《热工学》

《热工学》 动力工程系孙巨峰

热工学 • 第一篇　工程热力学 • 第二篇　传热学

第一篇　工程热力学 • 第一章　基本概念 • 第二章　热力学第一定律 • 第三章　理想气体及其混合物 • 第四章　理想气体的热力过程 • 第五章　热力学第二定律 • 第六章　水蒸气 • 第七章　湿空气 • 第八章　气体和蒸汽的流动 • 第九章　蒸汽动力循环 • 第十章　制冷循环返回

第一章　基本概念 第一节热力系一、定义热力系：人为规定的热力学研究对象。外界：热力系以外，与热力系发生物质、能量交换的的物质系统。边界：热力系和外界的分界面。热力系通过边界和外界进行功量、热量和物质的交换。边界可以是实际的容器壁面，也可以是假想的封闭曲面。可以是固定的，也可以是可移动或胀缩的。返回

第一章　基本概念 二、分类开口系：与外界有物质交换。闭口系：与外界无物质交换。绝热系：与外界无热量交换。孤立系：与外界既无能量交换，有无物质交换。简单可压缩系：由可压缩流体构成，通过体积变化而实现热能转换。热源：是一种特殊的热力系，具有无限大热容量，即在从热源吸收或向热源放出有限热量时，热源本身的温度不变，如大气和海洋等。按系统内部的状况不同，还可以将热力系分为：单元系、多元系、单相系（或称均匀系）、复相系（或称非均匀系）等。第二节工质的状态及其状态参数一、热力学状态 1.工质：用来实现能量相互转换的媒介物质。工程中常用的工质是可压缩的流体（水蒸汽、燃气，空气等）。 2.热力学状态：热力系在某一瞬间呈现的宏观物理状态。 3.状态参数：描述系统所处状态的宏观物理量。描述热力系平衡状态时，可以用少量几个表征系统性质的称为状态参数的物理量来描述。例如一定质量的气体组成的系统，为了描述它，不必知道单个气体分子的信息（如速度或动量等），而只要用如压力、容积、质量、温度等几个宏观变量即状态参数描述。所以系统的状态是用系统的状态参数来表示，若这些状态参数有确定的值，那么系统状态就确定了。返回

第一章　基本概念 常用的有：温度T、容积V、压力p、焓H、熵、内能U。特点：数值大小仅取决于给定的状态；参数变化量仅取决于初、终状态。二、基本状态参数状态参数中比容、压力、温度是可以由仪表直接测量得到的参数，称作基本状态参数。 1.比容（v，单位m3/kg）：单位质量工质所占有的体积。` 显然，比容和密度之间互为倒数。 2.压力（p，单位Pa）：单位面积上所承受的垂直作用力。根据分子运动论，气体的压力是分子运动撞击在单位面积上呈现的平均作用力。工程上常用的单位：兆帕（1Mpa=106Pa）；巴（1bar=105 Pa）；标准大气压（1atm=101325Pa）。 3.温度：描述系统冷、热状况的状态参数，标志物体内部分子无序运动的剧烈程度。温度的高低通常用温标来表示，常用的温标有：（1）热力学绝对温标（热力学温度或绝对温度）：　　　开尔文在热力学第二定律的基础上，从理论上引入的与测温物质性质无关的温标。它可作为标准温标，一切经验温标均可以用此温标来校正。它的符号为T，单位为K(称“开尔文”)。（2）摄氏温标：符号为t、单位℃。1960年国际计量会议把水的三相点定为273.16K，0.01℃。和热力学温标的关系为： t（℃）=T（K）－273.15 另外常用的温标还有华氏温标和朗肯温标。热平衡定律（热力学第零定律）:分别与第三个系统处于热平返回

第一章　基本概念 衡（相互之间没有热量传递）的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡。处于热平衡状态的系统温度必然具有相同的温度。三、平衡状态实验表明，一个不受外界影响的系统，无论它的初始状态如何，经过充分长时间后，它必将达到这样一种状态，系统的宏观性质不随时间变化，即达到平衡状态。 1.定义：没有外界作用的条件下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态。 2.实现条件：一切不平衡势差全部消失。对于一个状态可以自由变化的热力系，如果系统内以及系统与外界的一切不平衡势差均不存在，则热力系一切可见的宏观变化将停止，这时热力系处于平衡状态。 3.特点：具有确定的状态参数。第三节热力过程、准平衡过程与可逆过程热力过程：热力系由一状态向另一状态变化时所经历全部状态的总和。一、准平衡过程 1.定义：在热力过程中，不平衡势差无限小，热力学所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态的热力过程。 2.实现条件：推动过程进行的势差无限小。 3.特点：由于热力系经历的过程中每一状态均可称为平衡态，因而准平衡过程可在状态参数坐标图中用连续曲线表示，称过程曲返回

第一章　基本概念 线；准平衡过程是一种理想化的过程，是实际过程进行得足够缓慢的极限情况，一切实际过程只能接近于准平衡过程，在工程实际设备中进行的过程常常可作为准平衡过程。二、可逆过程 1.定义：系统经历一个过程之后，如果沿原来路径逆向进行，能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹。可逆过程与准平衡过程从定义上的一个重要区别就在于过程逆行,“没有遗留下任何变化”，例如功、热、状态等变化。 2.实现条件：推动过程的势差无限小，而且不存在任何耗散现象。无耗散效应的准平衡过程就是可逆过程。所谓耗散指固体或液体的磨擦、电阻、非弹性形变、磁滞等现象起的效应，使能量耗散了，变为热。可逆过程是热力学的抽象，实际过程是无法实现的，但人们可以无限的接近它。研究可逆过程的目的，在于抓主要矛盾，反映本质。把可逆过程作为实际过程中能量转化效果的比较标准。在实际热力学计算中，通常是把某一实际过程理想化为可逆过程计算，然后引入必要的经验修正。第四节功与热量一、可逆过程的功用符号W表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用w表示，单位J/kg或kJ/kg。 1.定义返回

第一章　基本概念 功：在力学中，功被定义为物体所受的力与该力方向上产生的位移的乘积；在热力学中，功是系统与外界相互作用而传递的能量。当系统作功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替。体积变化功：可压缩系统通过体积的变化（膨胀或压缩）来和外界交换的功量。规定：系统对外界做功，功量为正；外界对系统做功，功量为负。功是传递过程中的一种能量形式。它是伴随着相互作用而产生的，不是系统所含有的能量，所以我们不能说一个系统具有多少功。 2.功的计算单位工质：可逆过程的比容变化功w的大小可以在p-v图上用过程曲线下面的面积表示。返回

第一章　基本概念 二、可逆过程的热 1.定义：系统与外界之间依靠温差传递的能量，用符号Q表示，单位J或kJ。单位物质所做的体积变化功用q表示，单位J/kg或kJ/kg。规定：系统吸收热量，热量为正；系统放出热量，热量为负。返回

第一章　基本概念 2.热的计算单位工质：熵（S）：状态参数，是可逆过程热量传递的标志性参数。熵增大,系统吸热；熵减小，系统放热。返回

第一章　基本概念 三、功和热的异同同: 1. 二者都是系统与外界传递能量的一种形式，是传递中的能量，不是包含在系统内部的能量。 2. 是过程量，不是状态量，大小与过程有关。 3. 是迁移能，一旦越过边界，便转化为系统或外界的能量。异： 1. 能量的形式不同，效果不同，功属于机械能的传递量，热属于热能的传递量。 2. 引起能量传递的原因不同，一种是压力差，一种是温差。第五节热力循环热力循环：指工质从某一状态出发，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。按作用效果分：正向循环与逆向循环；按是否可逆分：可逆循环与不可逆循环；返回

第一章　基本概念 一、正循环（热机循环或动力循环） 1.作用效果：把热能转变为机械能，给外界提供动力。从高温热源吸热，将其中一部分热量转变为功，剩余的热量排给低温热源。实施正循环的目的就是要实现热能向机械能的能量转换。 2.经济性指标：循环热效率＝净功量/从热源吸收的热量，即ηt＝ w0 / q1 二、逆循环 1. 作用效果：消耗外功，把热量从低温物体中取出排向高温，按作用目的可分为制冷循环与热泵循环。制冷循环：从低温热源吸收热量，以维持低温热源的低温状态。热泵循环：向高温热源放出热量，以维持高温热源的高温状态。 2. 经济性指标：制冷系数＝从低温热源吸收的热量/耗功量，即ε1=q2/w0；供热系数＝向高温热源放出的热量/耗功量，即ε2=q1/w0。返回

第二章　热力学第一定律 第一节热力学第一定律的实质一、实质实质：能量转换与守恒定律在热力学中的应用。 19世纪30-40年代，许多科学家前赴后继，迈尔·焦耳（德国医生）最后发现和确定了能量转换与守恒定律。这个定律指出：一切物质都具有能量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转换中，能量的总量恒定不变。二、表述可以表叙为：在热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持守恒。热力学第一定律的建立是在资本主义发展初期，那时，有人曾提出各式各样不消耗能量而获得动力的装置，称为第一类“永动机”，但均失败了。因为它违反了热力学第一定律，故针对热力学第一定律另一形象的说法是：第一类永动机是不可能制造成功的。三、表达式热力学第一定律能量平衡方程式：进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化第二节储存能与热力学能一、热力学能（内部储存能）热力学能是指储存于热力系内部的能量。用U表示，单位是J或返回

第二章　热力学第一定律 kJ，单位质量工质的热力学能称为比热力学能，用u表示，单位是J/kg或kJ/Kg。内能是状态参数。从微观的角度看，热力学能包括：分子热运动所具有的内动能、由于分子间相互作用力而形成的内位能、由于分子结构所具有的化学能以及原子核内部的核能等。因此很难确定内能的绝对值，但能够确定内能U的变化值，这也是我们在工程计算中所关心的。二、储存能外部储存能指需要用参照系坐标决定的参数来表示的能量。它包括热力系由于宏观运动速度所具有的宏观动能和由于其所处位置的高度而具有的重力位能。总储存能（简称总能）指热力系的热力学能、宏观动能与宏观位能之和，用E表示，单位为J或kJ。即式中，m为系统的物质质量，c为系统的运动速度，g为重力加速度，z为系统在外部参照坐标系中的高度。比储存能：单位质量物质的储存能，用e表示，单位为J/kg或kJ/kg。第三节热力学第一定律解析式一、闭口系统的能量方程闭口系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。在热力过程中（如图）系统从外界热源取得热量Q；对外界做膨胀功W；系统储存能变化为△U。返回

第二章　热力学第一定律 适用于任何工质，可逆或不可逆的各种热力过程。该式表明：在闭口系统所经历的热力过程，吸收的热一部分用来增加系统的热力学能，储存于系统内部，其余部分则以做功的方式传递给外界。单位工质：可逆过程：返回

第二章　热力学第一定律 二、循环的热一定律解析式对于循环过程，由于系统的初终状态为同一状态，不论是否可逆，热力学能的变化为零，即。所以: 表明:闭口系统经历任何一个循环后，与外界交换的净热量等于与外界交换的净功量。第四节推动功与焓一、推动功与流动功在工程实施的能量转换过程常常是复杂的，在伴随着系统与外界功和热交换的同时，常常有物质穿过系统的边界而进出热力系统，而且进出的高度和速度不同。推动功：开口系统与外界之间因为工质流动而传递的机械功。对于单位质量工质，推动功等于pv。如图中的流体要进入系统，外界要克服系统内具有一定压力的气体的阻力，向前移动（例如：给车打气），我们可以想象为后面有一个活塞向前推这一小段流体，活塞作用在这一小段流体上的力为F。当把它推入系统，F向前走了dx距离，外界对系统作了功，就称为推动功。　　返回

第二章　热力学第一定律 流动功：出口处付出的推动功与入口处得到的推动功的差。流动功可以理解为开口系统维持流动所要付出的代价。用Wf表示。单位工质：特点：1.只有在系统与外界有物质交换（即有流动）时才有意义，它不是工质本身具有的能量，而是随工质的流动而传递的能量。 2.大小只取决于出入口截面上工质的状态，只与出入口状态有关。二、焓伴随工质流动而交换的能量包括：工质本身的热力学能、宏观动能和重力位能，以及推动功，即： m（u＋c2/2＋gz＋pv）定义U+ pV为焓，用用符号H表示，单位是H或kJ；单位工质的焓称为比焓，用符号h表示，单位是J/kg或kJ/kg。返回

第二章　热力学第一定律 焓是状态参数，是在研究流动能量方程中，为工程应用方便而引出的。同内能一样，无法测定焓的绝对值，热工计算中关心的是两个状态间焓的变化量。第五节稳定流动能量方程一、稳定流动工程上常用的热工设备，除启动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳定运行的，可以认为处于稳态稳定流动状态。 1.定义：开口系统内任意点工质的状态都不随时间而变化的流动过程。 2.实现稳定流动的必要条件：（1）进、出口截面处工质的状态不随时间而变；（2）单位时间系统与外界交换的热量和功量都不随时间而变；（3）各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而改变。返回

第二章　热力学第一定律 二、开口系统的稳定流动能量方程工程上许多动力机械，如汽轮机、风机、内燃机等，都是依靠机械轴传递机械功。我们把这种系统通过机械轴和外界交换的功称为轴功，用Ws表示。根据热力学第一定律：进入系统的能量－离开系统的能量=系统储存能的变化进入系统的能量：返回

第二章　热力学第一定律 离开系统的能量：由于是稳定流动，系统储存能的变化量为0。代入能量平衡方程式，可得开口系统稳定流动能量方程：单位质量工质：在上式中，后三项实际上都属于机械能，故把此三项合并在一起称技术功（Wt）。单位质量工质：故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：可逆过程技术功的大小可以在p-v图上用过程线以左和纵坐标围成的面积表示。返回

第二章　热力学第一定律 第六节稳定流动能量方程的应用一、换热器常见设备：锅炉、加热器、冷却器、散热器、蒸发器和凝汽器等。特点：仅交换热量，无功量交换。能量方程：工质交换的热量等于其焓的变化二、动力机械常见设备：热力发电机，如燃气轮机、汽轮机；压缩机械，如压气机、风机、泵等。特点：由于采用了良好的保温隔热措施，通过设备外壳的散热量极少，可认为其中的热力过程为绝热过程。能量方程：返回

第二章　热力学第一定律 能量方程：流体动能的增量总是等于其焓降四、绝热节流节流：流体在管内流经阀门或其他流通截面积突然缩小的流道后，造成工质压力下降的现象称为节流。返回

第二章　热力学第一定律 特点：节流是典型的不可逆过程。缩口附近存在漩涡，工质处于不稳定的非平衡状态，故严格说，节流是不稳定流动。但观察发现，离缩口较远的1-1和2-2截面上，流动情况基本稳定，可近似用稳定流动能量方程式计算分析。节流过程中工质不对外做轴功，由于流过两个截面之间的时间很短，与外界交换的热量极少，可近似认为绝热。能量方程：节流前后工质的焓值相等返回

第三章　理想气体及其混合物 第一节理想气体及其状态方程一、定义为了便于研究自然界中客观存在的比较复杂的真实气体，人们提出了理想气体的概念。理想气体：是一种假象的气体模型，气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。实际气体：不符合上述理想气体两个微观假设条件的，则称为实际气体。如：水蒸气、氟里昂蒸汽、氨蒸汽等，它们距离液体较近，不能忽略分子本身的体积和分子间的作用力。二、理想气体状态方程大量实验证明，理想气体的三个基本状态参数间存在着一定的函数关系： 1kg： mkg： 1mol： nmol：返回

第三章　理想气体及其混合物 R0为通用气体常数，与气体种类及状态无关：R0＝8314J/(kmol·K)。 R为气体常数，与气体种类有关： (M为分子量) 第二节比热容一、定义热量的计算可通过工质的状态参数变化进行，也可以利用比热进行。比热容：单位物量的物体，温度升高1K所吸收的热量，用c表示。按物量单位可分为： 1.质量比热：单位质量物质的热容量，用c表示，单位为J/(kg·K)； 2.摩尔比热：单位mol物质的热容量，用Mc表示，单位为J/(mol·K)； 3.容积比热：标准状态下单位质量物质的热容量，用c’表示，单位为J/(m3·K)；二、定压比热和定容比热一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度变化的大小取决于工质的性质、数量和所经历的过程。经验表明，同一种气体在不同条件下，如在保存容积不变或压力不变的条件下加热，同样温度升高1K所需的热量是不同的。定容比热容（cv）：在定容情况下，单位物量的气体，温度升高1K 返回

第三章　理想气体及其混合物 所吸收的热量。定压比热容（cp）：在定压情况下，单位物量的气体，温度升高1K所吸收的热量。气体在定压下受热时，由于温度升高的同时，还要克服外力膨胀做功，而在定容过程中，并不膨胀对外做功，故同样升高1K，定压时比定容下受热需要更多的热量，也就意味着定压比热比定容比热大。对于理想气体：（迈耶公式）比热容比к：三、比热的计算方法 1.定值比热：凡分子中原子数目相同的气体，其摩尔比热都相等，称为定值比热。用于近似计算。 2.真实比热：理想气体的比热实际上并非定值，而是温度的函数。相应于每一温度下的比热值称为气体的真实比热。理想气体的比热可表示成温度的函数： Mcp＝ a0 ＋a1T ＋a2T2 ＋a3T3 a等值由实验确定，可在表中查取。真实比热作为温度的函数，常用于精确计算。 3.平均比热：在一定温度变化范围内真实比热的积分平均值。如：实际气体的比热在c-t图上为一条曲线，此时的热量计算可表示为阴影部分的面积GDEF。用同样面积GMNF的矩形来代替它，于是有，矩形的高度MG就是在t1与t2温度范围内真实比热的平均值，称为平均比热。用于较精确的计算。返回

第三章　理想气体及其混合物 第三节热力学能、焓和墒一、热力学能和焓的变化量理想气体的内能和焓是温度的单值函数，这就意味着某种理想气体，不论其在过程中比容或压力如何变化，只要变化前后温度相同，其内能和焓的变化量也必然相同。故对于理想气体的任何热力过程，都可用下式计算：而对于实际气体，上式则分别适用于等容过程和等压过程。二、熵的变化量（定值比热容）（定值比热容）返回（定值比热容）

第三章　理想气体及其混合物 内能、焓和熵为状态参数，只与初终状态有关，与中间过程无关，故理想气体无论经历什么过程，包括不可逆过程，只要过程的初态、终态参数确定，比热容可以取定值，则都可以用以上各式计算变化量。第四节混合气体的性质一、混合气体理想混合气体：如果混合气体中各组成气体都具有理想气体的性质，则整个混合气体也具有理想气体的性质，其状态参数间的关系也符合理想气体状态方程式，这样的混合气体称为理想混合气体。 1.分压力：混合气体中每一种组元的分子都会撞击容器壁，从而产生各自的压力。在与混合气体相同的温度下，各组成气体单独占有混合气体的容积时，给予容器壁的压力。分压力定律：理想混合气体的总压力等于各组成气体分压力之总和。返回

第三章　理想气体及其混合物 2.分容积:使各组成气体保持与混合气体相同的压力和温度的条件下，把各组成气体单独分离出来时，各组成气体所占有的容积。分压力定律：理想混合气体的分容积之和等于混合气体的总容积。二、混合气体的成分成分：各组成气体在混合气体中所占的数量份额。可分为： 1.质量成分：混合气体中组成气体的质量mi与混合气体总质量m的比值，即 2.容积成分：混合气体中组成气体的分容积与混合气体总体积的比值，即 3.摩尔成分：混合气体中组成气体的摩尔数与混合气体总摩尔数的比值，即返回

第四章　理想气体的热力过程 第一节研究目的和方法一、实施热力过程的目的 1.实现预期的能量转换，如各种热力发动机要求输出一定的功率； 2.获得预期的热力状态，如压气机中将气体压缩达到一定的压力。二、研究目的 1.确定工质的状态变化规律； 2.确定过程中能量传递和转换的情况。三、研究步骤 1.根据过程特点，列出过程方程式； 2.建立基本状态参数间的关系式； 3.在p－v图、T－s图上绘出过程曲线； 4.计算△u，△h，△s； 5.计算过程中的能量传递、转换量：q，w，wt。第二节气体的典型热力过程一、等容过程等容过程是工质在装变化过程中容积保持不变的热力过程。 1.过程方程式： v = 定值 2.初、始状态参数关系式：及 3.过程在p－v图及T－s图上的表示返回

第四章　理想气体的热力过程 4.过程中传递的能量膨胀功热量（为定值）等容过程中系统与外界没有膨胀功的传递，过程加入的热量全部用于增加气体的热力学能。二、等压过程等压过程是工质在装变化过程中压力保持不变的热力过程。 1.过程方程式：p＝定值 2.初、始状态参数关系式：及 3.过程在p－v图及T－s图上的表示返回

第四章　理想气体的热力过程 4.过程中传递的能量膨胀功热量在等压过程中加入或放出的热量，等于气体初、始状态的焓差。三、等温过程等温过程是工质在装变化过程中温度保持不变的热力过程。 1.过程方程式：T＝定值，即pv＝定值 2.初始状态参数关系式：或 3.过程在p－v图及T－s图上的表示返回

第四章　理想气体的热力过程 4.过程中传递的能量膨胀功热量等温膨胀过程中吸收的热量，全部转变诶膨胀功；等温压缩时消耗的压缩功全部转变为热量放出。四、绝热过程绝热过程是系统与外界没有热交换的情况下发生的热力过程。可逆的绝热过程称为等熵过程。 1.过程方程式：为比热容比或绝热指数，定值 2.初始状态参数关系式： 3.过程在p－v图及T－s图上的表示返回

第四章　理想气体的热力过程 4.过程中传递的能量膨胀功或热量 q ＝0 第三节多变过程一、多变过程凡工质按定值而变化的过程称为多变过程。其中为多变指数，在0～±∞之间变化，每个n值代表一个多变过程。 n＝0： p＝定值，为等压过程； n＝1： T＝定值，为等温过程； n＝κ：定值，为可逆绝热过程，即等熵过程； n＝∞： v＝定值，为等容过程。二、多变过程的分析可与绝热过程类比分析： 1.初、终状态参数间的关系式：返回

第四章　理想气体的热力过程 2.过程中传递的能量膨胀功或热量称为多方比热容，当其中，时，为负值。三、p－v图和T－s图 1.多变过程曲线的分布规律 p-v图上：从定容线出发，n由－∞→0→＋∞，按按顺时针方向递增。 T-s图上：多变过程线的分布规律也是多变指数n按顺时针方向递增。 2.过程中各变化量正负值的判别 q的正负值以等熵线为界； w的正负值以等容线为界； △u的正负值以等温线为界。返回

第五章　热力学第二定律 第一节热力学第二定律的表述与实质一、自然过程的方向性和不可逆性经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。例如： 1.热可以自发地从高温物体传到低温物体，但却不能自发地从低温物体传到高温； 2.气体自发向真空膨胀，但却不能自发压缩，空出一个空间； 3.两种气体可自发地混合，却不可自发地分离；自发过程：不需任何外界作用而可以自动进行的过程。非自发过程：没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。自然界的一切自发过程都是具有方向性和不可逆性的，热力过程总是朝着一个方向自发进行而不能自发地反向进行。非自发过程可以进行，但其进行必须以一定的补偿条件作为代价。二、热力学第二定律的实质能量是有品质高低之分的。如：机械能的品质高于热能；高温热能的品质高于低温热能。定律的实质：能量贬值原理，也就是说在能量的传递与转化的过程中，能量的品质只能降低不能提高。三、表述 “热二”有各种各样的说法，最常见的两种是：克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有方向性。返回

第五章　热力学第二定律 第二节卡诺循环与卡诺定理一、卡诺循环卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环。 1.卡诺循环的组成：它是工作于两个热源间的，由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环。 2.卡诺循环的热效率：返回

第五章　热力学第二定律 3.结论：（1）热效率ηt,c与工质的性质无关，只取决于高温热源的温度T1与低温热源的温度T2。（2）提高T1，降低T2，可以使卡诺循环的热效率提高。（3）热效率ηt,c总是小于1，也就是说不可能通过热机循环将热能全部转换为机械能。（4）T1＝T2时，ηt,c＝0，说明没有温差是不可能连续不断地将热能转换为机械能的。二、逆卡诺循环是逆向进行的卡诺循环。作用效果：消耗机械能，从低温热源吸收热量，向高温热源放出热量。制冷系数：供热系数：结论： 1.制冷系数和供热系数只取决于高温热源和低温热源的温度，与工质无关。 2.提高T2，降低T1，可以使制冷系数和供热系数提高。 3.供热系数总是大于1，制冷系数可以大于、等于、小于1。 4.逆卡诺循环可分别用来制冷或供热，也可以联合交替进行。返回

第五章　热力学第二定律 三、卡诺定理定理一：在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机具有相同的热效率。定理二：在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。四、卡诺循环及定理的意义 1.给出了循环热效率的极限值，即 2.指出了热机实现热功能转换的条件：必须具有两个或两个以上温度不同的热源。 3.指出了提高热机热效率的根本途径，即提高热源的温度，降低冷源的温度，尽可能减少或降低不可逆因素的影响。第四节克劳修斯积分与熵一、克劳修斯积分自然界的物质发生的一切自发变化过程都是不可逆的，而且都是等效的，因此这些过程存在着某种内在的联系，有一个共同的本质的东西在起作用，为了定量地描述这一本质的特征，1865年，克劳修斯在前人工作的基础上，提出了著名的克劳修斯积分：式中Tr是热源的温度值。　　　　一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切不可逆循环的克劳修斯积分小于零，　　任何循环的克劳修斯积分都不会大于零。我们可以利用判断一个循环是否能进行，是可逆循环，还是不可逆循环。返回

第五章　热力学第二定律 二、熵闭口系统熵方程： 1.△Sf是由于系统与外界发生热交换，热流引起的熵的变化，称为熵流。系统吸热，△Sf＞0；系统放热，△Sf＜0；系统绝热，△Sf＝0。 2.△Sg是由于不可逆因素的存在而引起的熵的增加，称为熵产。对于不可逆过程，△Sg＞0；对于可逆过程，△Sg＝0。熵产过程不可逆性大小的度量与表征。不可逆性越大，熵产也越大。三、孤立系统熵增原理在孤立系统内，一切实际过程（即不可逆过程）都朝着使系统熵增大的方向进行，在极限情况（可逆过程）下，系统的熵保持不变。即：。应用：设某热机通过工质进行一个循环，从热源吸热Q1，向冷源放热Q2，对外作功W，把热源、冷源、工质、热机划为一个孤立系统，则：返回

第五章　热力学第二定律 热源的熵变：（热源放出热量给工质，熵减少）工质的熵变：（经过一个循环，工质的熵不变）冷源的熵变：（冷源吸收热量，熵增大）进行一个循环后：可逆时： → → 不可逆时：返回

第六章　水蒸气 第一节概述一、汽化和凝结 1.凝结：气态变为液态的相变过程。 2.汽化：液态变为气态的相变过程，有蒸发和沸腾两种方式：蒸发：液体表面的汽化过程，任何温度下都可以发生。沸腾：液体内部的汽化过程，只能在达到沸点温度时才发生。汽化速度的大小取决于液体温度的高低；凝结速度的大小取决于蒸汽的压力。二、饱和状态饱和状态：水蒸汽在密闭容器中，汽、液两相平衡共存的状态。此时的平衡共存其实是一种汽化速度和凝结速度相等的动态平衡。工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压力与饱和温度。饱和温度和饱和压力是一一对应的关系，饱和压力愈高，对应的饱和温度也愈高。第二节水蒸气的等压发生过程一、水蒸气形成过程的五种状态工程上所用的水蒸气是由锅炉在压力不变的情况下产生的，水蒸气的发生过程，即是水的定压汽化过程。在此过程中，工质会经过三个阶段、五种状态的变化。 1.预热阶段：即由未饱和水加热为相应压力下的饱和水。未饱和水：当水温低于饱和温度时的水。饱和水：水温达到压力p所对应的饱和温度ts 时的水。 2.汽化阶段：由饱和水加热为饱和蒸汽。返回

第六章　水蒸气 湿饱和蒸汽：对饱和水继续加热，饱和水开始沸腾，在定温下产生蒸汽而形成的饱和液体和饱和蒸汽的混合物。干饱和蒸汽：继续加热，直至水全部变为蒸汽，此时的蒸汽温度等于压力p所对应的饱和温度ts。汽化阶段，二相中的含量在变化，为了说明湿蒸气中干饱和蒸气所占的百分比，引入干度（x），即湿蒸气中干饱和蒸气所占的质量百分比。x＝0为饱和水；x＝1为干饱和蒸气。 3.过热阶段：由饱和蒸汽加热为过热蒸汽。过热蒸汽：对干饱和蒸汽继续定压加热，则蒸汽的温度自饱和温度起往上升高，温度已经超过相应压力下的饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。二、水蒸气的p-v图和T-s图在表示水蒸气各种状态的p-v图与T-s图上，可归结为一点两线三区五态：一点：临界点（饱和水线与干饱和蒸汽线的交点c）；两线：饱和水线（下界线）C-B与干饱和蒸汽线（上界线）C-D；三区：未饱和水区（液相区）、湿蒸汽区（汽液两相区）和过热蒸汽区（气相区）；五态：未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。第三节水蒸气热力性质表和图一、水蒸气热力性质表 1.计算基准点国际规定：水的三相点的液相水为基准点。 2.饱和水和饱和蒸汽表表一：见P.317附录2，按温度排序；表二：见P.319附录3，按压力排序。返回

第六章　水蒸气 3.未饱和水和过热蒸汽表见P.321附录4，粗线左下侧为未饱和水，右上侧为过热蒸气。二、水蒸气焓－熵图（h－s图）见附图6，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。三、水蒸气图、表的应用1.已知某状态任意两个独立参数（p，v，t，u，h，s，x）就能查出其余各参数，并可判别工质的状态。 2.分析计算热力过程中工质的状态变化及与外界的能量交换。分析计算的一般步骤：（1）已知任意两个初态参数，查出其它各初态参数（p1，v1，t1，u1，h1，s1，x1）。（2）根据过程条件（定压、定温、定熵、定容）及终态的一个参数，查得终态各参数（p2，v2，t2，u2，h2，s2，x2）。（3）根据初终态参数及过程条件计算能量交换。（注意：根据取的系统为开口系统还是闭口系统，选用相应的“热－”“热二”）（4）将过程表示在状态图上（p-v，T-s，h-s…）。返回

第七章　湿空气 第一节湿空气的性质一、湿空气的成分干空气：空气中水蒸汽以外的所有气体。湿空气可以看作干空气和水蒸气的混合物。但由于湿空气中的水蒸气在一定条件下有相变，所以湿空气是一种特殊的理想混合气体。湿空气的总压力等于干空气和水蒸气的分压力之和，即：大气压力B＝pa＋pv 二、饱和空气和未饱和空气饱和空气：由干空气和过热蒸汽组成的湿空气。未饱和空气：由干空气和饱和水蒸汽组成的湿空气。露点：对应于水蒸气分压力的饱和温度，也是在含湿量不变的情况下使湿空气达到饱和时的温度，用td表示。三、绝对湿度和相对湿度绝对湿度：1m3湿空气中所含有的水蒸气质量，用ρv表示。相对湿度：湿空气的绝对湿度ρv与同温度下饱和湿空气的饱和绝对湿度ρv的比值，用φ表示。 φ愈小，表明湿空气愈干燥、吸取水蒸气的能力愈强。φ愈大，湿空气愈潮湿，吸取水蒸气的能力愈小。当φ＝0时，即为干空气；当φ＝1时，为饱和湿空气。返回

第七章　湿空气 四、含湿量含湿量：在含有1kg干空气的湿空气中，所含有的水蒸气质量，用d表示。或总压力不变的情况下，一定的水蒸汽分压力对应着一定的含湿量。五、湿空气的焓湿空气的比焓：含有1kg干空气的湿空气的焓值。 kJ/kg 六、湿球温度湿球温度：湿球纱布上的水与周围空气之间的温差达到某一稳定值时，水分蒸发的耗热量等于纱布上水从周围空气所获得的热量时，湿球表面形成很薄的饱和湿空气层，此时湿球温度计的读数称为湿球温度，用tw表示。干球温度、露点温度、湿球温度的相对大小：未饱和湿空气：td＜tw＜t 饱和湿空气：td＝tw＝t 返回

第七章　湿空气 第二节湿空气的基本热力过程一、湿空气的焓湿图（h-d图）湿空气的焓湿图由五种线群构成：等含湿量（d）线群、等焓（h）线群、等温（干球温度t）线群、等相对湿度（φ）线群、水蒸气分压力（pv）线群、热湿比（ε）。作用：1.确定湿空气的状态参数； 2.表示湿空气的状态变化过程。二、湿空气的基本热力过程 1. 加热过程：给湿空气加热，在此过程中，空气吸入热量，温度升高，相对湿度减小，含湿量不变，为等d过程，在h-d图上是一条垂直向上的直线。 2. 冷却过程（1）单纯冷却过程：湿空气降低温度，冷却后的温度高于湿空气的露点温度，湿空气的含湿量不变，为等d冷却过程。（2）析湿冷却过程：如果冷却后的温度低于湿空气的露点温度，则冷却过程中湿空气中水蒸气将会凝结析出，产生凝结水，湿空气的含湿量减小。 3. 绝热加湿过程：在绝热条件下，向湿空气中加入水分，增加其含湿量的过程，可以通过在喷淋室中喷入循环水滴来实现。绝热加湿过程可以视为等焓过程。 4. 绝热混合过程：通过几股不同状态的湿空气绝热混合，以得到温度和湿度符合要求的湿空气。返回

第八章　气体和蒸汽的流动 第一节稳定流动的基本方程稳定流动是只开口系统内每一点的热力参数与运动参数都不随时间变化的流动过程。本章只讨论一维稳定流动，即管道内垂直于轴向的任一截面上的各种参数值都均匀一致，流体参数只沿管道轴向或流动方向发生变化。一、连续性方程由质量守恒定律知，在稳定流动过程中，流道内各截面处的质量流量都相等：（常数）此式适用于任何工质的可逆或不可逆的稳定流动过程。二、稳定流动能量方程在管道流动中，与外界无轴功交换，位能变化很小，与外界的热量交换也很少，则可得：不作轴功的绝热稳定流动过程中，工质动能的增加等于其焓降。三、绝热过程方程当气体在管道内进行可逆绝热流动时，其状态参数变化符合理想气体等熵过程方程：（常数）返回

第八章　气体和蒸汽的流动 第二节管内流动的基本特性一、音数与马赫数音速：声音（即微小振动）的传播速度。当地声速：某一特定状态（如p,v,t时）下的声速，用a表示。马赫数：流体速度与当地声速的比值，用M表示：。根据马赫数的大小，将流动分为三种： M＜1，即c＜a，为亚音速流动； M＞1，即c＞a，为超音速流动； M＝1，即c＝a，为音速流动或临界流动。二、流速变化和压力变化的关系对定熵过程，可推得： cdc=-vdp气流速度增加(dc>0)，必导致气体的压力下降(dp<0)，这就是喷管中的流动特征。气体速度下降(dc<0)，则将导致气体的压力升高(dp>0)，这就是扩压管中的流动特征。三、管道截面变化的规律管道截面积与气流速度的关系满足： 1.喷管（降压增速）渐缩喷管：当进入喷管的气流速度是M＜1的亚声速气流时，则沿气流方向喷管截面积必须逐渐缩小。渐扩喷管：当进入喷管的气流是M＞1的超音速气流时，则沿气流方向喷管截面逐渐扩大。渐缩渐扩喷管：将M＜1的亚声速气流增大到成为M＞1的超声速气流，则喷管截面由逐渐缩小转为逐渐扩大。收缩与扩张之间的最小截面处称为喉部。返回

《 热工学 》

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