熱動(dòng)專業(yè)英語第一章

熱動(dòng)專業(yè)英語第一章2023/6/111第一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/112COURSEOUTLINESchedule:8:00-9:50TuesdayOrganiser:

QianJinE-mail:

qianjinbox@163.comPhoneextbook:熱能與動(dòng)力工程專業(yè)英語（SpecializedEnglishforThermalEnergy&PowerEngineering）(3th)

閻維平，中國(guó)電力出版社（第三版）第二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/113CourseGoals:

TounderstandthebasiccharacteristicsofSpecializedEnglish.Torecognizesometechnicalwordsinthermalenergyandpowerengineering.Toknowhowtowritetheabstractforapaperorathesis(P155).Grading:

Attendance20% Finalexam80%第三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/114第四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/115

Chapter1IntroductiontoThermalSciences

1.1FundamentalofengineeringthermodynamicsThermodynamicsisascienceinwhichthestorage,transformation,andtransferofenergyarestudied.Energyisstoredasinternalenergy(associatedwithtemperature),kineticenergy(duetomotion),potentialenergy(duetoelevation)andchemicalenergy(duetochemicalcomposition);itistransformedfromoneoftheseformstoanother;anditistransferredacrossaboundaryaseitherheatorwork.第五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/116第一章熱科學(xué)介紹1.1工程熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是一門研究能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)換及傳遞的科學(xué)。能量以內(nèi)能（與溫度有關(guān)）、動(dòng)能（由物體運(yùn)動(dòng)引起）、勢(shì)能（由高度引起）和化學(xué)能（與化學(xué)組成相關(guān)）的形式儲(chǔ)存。不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，而且能量在邊界上可以以熱和功的形式進(jìn)行傳遞。第六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/117Inthermodynamics,wewillderiveequationsthatrelatethetransformationandtransfersofenergytopropertiessuchastemperature,pressure,anddensity.Substancesandtheirproperties,thus,becomeveryimportantinthermodynamics.Manyofourequationswillbebasedonexperimentalobservationthathavebeenorganizedintomathematicalstatementsorlaws;thefirstandsecondlawsofthermodynamicsarethemostwidelyused.第七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/118在熱力學(xué)中，我們將推導(dǎo)有關(guān)能量轉(zhuǎn)化和傳遞與物性參數(shù)，如溫度、壓強(qiáng)及密度等關(guān)系間的方程。因此，在熱力學(xué)中，物質(zhì)及其性質(zhì)變得非常重要。許多熱力學(xué)方程都是建立在實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)之上，而且這些實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果已被整理成數(shù)學(xué)表達(dá)式或定律的形式。其中，熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用最為廣泛。第八頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1191.1.1ThermodynamicsystemandcontrolvolumeAthermodynamicsystemisafixedquantityofmattercontainedwithinsomeenclosure.Thesurfaceisusuallyanobviousone(likethatsurroundingthegasinthecylinder).However,itmaybeanimaginedboundary(likethedeformingboundaryofacertainamountofmassasitflowsthroughapump).Allmatterandspaceexternaltoasystemiscollectivelycalleditssurroundings.Thermodynamicsisconcernedwiththeinteractionsofasystemanditssurroundings第九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11101.1.1熱力系統(tǒng)和控制體

熱力系統(tǒng)是一包圍在某一封閉邊界內(nèi)的具有固定質(zhì)量物質(zhì)的系統(tǒng)。系統(tǒng)邊界通常是比較明顯的（如氣缸內(nèi)氣體的固定邊界）。然而，系統(tǒng)邊界也可以是假想的（如一定質(zhì)量的流體流經(jīng)泵時(shí)不斷變形的邊界）。系統(tǒng)之外的所有物質(zhì)和空間統(tǒng)稱外界或環(huán)境。熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)與外界或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用。系統(tǒng)通過在邊界上進(jìn)行能量傳遞，從而與外界進(jìn)行相互作用，但在邊界上沒有質(zhì)量交換。當(dāng)系統(tǒng)與外界間沒有能量交換時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。

第十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1111Inmanycases,ananalysisissimplifiedifattentionisfocusedonaparticularvolumeinspaceintowhich,orfromwhich,asubstanceflows.Suchavolumeisacontrolvolume.Apump,aturbine,andaninflatingordeflatingballoonareexamplesofcontrolvolumes.Thesurfacethatcompletelysurroundsthecontrolvolumeiscalledacontrolsurface.Thus,wemustchoose,inaparticularproblem,whetherasystemistobeconsideredorwhetheracontrolvolumeismoreuseful.Ifthereismassfluxacrossaboundary,thenacontrolvolumeisrequired;otherwise,asystemisidentified.第十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1112在許多情況下，當(dāng)我們只關(guān)心空間中有物質(zhì)流進(jìn)或流出的某個(gè)特定體積時(shí)，分析可以得到簡(jiǎn)化。這樣的特定體積稱為控制體。例如泵、透平、充氣或放氣的氣球都是控制體的例子。包含控制體的表面稱為控制表面。因此，對(duì)于具體的問題，我們必須確定是選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象有利還是選取控制體作為研究對(duì)象有利。如果邊界上有質(zhì)量交換，則選取控制體有利；反之，則應(yīng)選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象。第十二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11131.1.2Equilibrium,processandcycleWhenthetemperatureofasystemisreferredto,itisassumedthatallpointsofthesystemhavethesame,oressentiallythesame,temperature.Whenthepropertiesareconstantfrompointtopointandwhenthereisnotendencyforchargewithtime,aconditionofthermodynamicequilibriumexists.Ifthetemperature,say,issuddenlyincreasedatsomepartofthesystemboundary,spontaneousredistributionisassumedtooccuruntilallpartsofthesystemareatthesametemperature.第十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1114Whenasystemchangesfromoneequilibriumstatetoanother,thepathofsuccessivestatesthroughwhichthesystempassesiscalledaprocess.If,inthepassingfromonestatestothenext,thedeviationfromequilibriumisinfinitesimal,aquasi-equilibriumprocessoccurs,andeachstateintheprocessmaybeidealizedasanequilibriumstate.Quasi-equilibriumprocessescanapproximatemanyprocesses,suchasthecompressionandexpansionofgasesinaninternalcombustionengine,withnosignificantlossofaccuracy.Ifthesystemgoesfromoneequilibriumstatetoanotherthroughaseriesofnonequilibriumstates(asincombustion),anonequilibriumprocessoccurs.第十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11151.1.2平衡、過程和循環(huán)對(duì)于某一參考系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度完全相同。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的特性參數(shù)均相同且不隨時(shí)間變化時(shí)，則稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)邊界某部分的溫度突然上升時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處相同。當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所經(jīng)歷的一系列由中間狀態(tài)組成的變化歷程稱為過程。若從一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的過程中，始終無限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，可以把其中任一個(gè)中間狀態(tài)看作為平衡狀態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過程可近似視為許多過程的疊加結(jié)果，而不會(huì)顯著減小其精確性，例如氣體在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的壓縮和膨脹過程。如果系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)（如燃燒），從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)，則其過程為非平衡過程。

第十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1116Whenasysteminagiveninitialstateexperiencesaseriesofprocessesandreturnstotheinitialstate,thesystemundergoesacycle.Attheendofthecycle,thepropertiesofthesystemhavethesamevaluestheyhadatthebeginning.Theprefixiso-isattachedtothenameofanypropertythatremainsunchangedinaprocess.Atisothermalprocessisoneinwhichthetemperatureisheldconstant;inanisobaricprocess

第十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1117當(dāng)系統(tǒng)從一給定的初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間過程又回到其初始狀態(tài)，則稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)。循環(huán)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)中的各參數(shù)又與初始參數(shù)相同。在任一特性參數(shù)名稱前加上前綴iso-，表示該參數(shù)在整個(gè)過程保持不變。等溫（isothermal）過程中溫度保持不變；等壓（isobaric）過程中壓強(qiáng)恒定；等容（isometric）過程中體積保持不變。

第十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11181.1.3Vapor-liquidphaseequilibriuminapuresubstanceConsiderasasystem1kgofwatercontainedinthepiston/cylinderarrangementshowninFig.1-1(a).Supposethatthepistonandweightmaintainapressureof0.1MPainthecylinderandthattheinitialtemperatureis20℃.Asheatistransferredtothewater,thetemperatureincreasesappreciably,thespecificvolumeincreasesslightly,andthepressureremainsconstant.Whenthetemperaturereaches99.6℃,additionalheattransferresultsinachangeofphase,asindicatedinFig.1-1(b).第十八頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1119Thatis,someoftheliquidbecomesvapor,andduringthisprocessboththetemperatureandpressureremainconstant,butthespecificvolumeincreasesconsiderably.Whenthelastdropofliquidhasvaporized,furthertransferofheatresultsinanincreaseinbothtemperatureandspecificvolumeofthevapor,asshowninFig.1-1(c).第十九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11201.1.3純物質(zhì)的氣-液相平衡如圖1-1(a)所示，由活塞和氣缸組成的裝置中裝有1kg水。假定活塞和其上的重物使氣缸內(nèi)壓強(qiáng)維持在0.1Mpa，初始溫度20℃。當(dāng)有熱量開始傳遞給水時(shí)，缸內(nèi)水溫迅速上升，而比容略有增加，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定不變。當(dāng)水溫達(dá)到99.6℃時(shí)，如若再增加傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖1-1(b)所示。也就是說，一部分水開始?xì)饣優(yōu)檎羝?，在此相變過程中，溫度和壓強(qiáng)始終保持不變，但比容卻有大幅度的增加。當(dāng)最后一滴液體被氣化時(shí)，進(jìn)一步的加熱將使蒸汽溫度和比容均有所增加，如同1-1(c)所示。第二十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1121Thetermsaturationtemperaturedesignatesthetemperatureatwhichvaporizationtakeplaceatagivenpressure.Thepressureiscalledthesaturationpressureforthegiventemperature.Thus,forwaterat99.6℃thesaturationpressureis0.1MPa,andforwaterat0.1MPathesaturationtemperatureis99.6℃.第二十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1122Ifasubstanceexistsatthesaturationtemperatureandpressure,itiscalledsaturatedliquid.Ifthetemperatureoftheliquidislowerthanthesaturationtemperaturefortheexistingpressure,itiscalledeitherasubcooledliquid(implyingthatthetemperatureislowerthanthesaturationtemperatureforthegivenpressure)oracompressedliquid(implyingthatthepressureisgreaterthanthesaturationpressureforthegiventemperature).第二十二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1123在給定壓強(qiáng)下發(fā)生氣化的溫度稱為飽和溫度，壓強(qiáng)稱為給定溫度下的飽和壓強(qiáng)。因此，99.6℃水的飽和壓強(qiáng)是0.1MPa，0.1MPa水的飽和溫度為99.6℃。如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，則稱該液體為飽和液體。如果液體溫度低于當(dāng)前壓強(qiáng)下的飽和溫度，則稱該液體為過冷液體（表明液體的當(dāng)前溫度低于給定壓強(qiáng)下的飽和溫度）或壓縮液體（表明液體的當(dāng)前壓強(qiáng)大于給定溫度下的飽和壓強(qiáng)）。第二十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1124Whenasubstanceexistsaspartliquidandpartvaporatthesaturationtemperature,itsqualityisdefinedastheratioofthemassofvaportothetotalmass.Thus,inFig.1-1(b),ifthemassofthevaporis0.2kgandthemassoftheliquidis0.8kg,thequalityis0.2or20%.Qualityhasmeaningonlywhenthesubstanceisinasaturatedstate.第二十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1125Ifasubstanceexistsasvaporatthesaturationtemperature,itiscalledsaturatedvapor.(Sometimesthetermdrysaturatedvaporisusedtoemphasizethatthequalityis100%).Whenthevaporisatatemperaturegreaterthanthesaturationtemperature,itissaidtoexistassuperheatedvapor.Thepressureandtemperatureofsuperheatedvaporareindependentproperties,sincethetemperaturemayincreasewhilethepressureremainsconstant.第二十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1126若某一工質(zhì)在飽和溫度下以液、氣共存的形式存在，則稱蒸汽質(zhì)量與總質(zhì)量之比為干度。因此，如圖1-1(b)所示，若蒸汽質(zhì)量為0.2kg，液體質(zhì)量為0.8kg，則其干度為0.2或20%。干度只有在飽和狀態(tài)下才有意義。若某一工質(zhì)處于飽和溫度下并以蒸汽形態(tài)存在，則稱該蒸汽為飽和蒸汽（有時(shí)稱為干飽和蒸汽，意在強(qiáng)調(diào)其干度為100%）。當(dāng)蒸汽溫度高于其飽和溫度時(shí)，則稱之為過熱蒸汽。過熱蒸汽的壓強(qiáng)和溫度是彼此獨(dú)立的，因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)，壓強(qiáng)可能保持不變。第二十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1127Letusplotonthetemperature-volumediagramofFig.1-2theconstant-pressurelinethatrepresentsthestatesthroughwhichthewaterpassesasitisheatedfromtheinitialstateof0.1MPaand20C.LetstateArepresenttheinitialstate,Bthesaturated-liquidstate(99.6C),andlineABtheprocessinwhichtheliquidisheatedfromtheinitialtemperaturetothesaturationtemperature.PointCisthesaturated-vaporstate,andlineBCistheconstant-temperatureprocessinwhichthechangeofphasefromliquidtovaporoccurs.LineCDrepresentstheprocessinwhichthesteamissuperheatedatconstantpressure.Temperatureandvolumebothincreaseduringthisprocess.第二十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1128在圖1-2所示的溫度-比容圖上作等壓線，表示水由初壓0.1MPa、初溫20℃被加熱的過程。點(diǎn)A代表初始狀態(tài)，點(diǎn)B為飽和液態(tài)（99.6℃），線AB表示液體由初始溫度被加熱至飽和溫度所經(jīng)歷的過程。點(diǎn)C表示飽和蒸汽狀態(tài)，線BC表示等溫過程，即液體氣化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝倪^程。線CD表示在等壓條件下蒸汽被加熱至過熱的過程，在此過程中，溫度和比容均增大。

。第二十八頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1129Inasimilarmanner,aconstantpressureof10MPaisrepresentedbylineIJKL,forwhichthesaturationtemperatureis311.1C.Atapressureof22.09MPa,representedbylineMNO,wefind,however,thatthereisnoconstant-temperaturevaporizationprocess.Instead,pointNisapointofinflectionwithazeroslope.Thispointiscalledthecriticalpoint.Atthecriticalpointthesaturated-liquidandsaturated-vaporstatesareidentical.Thetemperature,pressure,andspecificvolumeatthecriticalpointarecalledthecriticaltemperature,criticalpressure,andcriticalvolume.Thecritical-pointdataforsomesubstancesaregiveninTable1-1.第二十九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1130AMIEDCGHKJFBPLQNO1

MPa0.1MPa10

MPacriticalpointsaturatedvaporlinesaturatedliquidlineVolumeTemperature40

MPa22.09

MPaFig.1-2Temperature-volumediagram.第三十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

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類似地，線IJKL表示壓強(qiáng)為10MPa下的等壓線，相應(yīng)的飽和溫度為311.1℃。但是，在壓強(qiáng)為22.09MPa條件下（線MNO），不存在等溫蒸發(fā)過程。相反，點(diǎn)N是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)上，切線斜率為零，通常把N點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。臨界點(diǎn)下的溫度、壓強(qiáng)和比容分別稱為臨界溫度、臨界壓強(qiáng)和臨界比容。一些工質(zhì)的臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1-1所示。

第三十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11321.1.4Thefirstlawofthermodynamics

Thefirstlawofthermodynamicsiscommonlycalledthelawofconservationofenergy.Inelementaryphysicscourses,thestudyofconservationofenergyemphasizeschangesinkineticandpotentialenergyandtheirrelationshiptowork.Amoregeneralformofconservationofenergyincludestheeffectsofheattransferandinternalenergychanges.Otherformsofenergycouldalsobeincluded,suchaselectrostatic,magnetic,strain,andsurfaceenergy.第三十二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1133Historically,thefirstlawofthermodynamicswasstatedforacycle:thenetheattransferisequaltothenetworkdoneforasystemundergoingacycle.第三十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11341.1.4熱力學(xué)第一定律通常把熱力學(xué)第一定律稱為能量守恒定律。在基礎(chǔ)物理課程中，能量守恒定律側(cè)重動(dòng)能、勢(shì)能的變化以及和功之間的相互關(guān)系。更為常見的能量守恒形式還包括傳熱效應(yīng)和內(nèi)能的變化。當(dāng)然，也包括其它形式的能，如靜電能、磁場(chǎng)能、應(yīng)變能和表面能。歷史上，用熱力學(xué)第一定律來描述循環(huán)過程：凈傳熱量等于循環(huán)過程中對(duì)系統(tǒng)所做的凈功。

第三十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11351.1.5Thesecondlawofthermodynamics

Thesecondlawofthermodynamicscanbestatedinavarietyofways.Herewepresenttwo:theClausiusstatementandtheKelvin-Planckstatement.ClausiusStatementItisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandwhosesoleeffectisthetransferofheatfromacoolerbodytoahotterbody.Thisstatementrelatestoarefrigerator(oraheatpump).Itstatesthatitisimpossibletoconstructarefrigeratorthattransfersenergyfromacoolerbodytoahotterbodywithouttheinputofwork;thisviolationisshowninFig.1-3a.第三十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11361.1.5熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律有多種表述形式。在此列舉兩種：克勞修斯表述和凱爾文-普朗克表述?？藙谛匏贡硎觯褐圃煲慌_(tái)唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環(huán)設(shè)備是不可能的。以冰箱（或熱泵）為例，不可能制造一臺(tái)不用輸入功就能把熱量從低溫物體傳給高溫物體的冰箱，如圖1-3(a)所示。

第三十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1137Kelvin-PlanckStatementItisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoothereffectthantheproductionofworkandthetransferofheatfromasinglebody.Inotherwords,itisimpossibletoconstructaheatenginethatextractsenergyfromareservoir,doeswork,anddoesnottransferheattoalow-temperaturereservoir.Thisrulesoutanyheatenginethatis100percentefficient,liketheoneshowninFig.1-3b.第三十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1138凱爾文-普朗克表述：制造一臺(tái)從單一熱源吸熱和做功的循環(huán)設(shè)備是不可能的。換句話說，制造這樣一臺(tái)從某一熱源吸熱并對(duì)外做功，而沒有與低溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱的熱機(jī)是不可能的。因此，該表述說明了不存在工作效率為100%的熱機(jī)，如圖1-3(b)所示。

第三十八頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11391.1.6TheCarnotcycleTheheatenginethatoperatesthemostefficientlybetweenahigh-temperaturereservoirandalow-temperaturereservoiristheCarnotengine.Thisisanidealenginethatusesreversibleprocessestoformitscycleofoperation;suchacycleisCarnotcycle.TheCarnotengineisveryuseful,sinceitsefficiencyestablishesthemaximumpossibleefficiencyofanyrealengine.IftheefficiencyofarealengineissignificantlylowerthantheefficiencyofaCarnotenginebetweenthesamelimits,thenadditionalimprovementsmaybepossible.第三十九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1140TheidealCarnotcycleinFig.1-4iscomposedoffourreversibleprocesses:1→2:Isothermalexpansion;2→3:Adiabaticreversibleexpansion;3→4:Isothermalcompression;4→1:Adiabaticreversiblecompression.TheefficiencyofaCarnotcycleis第四十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1141NotethattheefficiencyisincreasedbyraisingthetemperatureTHwhichheatisaddedorbyloweringthetemperatureTLatwhichheatisrejected.第四十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11421.1.6卡諾循環(huán)卡諾機(jī)是低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩撮g運(yùn)行效率最高的熱機(jī)。卡諾機(jī)是一個(gè)理想熱機(jī)，利用多個(gè)可逆過程組成一循環(huán)過程，該循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。卡諾機(jī)非常有用，因?yàn)樗倪\(yùn)行效率為任何實(shí)際熱機(jī)最大可能的效率。因此，如果一臺(tái)實(shí)際熱機(jī)的效率要遠(yuǎn)低于同樣條件下的卡諾機(jī)效率，則有可能對(duì)該熱機(jī)進(jìn)行一些改進(jìn)以提高其效率。理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過程，如圖1-4所示：1→2等溫膨脹；2→3絕熱可逆膨脹；3→4等溫壓縮；4→1可逆絕熱壓縮。卡諾循環(huán)的效率為:

第四十二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1143

注意，提高TH（提高吸熱溫度）或降低TL（降低放熱溫度）均可使循環(huán)效率提高。

第四十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11441.1.7TheRankinecycle

Thefirstclassofpowercyclesthatweconsiderarethoseutilizedbytheelectricpowergeneratingindustry,namely,powercyclesthatoperateinsuchawaythattheworkingfluidchangesphasefromaliquidtoavapor.Thesimplestvapor-powercycleiscalledtheRankinecycle,shownschematicallyinFig.1-5a.Amajorfeatureofsuchacycleisthatthepumprequiresverylittleworktodeliverhigh-pressurewatertotheboiler.Apossibledisadvantageisthattheexpansionprocessintheturbineusuallyentersthequalityregion,resultingintheformationofliquiddropletsthatmaydamagetheturbineblades.第四十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11451.1.7朗肯循環(huán)我們所關(guān)心的第一類動(dòng)力循環(huán)為電力生產(chǎn)工業(yè)所采用的，也就是說，動(dòng)力循環(huán)按這樣的方式運(yùn)行：工質(zhì)發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。最簡(jiǎn)單的蒸汽-動(dòng)力循環(huán)是朗肯循環(huán)，如圖1-5(a)所示。朗肯循環(huán)的一個(gè)主要特征是泵耗費(fèi)很少的功就能把高壓水送入鍋爐。其可能的缺點(diǎn)為工質(zhì)在汽機(jī)內(nèi)膨脹做功后，通常進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，形成可能損害汽輪機(jī)葉片的液滴。第四十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1146TheRankinecycleisanidealizedcycleinwhichfrictionlossesineachofthefourcomponentsareneglected.Thelossesusuallyarequitesmallandwillbeneglectedcompletelyininitialanalysis.TheRankinecycleiscomposedofthefouridealprocessesshownontheT-sdiagraminFig.1-5b:1→2:Isentropiccompressioninapump;2→3:Constant-pressureheatadditioninaboiler;3→4:Isentropicexpansioninaturbine;4→1:Constant-pressureheatrejectioninacondenser.第四十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1147Thepumpisusedtoincreasethepressureofthesaturatedliquid.Actually,states1and2areessentiallythesame,sincethehigh-pressurelinesareextremelyclosetothesaturationcurve;theyareshownseparatedforillustrationonly.Theboiler(alsocalledasteamgenerator)andthecondenserareheatexchangersthatneitherrequirenorproduceanywork.第四十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1148朗肯循環(huán)是一個(gè)理想循環(huán)，其忽略了四個(gè)過程中的摩擦損失。這些損失通常很小，在初始分析時(shí)可完全忽略。朗肯循環(huán)由四個(gè)理想過程組成，其T-s圖如圖1-5(b)所示：1→2為泵內(nèi)等熵壓縮過程；2→3為爐內(nèi)定壓吸熱過程；3→4為汽輪機(jī)內(nèi)等熵膨脹做功過程；4→1為凝汽器內(nèi)定壓放熱過程。泵用于提高飽和液體的壓強(qiáng)。事實(shí)上，狀態(tài)1和狀態(tài)2幾乎完全一樣，因?yàn)橛?點(diǎn)開始的較高壓強(qiáng)下的吸熱過程線非常接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說明的需要分別標(biāo)出。鍋爐（也稱蒸汽發(fā)生器）和凝汽器均為換熱器，它們既不需要功也不產(chǎn)生功。

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2023/6/1149Ifweneglectkineticenergyandpotentialenergychanges,thenetworkoutputistheareaundertheT-sdiagram,representedbyarea1-2-3-4-1ofFig.1-5(b);thisistruesincethefirstlawrequiresthatWnet=Qnet.Theheattransfertotheworkingsubstanceisrepresentedbyareaa-2-3-b-a.Thus,thethermalefficiencyηoftheRankinecycleis第四十九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1150第五十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1151thatis,thedesiredoutputdividedbytheenergyinput(thepurchasedenergy).Obviously,thethermalefficiencycanbeimprovedbyincreasingthenumeratororbydecreasingthedenominator.Thiscanbedonebyincreasingthepumpoutletpressurep2,increasingtheboileroutlettemperatureT3,ordecreasingtheturbineoutletpressurep4.第五十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1152如果忽略動(dòng)能和勢(shì)能的變化，輸出的凈功等于T-s圖曲線下面的面積，即圖1-5(b)中1-2-3-4-1所包圍的面積；用熱力學(xué)第一定律可證明。循環(huán)過程中工質(zhì)的吸熱量對(duì)應(yīng)面積a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表示為

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2023/6/1153第五十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1154即，熱效率等于輸出能量除以輸入能量（所購(gòu)能量）。顯然，通過增大分子或減小分母均可以提高熱效率。這可以通過增大泵出口壓強(qiáng)p2，提高鍋爐出口溫度T3，或降低汽機(jī)出口壓強(qiáng)p4來實(shí)現(xiàn)。第五十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11551.1.8TheReheatcycleItisapparentthatwhenoperatinginaRankinecyclewithahighboilerpressureoralowcondenserpressureitisdifficulttopreventliquiddropletsfromforminginthelow-pressureportionoftheturbine.Sincemostmetalcannotwithstandtemperaturesaboveabout600C,thereheatcycleisoftenusedtopreventliquid-dropletformation:thesteampassingthroughtheturbineisreheatedatsomeintermediatepressure,therebyraisingthetemperaturetostate5intheT-sdiagramofFig.1-6.Thesteamthenpassesthroughthelow-pressuresectionoftheturbineandentersthecondenseratstate6.第五十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1156Thiscontrolsorcompletelyeliminatesthemoistureproblemintheturbine.Often,theturbineisseparatedintoahigh-pressureturbineandalow-pressureturbine.第五十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11571.1.8再熱循環(huán)對(duì)于一個(gè)處于高鍋爐壓強(qiáng)和低凝汽器壓強(qiáng)條件下的朗肯循環(huán)，顯然，很難阻止液滴在汽輪機(jī)低壓部分的形成。由于大多數(shù)金屬不能承受600℃以上的高溫，因此，通常采用再熱循環(huán)來防止液滴的形成。再熱過程如下：經(jīng)過汽輪機(jī)的部分蒸汽在某中間壓強(qiáng)下被再熱，從而提高蒸汽溫度，直至達(dá)到狀態(tài)5，如圖1-6所示。然后這部分蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸，而后進(jìn)入凝汽器（狀態(tài)6）。再熱循環(huán)方式可以控制或者完全消除汽輪機(jī)中的濕蒸汽問題，因此，通常汽輪機(jī)分成高壓缸和低壓缸兩部分。第五十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1158Thereheatcycledoesnotsignificantlyinfluencethethermalefficiencyofthecycle,butitdoesresultinasignificantadditionalworkoutput,representedinthefigurebyarea4-5-6-4-4ofFig.1-6.Thereheatcycledemandsasignificantinvestmentinadditionalequipment,andtheuseofsuchequipmentmustbeeconomicallyjustifiedbytheincreasedworkoutput.第五十八頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1159Ifreheatisnotusedtoavoiddropletformation,thecondenserpressuremustbequitehigh,resultingrelativelylowcycleefficiency.Inthatsense,reheatsignificantlyincreasescycleefficiencywhencomparedtothecyclewithnoheatbutwiththehighercondenserpressure.第五十九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1160雖然再熱循環(huán)不會(huì)顯著影響循環(huán)熱效率，但帶來了顯著的額外的輸出功，如圖1-6中的面積4-5-6-4-4所示。當(dāng)然，再熱循環(huán)需要一筆可觀的投資來購(gòu)置額外的設(shè)備，這些設(shè)備的使用效果必須通過與多增加的輸出功進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析來判定。如果不采用再熱循環(huán)來避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強(qiáng)必須相當(dāng)?shù)馗?，因而?dǎo)致循環(huán)熱效率較低。在這種意義上，與無再熱循環(huán)且高凝汽器出口壓強(qiáng)的循環(huán)相比，再熱可以顯著提高循環(huán)效率。第六十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11611.2FundamentalofFluidMechanics

Fluidmotionsmanifestthemselvesinmanydifferentways.Somecanbedescribedveryeasily,whileothersrequireathoroughunderstandingofphysicallaws.Inengineeringapplications,itisimportanttodescribethefluidmotionsassimplyascanbejustified.Thisusuallydependsontherequiredaccuracy.Often,accuraciesof±10%areacceptable,althoughinsomeapplicationshigheraccuracieshavetobeachieved.第六十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1162Thegeneralequationsofmotionareverydifficulttosolve;consequently,itistheengineer'sresponsibilitytoknowwhichsimplifyingassumptionscanbemade.This,ofcourse,requiresexperienceand,moreimportant,anunderstandingofthephysicsinvolved.第六十二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11631.2流體力學(xué)基礎(chǔ)

流體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出多種不同的運(yùn)動(dòng)形式。有些可以簡(jiǎn)單描述，而其它的則需要完全理解其內(nèi)在的物理規(guī)律。在工程應(yīng)用中，盡量簡(jiǎn)單地描述流體運(yùn)動(dòng)是非常重要的。簡(jiǎn)化程度通常取決于對(duì)精確度的要求，通?？梢越邮堋?0%左右的誤差，而有些工程應(yīng)用則要求較高的精度。第六十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1164描述運(yùn)動(dòng)的一般性方程通常很難求解，因此，工程師有責(zé)任了解可以進(jìn)行哪些簡(jiǎn)化的假設(shè)。當(dāng)然，這需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，更重要的是要深刻理解流動(dòng)所涉及的物理內(nèi)涵。

第六十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1165Somecommonassumptionsusedtosimplifyaflowsituationarerelatedtofluidproperties.Forexample,undercertainconditions,theviscositycanaffecttheflowsignificantly;inothers,viscouseffectscanbeneglectedgreatlysimplifyingtheequationswithoutsignificantlyalteringthepredictions.第六十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1166Itiswellknownthatthecompressibilityofagasinmotionshouldbetakenintoaccountifthevelocitiesareveryhigh.Butcompressibilityeffectsdonothavetobetakenintoaccounttopredictwindforcesonbuildingsortopredictanyotherphysicalquantitythatisadirecteffectofwind.第六十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1167Afterourstudyoffluidmotions,theappropriateassumptionsusedshouldbecomemoreobvious.Hereweintroducesomeimportantgeneralapproachesusedtoanalyzefluidmechanicsproblemsandgiveabriefoverviewofdifferenttypesofflow.第六十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1168一些常見的用來簡(jiǎn)化流動(dòng)狀態(tài)的假設(shè)是與流體性質(zhì)有關(guān)系的。例如，黏性在某些條件下對(duì)流體有顯著的影響；而在其它條件下，忽略黏性效應(yīng)的影響可以大大地簡(jiǎn)化方程，但并不會(huì)顯著改變計(jì)算結(jié)果。眾所周知，氣體速度很高時(shí)必須考慮其壓縮性，但在預(yù)測(cè)風(fēng)力對(duì)建筑物的影響程度，或者預(yù)測(cè)受風(fēng)力直接影響的其它物理量時(shí)，可以不計(jì)空氣的壓縮性。學(xué)完流體運(yùn)動(dòng)學(xué)之后，可以更明顯地看出采用了哪些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。這里，將介紹一些重要的用來分析流體力學(xué)問題的一般性方法，并簡(jiǎn)要介紹不同類型的流動(dòng)。

第六十八頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11691.2.1LagrangianandEuleriandescriptionsofmotion

Inthedescriptionofaflowfield,itisconvenienttothinkofindividualparticleseachofwhichisconsideredtobeasmallmassoffluid,consistingofalargenumberofmolecules,thatoccupiesasmallvolumethatmoveswiththeflow.第六十九頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1170Ifthefluidisincompressible,thevolumedoesnotchangeinmagnitudebutmaydeform.Ifthefluidiscompressible,asthevolumedeforms,italsochangesitsmagnitude.Inbothcasestheparticlesareconsideredtomovethroughaflowfieldasanentity.第七十頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/11711.2.1拉格朗日運(yùn)動(dòng)描述和歐拉運(yùn)動(dòng)描述描述流場(chǎng)時(shí)，將著眼點(diǎn)放在流體質(zhì)點(diǎn)上是非常方便的。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都包含了微小質(zhì)量的流體，它由大量分子組成。質(zhì)點(diǎn)占據(jù)很小的體積，并隨流體流動(dòng)而移動(dòng)。對(duì)不可壓縮流體，其體積大小不變，但可能發(fā)生形變。對(duì)可壓縮流體，不但體積發(fā)生形變，而且大小也將改變。在上述兩種情況下，均將所有質(zhì)點(diǎn)看作一個(gè)整體在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。

第七十一頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1172Inthestudyofparticlemechanics,whereattentionisfocusedonindividualparticles,motionisobservedasafunctionoftime.Theposition,velocity,andaccelerationofeachparticlearelistedass(x0,y0,z0,t),V(x0,y0,z0,t),anda(x0,y0,z0,t)andquantitiesofinterestcanbecalculated.Thepoint(x0,y0,z0)locatesthestartingpoint--thename--ofeachparticle.第七十二頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1173ThisistheLagrangiandescription,namedafterJosephL.Lagrange,ofmotionthatisusedinacourseondynamics.IntheLagrangiandescriptionmanyparticlescanbefollowedandtheirinfluenceononeanothernoted.Thisbecomes,however,adifficulttaskasthenumberofparticlesbecomesextremelylarge,asinafluidflow.第七十三頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1174質(zhì)點(diǎn)力學(xué)主要研究單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是時(shí)間的函數(shù)。任一質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度可表示為s(x0,y0,z0,t)，V(x0,y0,z0,t)，a(x0,y0,z0,t)，其它相關(guān)參量也可計(jì)算。坐標(biāo)(x0,y0,z0)表示質(zhì)點(diǎn)的起始位置，也是每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的名字。第七十四頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1175這就是拉格朗日運(yùn)動(dòng)描述，以約瑟夫Ｌ拉格朗日的名字命名，該描述方法通常用于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)分析。拉格朗日法跟蹤多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程并考慮質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。然而，由于實(shí)際流體包含質(zhì)點(diǎn)數(shù)目巨大，因而采用拉格朗日法研究流體流動(dòng)則非常困難。第七十五頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1176Analternativetofollowingeachfluidparticleseparatelyistoidentifypointsinspaceandthenobservethevelocityofparticlespassingeachpoint;wecanobservetherateofchangeofvelocityastheparticlespasseachpoint,thatis,V/x,V/yandV/zandwecanobserveifthevelocityischangingwithtimeateachparticularpoint,thatis,V/t.第七十六頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1177InthisEuleriandescription,namedafterLeonhardEuler,ofmotion,theflowproperties,suchasvelocity,arefunctionsofbothspaceandtime.Inrectangular,CartesiancoordinatesthevelocityexpressedasV=V(x,y,z,t).Theregionofflowthatisbeingconsiderediscalledaflowfield.第七十七頁，共一百八十二頁，編輯于2023年，星期三

2023/6/1178與分別跟蹤每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)不同的另一種方法是將著眼點(diǎn)放在空間點(diǎn)上，然后觀察質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過每個(gè)空間點(diǎn)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)速度，由此可以得到質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)各空間點(diǎn)時(shí)的速度變化率，即V/x，V/y，V/z；還可以判斷某一點(diǎn)上的速度是否隨時(shí)間