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工 程 热 力 学 毕明树 主编,目 录 绪论 基本概念 热力学基本定律 气体与蒸气的热力性质 气体与蒸气的热力过程 （Exergy）分析基础 热力循环基础 7 典型装备热力过程介绍,1 基本概念 1.1 热力系统 1.2 热力状态 1.2.1 热力状态及状态参数 1.2.2 状态参数的特性 1.2.3 平衡状态 1.3 热力过程 1.3.1 准静态过程 1.3.2 可逆过程,2 热力学基本定律 2.1 热力学第一定律 2.2 能量的传递形式 2.3 封闭系统的能量方程 2.4 开放系统的能量方程 2.5 稳流系统的能量方程 2.6 热力学第二定律 2.7 熵与克劳修斯不等式 2.8 熵产 2.9 熵平衡方程 2.10 孤立系统的熵增原理 2.11 热寂,气体与蒸气的热力性质 3.1 理想气体及其状态方程 3.2 热容、内能和焓 3.3 理想气体的内能、焓和比热容 3.4 理想气体的熵 3.5 理想气体的混合物 3.6 实际气体和理想气体的偏离 3.7 对比态定律与普遍化因子 3.8 实际气体的状态方程 3.9 湿空气的性质 3.10 水蒸气的热力性质 3.11 水蒸气的状态方程,气体与蒸气的热力过程 4.1 理想气体的热力过程 4.2 蒸气的热力过程 4.3 湿空气的热力过程 4.4 气体与蒸气的绝热节流过程 4.5 压缩机中的热力过程,exergy分析基础 5.1 exergy的概念 5.2 环境介质 5.3 exergy 的分类 5.4 exergy 的特点 5.5 exergy 的概念及其名称演变 5.6 exergy 值的计算 5.7 exergy 损 5.8 exergy 效率 5.9 exergy 与节能 5.7 热经济学,热力循环 6.1 蒸汽卡诺循环 6.2 朗肯循环 6.3 朗肯循环的改进 6.4 热电联产热力循环,7 典型装备热力过程介绍 7.1 工业锅炉简介 7.2 工业锅炉的几个问题 7.3 工业汽轮机简介 7.4 热管技术简介 7.5 热泵技术简介,绪论 0.1 能源、能量、能源的利用、热力学、热机、工质 能源：可以释放出能量的物质资源。 如化学燃料、风能、太阳能、核能、水能等。目前利用得最多的是化学燃料。,能量：表征物质运动（存在）状态的一个物理 量。（动能，位能，热量） 能源的利用 除了风能、水能可以直接转化为机械能外，其它能源品种往往需要转变为热能，除了少部分直接利用外，大部分通过热机转换为机械能或电能。 举例？,天然气 石油 燃烧炉 煤 工业热装置 电热装置 核能 核反应堆 太阳能 热机 机械能 发电机 地热能 用户 用户 用户,热 能,电 能,热力学：研究能量（特别是热能）的性质及其转换规律的科学。 热机：把热能转变为机械能（功）的由装置和工质组成的装备。 如蒸汽机、内燃机，蒸汽轮机，燃气轮机等。,工质：热机工作中的载能物质，如空气、蒸汽、氟利昂、氨等。 媒体！ 载体！ 工质必须有良好的膨胀性，以便于对外做功； 工质必须有良好的流动性。 所以：工质一般是气体或容易汽化的液体。 热力学的单位：国际单位,0.2 本课程介绍 本专业核心课程之一； 属于技术基础课； 工艺与装备之间的桥梁； 过程工程、能源工程、环境工程、生命科学等科学的共同基础与纽带； 促成科学的世界观和自然观的有力工具；,0.3 主要研究内容： 热能的表现形式及其特点； 热能与其它能量形式之间的转换规律； 能源的合理开发与利用； 能量传递与转换的规律； 指导企业的节能降耗、降低产品成本、减小对 环境的影响等工作； 说明：在人类利用的能量形式中，80以上是热量。,0.4 热力学研究方法的主要特点 宏观研究方法用表征系统总体性质的物理量 描述系统的热力学特点； 微观研究方法以构成系统的微观粒子的统计 学结果描述系统的热力学特点； 系统的观点； 抽象、概括、简化、理想化的处理方法； 演变的观点； 特别提醒：特别注意把握各种热力学概念的准确物理 意义。,1 基本概念 1.1 热力系统 系统,系统,环境,边界,信息交换,系统的确定：视研究的需要！,压缩机,换热器,喷管,气轮机,例1：包含4个子系统的系统！,例2：教室、东二院、东二院水系统、东二院电路 系统、昆明理工大学等等。 封闭系统,系统,环境,能量,没有物质交换！,开放系统,系统,环境,能量,物质,与封闭系统的区别：有无质量交换！,过程工业生产系统一般是什么系统？,绝热系统,系统,环境,可以有其它形式的能量交换，但无热量交换！,孤立系统,系统,环境,无能量、质量交换！,孤立系统一定是封闭系统！,系统及其子系统 系统可以视需要进一步划分为子系统。,蛋黄,蛋白,鸡蛋,子系统1,子系统2,边界1,边界2,环境,系统,热源T,气缸,活塞,连杆,飞轮,系统,t,压缩机,换热器,喷管,气轮机,4个子系统！,大系统 巨系统如互联网系统、股票交易系统 简单系统如工序、车间 复杂系统如人体系统、生态系统 简单大系统如化工厂 复杂大系统如人体系统 简单巨系统如一定量气体 复杂巨系统如互联网系统、股票交易系统,简单系统,还原论,总体等于局部之和,复杂系统,总体大于局部之和,整体论,1.2 热力状态 1.2.1 热力状态及状态参数 热力状态：系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状态。 如教室内气体在某一瞬间的存在情况。状 态随时间的变化历程称为热力过程，即热 力过程是由热力状态构成的。,由状态A到状态B是一个热力过程，其间的每一个点都对应一个热力状态,热力状态参数：描述系统的热力状态的宏观物理 量。如:压力、温度、内能、 熵、焓、等。 压力：气体分子对单位面积的容器内壁上的撞击 作用力的宏观统计结果。与分子密度、分 子运动平均速度等因素有关。,注意事项： 压力的三要素； 压力的单位； 绝对压力、相对压力、当地大气压； 压力测定方式：压力表、U型压差计、压力传感 器、其它间接方法等； 属强度参数，不具有加和性，不同于体积、质量 等物理量。,温度：表征分子（或原子）运动剧烈程度的宏观 物理量，或称为描述物质冷热程度的物理 量。 注意事项： 热力学第零定律：A、B两个系统分别与系统C处 于热平衡，则A、B也处于热 平衡。（仅是热平衡） 温度为强度参数； 温度为标量； 多种单位及单位换算（见14式）； 涉及温度变化时，每摄氏度与每开氏度是一样的。,比体积（比容）：单位物质所占的体积。密度 的倒数。 内能：组成热力系统的大量微观粒子本身所具 有的能量。 主要包括：动能，位能 ； 比内能 焓：HUpV ；单位：J，KJ； 比焓 熵： ；比熵,1.2.2 状态参数的特性 数学特性：只与状态有关，与过程无关。功与过 程有关，因此不属于状态参数。 强度参数：与系统内所含物质的多少无关的状态 参数，不具有加和性。如：压力、温 度、比容、浓度。 广度参数：不仅与系统的状态有关，还与系统内 物质的数量有关的物理量。如：质 量、能量、体积、焓、熵、 exergy、anergy、内能。,注意：单位质量物质的广度参数具有强度参数的性质（但不是强度参数）。 1.2.3 平衡状态 平衡状态：在没有外界影响的条件下，系统的宏 观状态不随时间变化的状态，即稳定 的状态。 条件： 热平衡：系统内温度均匀。 力平衡：系统内压力平衡。 相平衡：相之间达成平衡。一杯水，盖上盖子的 随后时间内？, 化学平衡：系统内物质浓度均衡，或即使不均 衡，但也无物质的传递。 满足上述条件，即达成动态的、相对的宏观平衡。 势过程进行的推动力！ 温度势：温度梯度 压力势：压力梯度 力势：力梯度 浓度势：浓度差 势与场!,温度场,压力场,如重力场,浓度场,1.3 热力过程和热力循环,平衡状态,来自外界的影响（提供过程进行的动力）,新的平衡状态,热力过程,驰豫时间,典型热力过程： 等温过程 等体过程 等压过程 热力循环：封闭的热力过程。,非平衡状态,平衡状态,热力过程,过程进行的推动力：势差！,1.3.1 准静态过程,系统,1,2,沙粒,p1,p2,状态1、2均为平衡态,取走沙粒的方式：,A：每次大量取； B：每次少量取； C: 每次取一粒,准静态过程：系统经历连续的平衡态从一个平衡态1演变至另一个平衡态2的热力过程。,推动力（压力差）无限小！,热源T,气缸,活塞,连杆,飞轮,系统,t,情况1：Tt ；非平衡热力过程 情况2：Tt；准静态过程,1.3.2 可逆过程,状态A,状态B,正过程,逆过程,系统经历正过程到达状态B，随后经过逆过程到达状态B，此时，环境未发生如何变化。,说明： 可逆过程的条件： 过程是准静态过程（推动力无限小）； 过程中无耗散效应（摩擦、非弹性变形、电流流 经电阻等） 实际进行的过程都是不可逆过程！可逆过程只存 在于想象中。 引出可逆过程的意义： 可逆过程是最理想的热力过程，是实际过程努力 的目标； 是研究系统演变的重要基础（例如：金属的腐 蚀、能源的利用等）。,理想气体自由膨胀,2 热力学基本定律 2.1 热力学第一定律,热力学第一定律,能量守恒与转化定律,发展,在热现象中的应用,热力学第一定律的核心：守恒 热力学第一定律的应用：能量平衡 进入系统的能量离开系统的能量系统储存的能量 只要数量相同，任何形式的能量都是等价的，即1KJ热量和1KJ功是等价的!,2.2 能量的传递形式 能量形式： 功 热量 物质携带,功的计算 电能（输入或输出） 体积功,膨胀功：,规定：系统对外做功为 负，反之为正。,输出功：,不可逆损失！,例：,解：,功：过程量！ 视角差别！,热量的计算,S熵，表征系统有序 度的热力状态参数。,h焓，表征系统储存能量 的热力学状态参数。,物质携带能量 储存能 储存能：化学内能如煤、石油、柴草等 物理内能如内能、焓 核能如铀等 物理内能： 物质粒子的内动能和内势能 内能 物质的宏观动能和势能 注意：内能是状态参数（也称为状态函数）。,2.3 封闭系统的能量方程 由热力学第一定律： 或：,内能变化U,吸收热量Q,膨胀功W,2.4 开放系统的能量方程 注意： 有物质进出系统； 存在推动功（流动 功）。 单位质量物质的推动功：,能量衡算： 进入系统的能量： 吸热 物质带入能量 上游推动功 出系统的能量： 系统输出功 物质带出能量 系统推动物质流出的推动功 由热力学第一定律：,定义：,得能量方程：,2.5 稳流系统的能量方程 特点： 系统内任一处的状态不随时间变化； 系统内无物质和能量的累积。 由上式简化得： 或 对上式的讨论！,例22 求： 压缩机功率； 喷管出口流速； 气轮机功率； 整套装置功率。,空气h1=280KJ/Kg C1=10m/s;m=100Kg/s,压缩机,换热器,喷管,气轮机,h2=560KJ/Kg C2=10m/s,q1=630KJ/Kg,H4=750KJ/Kg,H5=150KJ/Kg,2.6 热力学第二定律 2.6.1 热力学第一定律的特点和存在的问题 核心守衡！ 缺陷1不能指明过程进行的方向。 缺陷2认为同等数量的能量是等效的， 不管 能量的形式是什么样的，即1KJ的热量和1KJ 的其它能量是相等的！ 缺陷3基于该定律的一些结论是错误的。,例：蒸汽电站的能量损失分析,2.6.2 卡诺循环 卡诺循环：在温度T1和T2之间，由两个等温过程和两个绝热过 程组成的循环（封闭）。 过程12：工质定温膨胀做功，吸热Q1； 过程23：工质可逆绝热膨胀做功，温度由T1降至T2； 过程34：工质在温度T2下被定温压缩，得到压缩功， 向低温热源放热Q2； 过程41：工质被绝热可逆压缩，得到压缩功，温度由 T2升至T1。 由热力学第一定律：W0=Q1-Q2； 热效率：,2.6.3 热力学第二定律 在遵守热力学第一定律的前提下，什么样的过程可以自发进行？ 水往低处流； 水往高处流； 热量自发地由低温物体传向高温物体； 热量自发地由高温物体传向低温物体； 金属材料的腐蚀过程； 煤的燃烧及其反过程； 墨水在清水中的扩散过程及其反过程,结论：过程的进行是有方向性的！往哪个方向呢？ 热力学第二定律的表达形式： 克劳修斯：热量不能自发地由低温物体传向高温 物体。 开尔文：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全转变为有用功，而其它物体不发生任何变化。 只有在可逆过程中，才守恒。 孤立系统中，熵总是增加的熵增原理。 能自发进行的过程必然是损耗的过程。 能自发进行的过程必然是有序度降低的过程。,2.6.4 卡诺定理 定理一：在相同温度的高温热源和低温热源之 间工作的一切可逆循环，其热效率相等，且 与循环工质无关。 定理二：在相同温度的高温热源和低温热源之 间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于 相应可逆循环的热效率。,推论1：卡诺循环的热效率只取决于高温热源和低温热 源的温度； 推论2：因T1不可能无限大、T2不可能为零，故任何 循环的效率均小于1； 推论3：当T1=T2时，循环效率为零，即只从单一热源 吸热的循环是不可能把热转换为功的； 推论4：要提高实际热机的热效率，必须尽可能减小其 不可逆性； 推论5：在高温热源和低温热源之间传递Q的热量，其 中最大可能转换为功的能量是,2.7 熵与克劳修斯不等式 卡诺循环 由熵的定义： 在等温过程中，存在： 得: 规定：系统吸热为正，放热为负。则：,PM、QN为等熵线（可逆绝热线），P、Q之间的距离 无限小，则微循环PQNMP为微元卡诺循环，存在：,结论1：可逆循环的熵不变！ 结论2：熵的定义必须以可逆过程为基准！ 结论3：系统吸热则熵增加，反之减小！ 结论4：熵是状态参数！,卡诺定理二：在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于相应可逆循环的热效率。 对任意不可逆微元循环: 转换得: 对循环求和: 综合得克劳修斯不等式:,问题:克劳修斯不等式说明了 什么?,克劳修斯不等式的物理意义: 可逆循环: 不可逆循环: 不可能的循环:,例2-6: 问: 该装置能否成为热机? 该装置能否成为制冷机? 解: ,不可行!,可行!,2.8 熵产 若热力过程不构成循环,如何判断过程的进行方向? 思路:循环由过程构成 不可逆循环: 且: 得: 绝热过程: 在起终点状态相同的前提下,可逆过程的熵增最小!,熵流和熵产 可逆过程熵变: 不可逆过程熵变: 为熵流，表示系统与外界交换热量（可逆过程）而 引起的熵变。 为熵产，是由于过程的不可逆性（摩擦、有限温差 传热等）引起的熵增。, 摩擦引起的熵产 设系统经历一微元不可逆过程，吸热 、对外做 功 、摩擦功耗 ；相应的可逆过程吸热 、 做功 ,有： 得： 结论：摩擦耗功变成热，使系统的熵增加。, 有限温差传热引起的熵产 热源温度分别为T、T1（T1为工质温度，T1T）时， 过程的熵变分别为： 得： 结论：不可逆性使熵产大于0，意味着什么呢？,能量的蜕变降低品位！,2.9 熵平衡方程 目的：求熵产！ 平衡方程： 稳定流动系统 绝热稳定流动系统 封闭系统,例28： 空气熵变： 焓变： 问：该绝热稳定流动过程能否实现？ 解：过程是否满足热力学第一定律？ 过程是否满足热力学第二定律？,满足！,满足！,过程可以实现！,2.10 孤立系统的熵增原理 问题：如何判断一个过程能否进行？ 过程是否满足热力学第一定律？ 能量不能被创造、也不能被消亡，能量是守恒的，任何过程都遵守此规律！ 过程是否满足热力学第二定律？ 第一定律并不能回答过程进行的方向问题，而实际过程往往只能朝某一个方向进行。热力学第二定律能够回答过程的方向的问题并指明了过程进行的方向，因此也是过程必须遵守的规律！,例29: 将65C的水中的20变为 100C的水，其余的水将 热量传递给15C的大气， 最终水温也为15C，能否 用热力设备实现该过程？ 解：必须注意：不能通过外加能量的方式实现此过程！ 方法1：把80水当中的能量传递给另外20的水！如 何办？多热源循环？ 方法2：利用孤立系统的熵增原理进行判断！,复习：可逆过程 系统中发生的过程对环境有影响吗？什么样的系统对环境无影响？ 与外界无能量和物质交换的系统！,不要给环境留下任何痕迹！,孤立系统！,基本思路：把待分析系统和环境视为一个系统，则 该系统为孤立系统，通过分析该系统的 热力学特性，进而得到待分析系统的特 性。该方法有广泛的适用意义。 对可以实际存在的热力系统，有： 此即为孤立系统的熵增原理,只有可逆过程与环境构 成的系统才能保持熵不变。违背此原理的热力系统是 不可能客观存在的。,例29,说明： 熵增原理只适用于孤立系统； 对复杂的孤立系统，熵增原理不一定适用于其子系统，除非该子系统也是一个孤立系统； 由孤立系统的熵变可以判断孤立系统热力过程的发生方向： 自发过程 可逆过程 不可能的过程 要使 的过程得以实现，必须配置一个熵增的过程，使二者组成的系统熵变大于零。,问题：熵增原理的意义？ 判断孤立系统热力过程的方向。 节约能源和一切资源！ 热寂 节能和广义节能,2.11 热寂 2.11.1 过程的推动力势差 如：重力场势差 热力场温差 压力场压差 物质场浓度差 有效能（exergy）,2.11.2 不可逆因素势的损耗 可逆过程 不可逆因素 如： 有限温差传热 摩擦 质量扩散 化学反应,2.11.3 熵增原理与热寂 孤立系统：与外界无任何物质、能量、信 息交流的系统。 Stodola公式：E=T0S 对孤立系统，熵只增不减，即系统的 序降低，有效能单向减少。,演化 系统的对称性高，有序度低 热寂！（Clausius） 与环境的彻底平衡！ （物理的和化学的平衡）,习题3： 1、下列说法是否正确？为什么？ 机械能可完全转化为热能，而热能却不能完全转化为机械能。 热机的热效率一定小于1。 循环功越大，热效率越高。 一切可逆热机的热效率都相等。 系统温度升高的过程一定是吸热过程。 系统经历不可逆过程后，熵一定增大。 系统吸热，其熵一定增大；系统放热，其熵一定减小。 熵产大于0的过程必为不可逆过程。,2、循环热效率公式 与 是否完全相同？,3 气体与蒸气的热力性质 问题1：气体形态的物质在热力系统中的普遍性。 问题2：角色扮演,状态参数之间的定量关系？热力性质,3.1 理想气体及其状态方程 理想气体（理想液体、理想叶轮）的概念和思想 方法。 什么样的实际气体可以按照理想气体来处理？ 理想气体状态方程 对一定量的理想气体：pV=nRT、或pV=mRT； 特别提示：式中符号的物理意义和单位及数值。,3.2 热容、内能和焓 3.2.1 热容和比热容 热容：物质温升（或温降）1C(或1K）所吸收 （或释放）的热量。 比热容：单位质量物质温升（或温降）1C(或 1K）所吸收（或释放）的热量。一般习惯 称为热容。 3.2.2 比定容热容和比等压热容 比定容热容,热量是过程量！,比等压热容 比热容比 也称为气体的绝热指数，如空气的绝热指数为1.4。,3.3 理想气体比热容、内能、焓的计算 3.3.1 比热容计算 说明：许多教材上的回归计算公式都存在较大的误差，而按MATLAB回归得到的结果更准确。,由文献1计算出H2定压比热容Cp值与查表Cp值（KJ/kmolK）,3.3.2 内能、焓计算 实际物质： 对定容过程： 对定压过程： 理想气体： 对一切热力过程：,理想气体的内能和焓的计算方法： 方式1：比热容按定性温度取定值； 方式2：比热容按回归公式带入计算； 或： 方式3： 热容也可以按定值或回归公式计算。,说明： 物质的内能和焓是利用热力学第一定律对系统的能量进行衡算时常用的热力学函数，都属于广度参数，具有加和性。 物质的内能、焓、热容的理论计算复杂且耗时，故可能的话一般不通过此途径求取，而是利用他人整理、计算得到的图表和公式计算。（如附录、手册） 一般来说，过程工业涉及到的物质以液体和气体为主，其中的一部分可以按理想液体或理想气体处理，其它的只能按实际的特殊个案处理，尤其对混合气体的计算，一定要特别小心！,3.4 理想气体的熵 考虑到有： 得： 计算方式1：比热容按定值带入 计算方式2：比热容按回归公式带入,例32 氮气： 系统内无做功部件，绝热过程，问过程能否实现？ 解： 过程是否满足热力学第一定律？ 过程是否满足热力学第二定律？,可行！,可行！,理论上可行！技术上？,3.5 理想气体的混合物 理想气体混合物：各组分都是理想气体的混合气体。 3.5.1 理想气体混合物的成分 质量分率 体积分率（摩尔分率）,关系： 3.5.2 道尔顿分压定律,3.5.3 平均分子量和平均气体常数 视混合气体为某一种单一气体： 行为等效（摩尔数、质量与混合气体相等） 备注：,3.5.4 理想气体混合物的比热容、内能、焓 比热容 单位质量热容 单位摩尔热容 单位体积热容,内能 一定量混合气体的内能 一定量混合气体的内能变化 单位质量混合气体等效内能,焓 一定量混合气体的焓 一定量混合气体的焓变 单位质量混合气体等效焓,熵 一定量混合气体的熵 一定量混合气体的熵变 单位质量混合气体等效熵,例34 绝热过程；抽去隔板；混合均匀；理想气体 求： 两种气体的质量； 混合气体的压力和温度； 混合 气体中的分压； 混合过程的熵变。 解：,启示？,3.6 实际气体与理想气体的偏离 理想气体： 实际气体： 其中：Z为压缩因子，代表了实际气体与理想气体之 间的偏离程度。 Z1 ，实际气体与理想气体无差异； Z偏离1越大，实际气体偏离理想气体也越远。,3.7 对比态定律与普遍化压缩因子 3.7.1 临界状态 临界点相之间的平衡点，如水的临界点（0.101325MPa,100C）， （0.1MPa,0C） 气体也能液化：降低温度并提高压力！ 气体的临界点：在某温度和某压力情况下，气体转变为液体且无两相共存的情况出现，此温度和压力分别称为临界温度和临界压力，由此决定的状态即为临界状态。 如：空气的临界状态为3775.58MPa,132.42K； 氧气的临界状态为5045.99MPa,154.60K,3.7.2 对比参数和对比态定律 对比参数：实际参数与相应临界参数的比值。如 对比压力： 对比温度： 对比比体积： 对比态方程：,对比态定律对遵循同一个对比态方程的任何物 质，如果它们的对比参数中有两个对 应相等，则另一个对比参数一定相 等，这些物质也处于相同的对应状 态，具有热力学状态的相似。 例如：空气的临界状态为3775.58MPa,132.42K； 氧气的临界状态为5045.99MPa,154.60K； 如空气的压力和温度分别为0.1MPa,298K 问题：如果要求两种气体具有相同的对应状态，则氧气 的压力和温度应分别为多少？此时两种气体的对 比参数各为多少？,3.7.3 普遍化压缩因子 临界压缩因子 由实验得到： 之间的关系。在此基础 上，可以方便地求取任何实际气体在任何状态下的 压缩因子。进而得到任何实际气体在任何状态下的 气体状态方程。 思考：此方法的艺术性？,3.8 实际气体状态方程 3.8.1 维里方程 更进一步的皮查尔普遍化关联式：,3.8.2 范德华方程 考虑实际气体与理想气体的差异而提出。 特点： 具有理论研究意义和方法论意义； 误差偏大。,3.8.3 RK方程 对范德华方程的改进： 其中：,3.8.4 SRK方程 对RK方程的改进： 其中：,3.8.5 PR方程 对RK方程、 SRK方程的改进： 其中：,说明： 还不断地有新的方程推出； 范德华方程的方法论意义； 对于含有氢气成分的混合气体，其状态方程、物性常数的计算等都有特定的公式（参见氮肥工艺设计手册等），不能采用上述公式计算。切记！,3.9 湿空气 湿空气是干空气与水蒸气的混合物，对于压力不高，湿度不大的湿空气，可以按理想气体混合物处理。 湿空气符合道尔顿分压定律； 湿空气的焓值（以1kg干空气为基准，且规定273K时干空气和水蒸气的焓为零）： 湿空气的熵值（以1kg干空气为基准，且规定273K，100kPa时干空气和水蒸气的焓为零）： 注：d为湿空气的绝对湿度。,3.10 水蒸气的热力性质 水蒸气的特点： 较好的热力学性质相态、热容 易得 无毒、无污染 可以回收利用 不能按理想气体处理水蒸气离液态不远！ 迄今无法通过纯理论方法得到水蒸汽的热力学规律！主要通过实验并归纳出复杂的经验公式，经计算机编程计算后绘制成各种水蒸气热力性质表或图。,几个概念： 水的饱和温度：一定压力下，水开始沸腾的温度。如： 0.1MPa条件下，99.63的水开始沸腾 0.101325MPa条件下，100的水开始沸腾 饱和水 饱和蒸汽 蒸汽的干度：饱和水与饱和蒸汽共存时，饱和蒸汽的质量百分比。,1,过程线：12 未饱和水 23 汽化 34 过热蒸汽 2c 饱和水线 3c 饱和蒸汽线,p,v,1,2,4,3,c,T,s,1,2,4,3,c,3.11 水蒸气的状态方程 典型方程（乌卡诺维奇方程）：,气体与蒸气的热力过程 4.1 理想气体的热力过程 热力过程：系统热力状态的变化历程。,热力状态 A,热力状态 B,热力过程1,热力过程2,演变的观点！,研究的主要问题： 建立过程方程，以便确定任一时刻的状态参数； 确定过程中的能量方程，定量描述能量传递与转换的情况。 目的：为热工装置的设计和运行提供依据。,过程演变的规律！,4.1.1 定容过程 过程方程： 状态参数的变化规律： 能量转换：,等体过程,12：吸热过程， 13：放热过程,2,1,3,4.1.2 定压过程 过程方程： 状态参数的变化规律： 能量转换： 膨胀功： 技术功： 热量：,等压过程,1,2,1,3,12：吸热过程， 13：放热过程,2,1,3,4.1.3 定温过程 过程方程： 状态参数的变化规律： 能量转换： 膨胀功： 技术功： 热量：,等温过程,2,1,3,12：吸热过程， 13：放热过程,2,1,3,4.1.4 绝热可逆过程 过程方程： 或 状态参数的变化规律： 能量转换： 膨胀功： 技术功： 热量：,2,1,3,12：膨胀过程， 13：压缩过程,2,1,3,4.1.5 多变可逆过程 过程方程： 状态参数的变化规律： 能量转换： 膨胀功： 技术功： 热量：,小结： 过程方程 规律不同 过程？结果？ 你知道哪些过程的过程方程？ 多变？等温？,过程演变的规律！,多变过程是最普遍的热力过程。 m=0 定压过程 m=1 定温过程 m=k 绝热过程 m=无穷大 定容过程 问题：状态演变过程中，m一定保持恒定吗？,过程方程 如何影响状态参数？ 如何影响过程参数？ 例如：功（膨胀功、技术功） 例如：熵产 对比总结不同热力过程演变中能量的转换传递,4.2 蒸气的热力过程 计算方式：利用水蒸气的焓熵图。 精度高的状态方程很复杂； 热力学函数 且复杂。 焓熵图说明： 横坐标为熵，纵坐标为焓； 图中有四类曲线，分别是等温线、等压线、等容线、和等干度线;,4.3 湿空气的热力过程 湿空气：干空气与水蒸气的混合物。 绝对湿度：单位容积的湿空气中包含的水蒸气质量。 饱和空气：水蒸气出现凝结现象时的湿空气。 相对湿度：湿空气的绝对湿度与饱和空气的绝对湿度 之比。 湿空气的分析模型：理想混合气体（压力高时偏差大） 热力过程分析方法：律分析和律分析方法。,4.4 气体的绝热节流,能量方程： 结论：绝热节流过程为等焓过程、熵增过程。,4.5 压缩机中的热力过程 4.5.1 容积式压缩机工作原理,等温过程,4.5.2 理想压缩循环功的计算,p,v,1,2,3,4,p1,v1,v2,p2,4.5.3 实际压缩循环功的计算,5 exergy 分析基础 5.1 exergy 的概念 5.1.1 能量的做功能力 如何确定能量的品质？能量的做功能力！ 能量的做功能力：能量转化为功的限度。 能量的品质：能量的做功能力。 对1KJ的热量，如果T2298K， 而T1分别为773K和373K，问： 对应的W？ w1=0.614(KJ);w2=0.201(KJ),1KJ功 1KJ热量 1KJ热量 ？功 结论：不同能量形式的品质不同！同种能量形式不同 参数能量的品质也不同！ 对能量的描述：兼顾能量的数量和质量（品质），数 量和质量并重！,5.1.2 已有的能量参数的局限性 焓：不能反映能量的“品质”！ 例：绝热节流是等焓过程，但节流前后工质做功 能力不同！ 内能：不能反映能力的品“质”！ 例：等温自由膨胀前后的内能不变，做功能力 却不一样！ 熵：与能力的品质有关，但不是能量参数，也不能反 映能量的数量！,等温过程,5.1.3 能量转换的限度 可无限转换的能量：如电磁能、机械能（风能、水能），理论上可以全部转换为其它形式的能量，“质”与“量”是统一的。 可有限转换的能量：如热量，可以部分转换为功，“质”与“量”不统一。 不可转换的能量：如环境介质的内能，不能转换为功！“质”与“量”极端不统一。 例：地球上的海水约1.42E21Kg,若降温1.62E-6K,释 放能量9.64E15KJ,相当于1962年全世界的耗电总量！,结论1：可无限转换的能量，理论上可以全部转换为其 它形式的能量，“质”与“量”是统一的。 结论2：能量中包含两个部分，一部分为可无限转换的 能量，另一部分为不可转换的能量。 结论3：“可无限转换的能量”“质”与“量”统一，可 以作为评价能量的一种尺度。 ：以给定的环境为基准，理论上能够最大限度转换 为“可无限转换能量”的那部分能量。,问题1：“给定的环境”？ 低温热源的温度对卡诺效率的影响？ 如何保证热量品质的可比性？ 常温下的煤和泥土，能量有区别吗？ 常温下干电池能产生电能，为什么？ 结论：在界定exergy 的时候，需要规定一个统一的物 理的和化学的环境条件，称之为“环境介质”。,问题2：“最大限度”？ 耗散效应对能量转换的影响？ “只有在可逆过程中，才存在最大的能量转换效率” 问题3：如何确定？ 能量 exergy anergy 可无限转换的能量：能量exergy 可有限转换的能量：能量exergyanergy 不可转换的能量：能量anergy,5.1.4 能质系数 exergy/能量 可无限转换的能量： 1 可有限转换的能量： 01 不可转换的能量： =0 结论：能质系数描述了能量品位的高低！ 问题：如何计算热量的能质系数？,5.2 环境介质 环境介质的确定是确定的前提！ 应该建立一种统一的、通用的环境介质模型！ 在确定环境介质模型时，应考虑环境介质的物理性质和化学性质！ 环境介质的exergy 为0！,表示了所研究系统偏离环境介质的距离，偏离越远， exergy 值越大！ 环境介质包括了大气圈、水圈、岩石圈！并与自然环境接近！ 环境介质由蜕化程度最高的物质并按大自然的构成（物理的和化学的）为蓝本。,环境介质的物理约束：1atm，298.15K 环境介质的化学约束： 以蜕化程度最高的物质，或高度蜕化且广泛存在于自然界中的物质作为元素值计算的基准； 随着物质的吉布斯自由能的完善，环境介质的组成会发生局部调整。,成分， N2 74.1 O2 22.3 H2O 1.9 Ar 1.3 CO2 0.5,成分， NaCl 26.6 MgCl2 3.1 H2O 96.57% MgSO4 1.6 CaSO4 1.3 KCl 0.7,成分， 白云石42.9 滑石 24.5 莫来石 23.6 赤铁石 7.4 金红石 0.9 磷灰石 0.5 软锰矿 0.2,5.3 的分类 物理 功exergy 以机械能形式呈现，如动能exergy 、 势能exergy 、 光能exergy 等。 热量exergy 与冷量exergy 内能exergy 焓exergy 化学 化学反应 扩散,5.4 exergy 的特点 具有能量的属性 具有等价性（尚有争议） 具有相对性：以环境介质为基准 具有加和性和可分性 在可逆过程中， exergy具有守恒性,在不可逆过程中， 具有非守恒性，不可避免地有一部分蜕化为，造成损失。 从做功能力的角度完成了对能量的数量和品质的全面描述，是最合理的能量参数。 是物质或其运动偏离平衡态环境介质程度的度量，也是唯一的与环境相联系的物理量，因而为环境评价奠定了基础。 exergy 与环境科学、生态学的结合引出了生态学。 与经济学的结合引出了热经济学。,5.5 exergy 的概念及其名称演变,5.6 值的计算 功exergy ：能量即exergy 热量exergy ： 物质流的物理exergy ,物质流的化学exergy 反应exergy (c)地壳中标准成分；(a)空气中标准分压 扩散exergy ,5.7 exergy 损 exergy 损原因：不可逆因素 exergy 损计算 exergy 平衡计算 如稳流系统： 进系统exergy 值出系统exergy 值 exergy损 熵产计算法（Stodala公式）,5.8 exergy 效率 定义的主观性较强，一般定义为： exergy效率反映了过程的热力学完善度的高低，反应了对能源或资源的有效利用程度。 能效率与exergy 效率的联系与区别： 律能效率 律exergy效率,典型用能装置的exergy 效率,5.9 exergy 与节能 节能即是节exergy 广义节能的观点 能级匹配原则（依据见上表） 节exergy 与经济合理性的关系：节exergy 不节钱！,5.10 热经济学（ exergy经济学） 节exergy 不节钱的问题！ 例如：换热器的设计 传热温差越小，过程的不可逆性越小， exergy 损也越小，但换热面积或总传热系数必须增大！ 换热面积增大：造价提高！ 总传热系数增大：造价提高、功增大、动力费用增加！,技术经济学 热泵技术、热经济学优化设计 的启示如果先进的技术不仅不能带来经济成本的下降，反而使得经济成本上升，这种先进技术的命运会是什么样的？ 低成本排污、大量燃烧煤 的结果对资源的破坏！代价是不可持续发展更大的经济成本！,经济和技术应该结合！, 技术经济学的任务 结合点：经济指标，或经济与技术融合成的评价指标，如年度总费用、单位产品成本、单位收益（exergy)成本等。 技术经济学的任务,资源才是地球上真正的财富！,什么是人类最重要的财富？是金钱？,资源？人力资源和环境禀赋？,对！知道可持续发展的含义吗？,既满足当代人的要求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展！,技术经济学最根本的任务就是实现可持续发展！,技术经济生态学优化 技术优化资源的有效利用 经济优化低成本 生态学优化对环境的影响最小,可持续发展！,Min(资源成本、资金成本、环境成本）,基础,手段,目标,热力循环 热力循环：工质在热机中经过一系列的热力学过程并最 终回到工质的起始状态的整个过程。 热力循环的目的：能量转换！ 热力循环的类型（按目的分）： 动力循环：热量转换为机械能的热力循环 内燃式循环 如内燃机 外燃式循环 如蒸汽锅炉, 广义热泵循环 制冷循环 如冰箱 热泵循环 如热泵 热力循环的类型（按工质分）： 蒸汽循环：循环中有相变 如水蒸气 气体循环：循环中无相变 如空气、燃气,6.1 蒸汽卡诺循环 复习