1亞聲速流動(dòng)聲速流動(dòng)超聲速流動(dòng)三、氣體在噴管和擴(kuò)壓管中的定熵流動(dòng)1．利用上述絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的三個(gè)基本方程，通過理論推導(dǎo)，可得到以馬赫數(shù)為參變量的截面積與流速變化的關(guān)系(5－11)(5－11)Ac該式稱為管內(nèi)流動(dòng)的特征方程，它說明了管內(nèi)流動(dòng)時(shí)速度變化所需的幾何條件。管中流動(dòng)時(shí)，對(duì)管道截面積的變化規(guī)律要求不同，分析如下：聲速氣流為降壓增速進(jìn)入噴管時(shí)，則要求沿流動(dòng)方向噴管截面面積應(yīng)逐漸縮小。這種沿流動(dòng)方向流道截面面積逐漸減小的噴管稱為漸縮噴管，如圖5－聲速氣流為降壓增速進(jìn)入噴管時(shí)，則要求沿流動(dòng)方向噴管截面面積應(yīng)逐漸增大。這種沿流動(dòng)方向流道截面面積逐漸增大的噴管稱為漸擴(kuò)噴管，如圖5－(3)工程上許多場合要求將流體從M<1連續(xù)加速到M>1，則噴管截面面積變化必然是先收縮而后擴(kuò)張，中間有一最小截面。這最小截面稱為喉部，是亞聲速與超聲速氣流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這種先收縮后擴(kuò)張的噴管稱為縮放噴管，又稱c=c=kpv(5－12)cra,ctcrcr的計(jì)算由能量方程可推得(忽略進(jìn)口流速c1的影響)c=2(hh)212(5－13a)可適用于任何工質(zhì)。對(duì)于水蒸氣，可由給的條件在焓－熵圖上查得。對(duì)于理想氣體，可由理想氣體計(jì)算焓的方程式得出進(jìn)出口的焓值。臨界壓力pcr與進(jìn)口(初速c1≈0)壓力p1之比稱為臨界壓力比，用cr(某些參考書上(5－14(5－14a)用符號(hào)βcr)表示。即pD=D=cr1臨界壓力比的數(shù)值取決于工質(zhì)的性質(zhì)，不同初態(tài)蒸汽的臨界壓力比的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：蒸汽：D=0.546cr干飽和蒸汽：D=0.577cr蒸汽的壓力大約降到噴管入口壓力的一半時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)臨界狀態(tài)。cr出口壓力最低只能降到臨界壓力pcr。因此，當(dāng)噴管出口外界背壓pb大于臨界壓力pcr時(shí) 減小，當(dāng)pb＝pcr時(shí)，噴管出口截面處的壓力p2＝pb＝pcr，出口速度可達(dá)到M＝1。若背可以根據(jù)噴管出口外的背壓pb與進(jìn)口工質(zhì)初壓p1之比值pb/p1和臨界壓力比Dcr相比較，從而決定選用哪一種型式的噴管。因此，當(dāng)pb/p1≥Dcr(即pb≥pcr)時(shí)，應(yīng)采用漸縮噴管；當(dāng)pb/p1<Dcr(pb<pcr)流體流經(jīng)噴管的質(zhì)量流量可根據(jù)連續(xù)性方程式(5－1)，由任意截面的截面積、流體流速和比體積計(jì)算可得。通常取最小截面處進(jìn)行計(jì)算=2=222前面對(duì)工質(zhì)在噴管內(nèi)絕熱流動(dòng)的討論都認(rèn)為是可逆絕熱流動(dòng)，即圖5－6所示的定熵過程1－2。而工質(zhì)在噴管內(nèi)的流動(dòng)實(shí)際上由于流體的粘性，則不可避免的存在著摩擦，使一部分已經(jīng)生成的動(dòng)能重新轉(zhuǎn)化為熱能而被工質(zhì)吸收，所示實(shí)際的管內(nèi)流動(dòng)不是絕熱可逆流動(dòng)，而是熵增大的過程，如圖中1－2′所示。有圖可知，雖然工質(zhì)經(jīng)歷了相同的焓降，但口的動(dòng)能減小，即工質(zhì)的實(shí)際出口流速c'小于可逆絕熱過程的出口流速c。22工程中常用速度系數(shù)來度量實(shí)際出口流速的下降。即c'cQ=2(5－16)c2素有關(guān)。一般在0.92~0.98之間。工程上常按可逆絕熱過程先求出c，再有Q值修正而求2得c'。即22221五、絕熱節(jié)流及其應(yīng)用由于局部阻力使流體的壓力下降的現(xiàn)象稱為節(jié)流。如果節(jié)流過程中流體與外界沒有熱交換，過節(jié)流孔時(shí)流速較大，來不及與外界交換熱量，因此，電廠中的節(jié)流都可以看作是絕熱節(jié)流。2．節(jié)流過程的一般分析(1)節(jié)流過程的基本特性phc和p2、h2、c2。因?yàn)樯鲜鰞山孛婢鶠榉€(wěn)定流動(dòng)的絕熱流動(dòng)，應(yīng)滿足穩(wěn)定流動(dòng)絕熱流動(dòng)能量方程式。1222程的能量方程式就變?yōu)?2節(jié)流過程的基本特性。(2)水蒸氣的絕熱節(jié)流節(jié)流前后焓值不變的特點(diǎn)，可以很方便的在h－s圖上確定出節(jié)流后狀態(tài)參數(shù)的變化情況。進(jìn)一步節(jié)流后甚至?xí)優(yōu)檫^熱蒸汽。(3)絕熱節(jié)流后做功能力的變化g了。如圖所示，蒸汽不經(jīng)節(jié)流直接進(jìn)入氣輪機(jī)絕熱膨脹做功時(shí)，過程按1－2進(jìn)行，所以做－2′，所作技術(shù)功為w'=h'h'。雖然h=h'，但h'>h，使(h'h')>(hh)，即水t1211221212蒸氣絕熱節(jié)流后做功能力降低了。工程上常用絕熱節(jié)流降壓的特性為生產(chǎn)服務(wù)。(1)利用節(jié)流降低工質(zhì)的壓力高壓氣瓶的瓶口處裝有調(diào)節(jié)閥，改變閥門的開度，就可得到所需要的低壓氣體。(2)利用節(jié)流測定蒸汽流量體積流量與該壓力差成正比。所以只要測量孔板前后的壓力差，就可直接測出流量。(3)利用節(jié)流減少氣輪機(jī)氣封系統(tǒng)的蒸汽泄漏量常常采用梳齒形氣封以減少蒸汽泄漏量。如圖所示，壓力為p1的蒸汽通過每個(gè)氣封時(shí)都經(jīng)理一次節(jié)流，使蒸汽的壓力逐漸下降至氣封后壓力p2，由于漏氣量的大小取決于每一氣封齒前后的壓差，當(dāng)氣封齒數(shù)增加時(shí)，在總壓力差(p1－p2)不變的條件下，每一氣封齒前后的壓力差減小，因此增加氣封齒數(shù)就能減小蒸汽泄漏量。(4)利用節(jié)流調(diào)節(jié)氣輪機(jī)的功率門，蒸汽壓力增大，流量增大，達(dá)到增加電負(fù)荷的目的。對(duì)一個(gè)循環(huán)做熱力學(xué)分析，主要是分析循環(huán)中功量和熱量以及循環(huán)的熱效率，若別是要分析影響循環(huán)熱效率的主要因素以及提高循環(huán)效率的措施，以減少燃料消耗，降低發(fā)電成本。通過前面各章的學(xué)習(xí)我們已經(jīng)掌握了熱力學(xué)兩大基本定律、氣體和蒸汽的熱力性質(zhì)及其熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)形的基本途徑和方法。水蒸氣的卡諾循環(huán)的大小與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只取決于熱源和冷源的溫度，T即n=1L。tTH卡諾循環(huán)由兩個(gè)定溫過程和兩個(gè)絕熱過程所組成。從為在飽和水的定壓汽化和飽和蒸汽的定壓凝結(jié)過程中，水T4T4HTL2s環(huán)在蒸汽動(dòng)力裝置中并不被應(yīng)用?？ㄖZ循環(huán)只可以應(yīng)用于飽和蒸汽區(qū)，這使得可利用的溫差不大，導(dǎo)致循環(huán)熱效率不高。HH最高不能超過374℃，否則就不能實(shí)現(xiàn)定溫吸熱過程。所以，雖然鍋爐的爐膛溫度可達(dá)到都不能被利用。同時(shí)，因放熱溫度的下限為大氣溫度，這使得卡諾循環(huán)可利用的溫差不大，循環(huán)的熱效率受到限制。汽只部分凝結(jié)，圖中的3點(diǎn)處一方面耗功也很大。水蒸氣按卡諾循環(huán)時(shí)，1－2絕熱膨脹過程的終態(tài)蒸汽濕度很大，對(duì)氣0.85~0.88。由于以上原因，雖然以水蒸氣作為工質(zhì)可以構(gòu)成卡諾循環(huán)，但在實(shí)際上它并不被采用。不過，研究水蒸氣作為工質(zhì)的卡諾循環(huán)有助于更好的了解實(shí)際裝置所采用的基本循環(huán)的作用、原理及其存在的問題，同時(shí)也有助于對(duì)基本循環(huán)提出各種改進(jìn)的方向和辦法。2．朗肯循環(huán)過程的終。針對(duì)卡諾循環(huán)中工質(zhì)加熱溫度不高和做功后乏汽濕度過大的問題，我們將吸熱過程線4－1高循環(huán)過程的平均吸熱溫度，可達(dá)到提高溫差、增加氣輪機(jī)乏汽干度的目的。用此種方法構(gòu)成的切實(shí)可行的蒸汽循環(huán)稱為朗肯循環(huán)，其初終態(tài)參數(shù)不像在濕蒸汽區(qū)的應(yīng)用的最基本的熱力循環(huán)。(1)教材圖5－32為朗肯循環(huán)的裝置示意圖。水首先在鍋爐和過熱器中定壓加熱，由輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)中作完工的乏汽排入凝汽器中，對(duì)冷卻水定壓放熱凝結(jié)成飽和熱膨脹、定壓壓縮和絕熱壓縮四大過程，使熱能不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。4一1過程：水在鍋爐和過熱器中吸熱，由未飽和水變?yōu)檫^熱蒸汽。過程中工質(zhì)與外界無技術(shù)功交換。溫度升高、比體積、熵增大。1一2過程：過熱蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹，對(duì)外作功，并有少量散熱損失。在汽輪機(jī)出口，工質(zhì)達(dá)到低壓下濕蒸汽狀態(tài)，稱為乏汽。比體積增加、熵不變。冷卻水放熱，凝結(jié)為飽和水。比體p力下的飽和水。3－4過程：水泵將凝結(jié)水壓力提高，再次送入鍋爐。過程中消耗外功。由于水的壓縮性很小，3－4過程：水泵將凝結(jié)水壓力提高，再次送入鍋爐。過程中消耗外功。由于水的壓縮性很小，(2)朗肯循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)：循環(huán)中工質(zhì)在鍋爐內(nèi)定壓加熱所吸收的熱量q=hh14q=hh223氣輪機(jī)中工質(zhì)對(duì)外做功為w=hh水泵中消耗的外功為w=hh3443去水泵所消耗的功，即012341243循環(huán)的熱效率為n=12=0=1243tqn=12=0=1243tqqhh111412n=12thhn=1thh'式中，h——過熱蒸汽的焓，kJ/kg；1h——?dú)廨啓C(jī)出口乏