工程热力学课件

1-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈11-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈2什麼是工質？定義：實現能量轉化的媒介物質製冷工程中又稱為製冷劑對工質的要求:1）膨脹性2）流動性3）熱容量4）穩定性，安全性5）對環境友善6）價廉，易大量獲取物質三態中氣態最適宜作為工質3工質的舉例火力發電、核電等水蒸氣太陽能、地熱發電、製冷設備等低沸點物質：氨、氟里昂內燃機、燃氣輪機燃氣和空氣4什麼是熱力系統？被人為地分割出來，作為熱力學研究對象的有限物質系統外界：系統以外的所有物質邊界(介面)：系統與外界的分界面5系統、外界和邊界6邊界特性

固定、活動 真實、虛構71-鍋爐；2-汽輪機；3-凝汽器；4-水泵a）以鍋爐為熱力系統；b）以汽輪機為熱力系統；c）以整個蒸汽動力裝置為熱力系統劃分熱力系統舉例8熱力系統分類以系統與外界關係劃分：

有無有無品質傳遞 開口系 閉口系有無熱量傳遞 非絕熱系 絕熱系有無能量、物質傳遞 非孤立系 孤立系9熱力系統其他分類

熱力系統

物理化學性質

均勻系

非均勻系工質種類多元系單元系相態多相單相10關於熱力系統重點掌握開口系、閉口系、絕熱系、孤立系熱力系的選取取決於研究目的和方法，具有隨意性，選取不當將不便於分析。一旦取定系統，沿邊界尋找相互作用。系統與外界的作用都通過邊界，看是否有品質交換、熱量傳遞、功的傳遞及其他形式能量傳遞。11簡單可壓縮系統工程熱力學中最常見、最重要的熱力系統因為熱能動力裝置常用工質都是可壓縮流體（水蒸氣、空氣、燃氣等）系統與外界只交換熱量和一種准靜態的體積變化功（膨脹功和壓縮功）體積變化功只與工質的壓力和體積的變化量有關工程熱力學中討論的大部分系統都是簡單可壓縮系統121-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈13定義狀態：某一瞬間工質所呈現的宏觀物理狀況狀態參數：描述工質所處狀態的宏觀物理量工程熱力學中常用狀態參數？基本狀態參數：溫度T、壓力p、體積V、熱力學能U、焓H、熵S涉及化學反應：化學勢μ、亥姆赫茲自由能F、吉布斯自由能G14狀態參數的特徵狀態確定，則狀態參數也確定，反之亦然狀態參數的積分特徵：狀態參數的變化量與路徑無關，只與初終態有關狀態參數的微分特徵：全微分15狀態參數的積分特徵狀態參數變化量與路徑無關，只與初終態有關，如溫度、壓力12ab16狀態參數的微分特徵設dz是全微分17基本狀態參數：溫度熱力學定義：處於同一熱平衡狀態的各個熱力系，必定有某一宏觀特徵彼此相同，用於描述此宏觀特徵的物理量為溫度熱平衡：熱力系相互接觸時，相互間無宏觀熱量傳遞，稱它們處於熱平衡狀態宏觀：表示物體的冷熱程度微觀：標誌物質分子熱運動的激烈程度，是衡量分子平均動能的量度18熱力學第零定律如果兩個系統分別與第三個系統處於熱平衡，則兩個系統彼此必然處於熱平衡。1930年由福勒（R.H.Fowler）正式提出溫度測量的理論基礎19溫度單位開氏（絕對）溫標：T(K)攝氏溫標：t(℃)華氏溫標：t(F)溫標換算關係20基本狀態參數：壓力單位面積上承受的垂直作用力物理中壓強，單位Pa，N/m2常用單位：1kPa=103Pa（千帕）1MPa=106Pa（兆帕）1bar=105Pa（巴）1atm=760mmHg=1.01325×105

Pa（標準大氣壓）1mmHg=133.3Pa（毫米汞柱）1mmH2O=9.81Pa（毫米水柱）1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa（工程大氣壓）21絕對壓力與相對壓力絕對壓力p真實壓力相對壓力絕對壓力p與環境壓力pb之差是否高於環境壓力：表壓力pg、真空度pv注意：只有絕對壓力p才是狀態參數22p>pb表壓力

pgp<pb真空度

pvpbpgpvp相對壓力：表壓力與真空度p23環境壓力與大氣壓力環境壓力指壓力錶所處環境的壓力大氣壓力指當地大氣的壓力環境壓力一般為大氣壓，但不絕對大氣壓隨時間、地點變化在計算時絕對壓力時要看清楚環境壓力是否為大氣壓力24溫度和壓力都是強度量壓力的變化速度快，以音速傳播溫度的變化慢，隨著熱量的傳遞而改變壓力的改變具有即時性溫度的改變具有滯後性25基本狀態參數：比體積單位品質物質所占的體積，v（m3/kg）表徵工質聚集的疏密程度物理中常用的是密度，ρ（kg/m3）在熱力學中使用比體積更方便261-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈27平衡狀態定義：在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統的狀態參數不隨時間變化，則該系統處於平衡狀態引起不平衡的因素：溫差—

存在熱不平衡壓差—

存在力不平衡相變—

存在相不平衡化學反應—

存在化學不平衡平衡的本質：不存在任何不平衡作用達到熱平衡、力平衡、相平衡、化學平衡28平衡狀態特點有確定的狀態參數，能夠在座標圖上用一點表示（如T、p、v等）非平衡狀態能夠自發地趨於平衡狀態（熱二律，熵增原理使之趨於平衡狀態）舉例：鐵塊、氣體混合平衡狀態是靜態，沒有能量交換，那麼如何描述非平衡狀態？平衡狀態狀態不變化能量不能轉換29平衡與穩定穩定：參數不隨時間變化（銅棒）穩定但存在不平衡勢差，若去掉外界影響，則狀態變化（去掉熱源、冷源）平衡一定穩定，穩定不一定平衡30平衡與均勻平衡：時間上均勻：空間上平衡不一定均勻，但單相平衡態一定是均勻的31狀態方程平衡狀態可用一組狀態參數描述其狀態狀態公設：對組元一定的閉口系，獨立狀態參數數目N=n+1想確切描述某個熱力系，是否需要所有狀態參數？獨立狀態參數數目N=能量轉換方式的數目

=各種功的方式+熱量=n+1n:體積變化功、電功、拉伸功、表面張力功等32簡單可壓縮系狀態方程簡單可壓縮系（僅體積變化功）：N=1+1=2狀態方程：描述基本狀態參數（p,v,T)之間的關係的方程，具體形式取決於工質的形式，如理想氣體、實際氣體33狀態參數座標圖簡單可壓縮系N=2，是平面座標圖pv1）系統任何平衡態可表示在座標圖上2）過程線中任意一點為平衡態3）非平衡態無法在圖上用實線表示21341-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈35如何描述非平衡過程平衡狀態能量交換狀態變化破壞平衡非平衡狀態如何描述平衡、靜態與過程是矛盾的，熱力學引入准平衡（准靜態）過程的概念系統經歷的一系列中間狀態都無限接近於平衡狀態的熱力過程稱為准平衡過程36一般過程p1，T1p0，T0p1

=p0T1=T0突然加上重物最終p2

=p0+重物T2

=T0pv2.1.p2，T237准平衡過程假如重物有無限多層每次只加上無限薄一層pv2.1.系統隨時接近於平衡態p1，T1p0，T0p1

=p0T1=T038准平衡過程有實際意義嗎？既是平衡，又是變化既可用狀態參數描述，又可進行熱功轉換疑問：理論上准平衡過程應無限緩慢，工程上怎樣處理？39准平衡過程的工程條件例：活塞式內燃機轉數為2000轉/分曲柄2衝程/轉，0.15米/衝程活塞運動速度=200020.15/60=10m/s壓力波恢復平衡速度（聲速）340m/s破壞平衡所需時間（外部作用時間）>>恢復平衡所需時間（馳豫時間）一般的工程過程都可認為是准平衡過程40

系統經歷某一過程後，如果能使系統與外界同時恢復到初始狀態，而不留下任何改變，則此過程為可逆過程注意

可逆過程只是指可能性，並不是指必須要回到初態的過程可逆過程41准平衡過程+無耗散效應=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(摩阻，電阻，磁阻，非彈性變性等）

不平衡勢差

不可逆根源耗散效應

耗散效應可逆過程的實現42不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節流過程（閥門）p1p2p1>p2典型的不可逆過程43混合過程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空••••••••••••典型的不可逆過程44關於可逆過程可逆過程必然是准平衡過程，同時過程中不存在任何耗散效應可逆過程可用狀態參數圖上的連續實線表示實際過程都是不可逆的，可逆過程是不引起任何熱力學損失的理想過程。對於實際過程應儘量減少不可逆因素，使其盡可能接近可逆過程可逆過程完全理想化，對於工程熱力學的研究範圍內用可逆過程的概念，而准平衡過程很少用除典型不可逆(如節流、自由膨脹等)外，本書所有熱力過程都可看成可逆過程451-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈46功的定義力學定義:力乘以在力方向上的位移熱力學定義：功是熱力系統通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現為舉起重物功是系統與外界相互作用的一種方式，在力的推動下，通過有序運動方式傳遞的能量。功的單位：J、kJ；功率的單位：W、kW規定系統對外界作功取為正，外界對系統作功取為負47功的一般運算式熱力學最常見的功

體積變化功

其他准靜態功：拉伸功，表面張力功，電功等功的運算式48示功圖（p-V圖）m

kg工質：1

kg工質：49可逆過程體積變化功的說明可在p-V圖（示功圖）上用面積表示功是過程量，功的大小與路徑有關體積變化功包括膨脹功和壓縮功dV>0膨脹對外作功（正）

dV<0壓縮外內作功（負）適用於可逆過程下的任何工質（理想氣體、水蒸氣等）工程熱力學中的功多指體積變化功50熱量定義：熱力系和外界之間僅僅由於溫度不同而通過邊界傳遞的能量熱量是熱力系與外界相互作用的另一種方式，在溫差的推動下，以微觀無序運動方式傳遞的能量。國際單位：J，kJ，和功的單位相同非法定單位：cal，kcal熱功當量：1cal=4.1868J規定系統吸熱取為正，系統放熱取為負51熱量如何表達？熱量是否可以用類似於功的形式表示？引入“熵”W=pdV52熵的定義Reversible:可逆的熵的簡單引入比熵[J/(kg·K)]ds：可逆過程qrev除以傳熱時的T所得的商

廣延量[J/K]53熵的說明熵是狀態參數符號規定系統吸熱時為正Q>0dS>0系統放熱時為負Q<0dS<0熵的物理意義：熵體現了可逆過程傳熱的大小與方向用途：判斷熱量方向計算可逆過程的傳熱量54示熱圖（T-s圖）551-5功和熱量第1章基本概念1-1工質和熱力系統1-2狀態參數1-3平衡狀態1-4熱力過程1-6熱力迴圈56熱力迴圈定義：工質從某一初始狀態出發，經過一系列中間過程又回到初始狀態，稱工質經歷了一個熱力迴圈要實現工質的連續作功，必須構成熱力迴圈特點：狀態參數座標圖上為一閉合曲線分類：可逆迴圈和不可逆迴圈可逆迴圈：全部由可逆過程組成的迴圈不可逆迴圈：迴圈中有部分過程或全部過程是不可逆的迴圈根據迴圈效果的不同，分為正向迴圈和逆向迴圈57正向迴圈淨效應：對外作功淨效應：吸熱熱能轉化為機械能的迴圈，順時針方向pv21Ts12wnetq1-q2=wnet58逆向迴圈淨效應：對內作功淨效應：放熱機械能轉化為熱能的迴圈，逆時針方向Ts12q1-q2=wnetwnetpv2159熱力迴圈的評價指標正迴圈：對外作功，吸熱熱效率WQ1Q2T2T160熱力迴圈的評價指標逆迴圈：對內作功，放熱WQ1Q2T2T11.製冷迴圈：製冷係數2.熱泵迴圈：熱泵係數61例題某發電廠平均生產1度電需消耗350克標準煤，已知標準煤的熱值為29308kJ/kg，試求這個電廠的平均熱效率是多少？解：收益：1度電=1kW·h=1kJ/s*3600s=3600kJ代價：350克標準煤發熱=0.35kg*29308kJ/kg=10257.8kJ效率：62課後思考題對於開口系統一定是非絕熱系嗎？有人說，不可逆過程是無法恢復到初始狀態的過程，這種說法對嗎？“工質吸熱溫度升高，放熱溫度降低”，這種說法對嗎？“高溫物體所含熱量多；低溫物體所含熱量少。”這種說法對嗎？為什麼？經過一個不可逆迴圈後，工質又回復到起始狀態，那麼，它的不可逆性表現在什麼地方？63第3章理想氣體的性質3-2理想氣體比熱容3-3理想氣體的熱力學能、焓、熵3-4理想氣體混合物3-1理想氣體狀態方程64第3章理想氣體的性質3-2理想氣體比熱容3-3理想氣體的熱力學能、焓、熵3-4理想氣體混合物3-1理想氣體狀態方程65理想氣體的概念理想氣體是一種經過科學抽象的假想氣體，在自然界中並不存在。理想氣體兩點假設：理想氣體的分子是不占體積的彈性質點，分子之間不存在相互作用力。理想氣體是實際氣體在壓力趨近於零（p→0），比體積趨近於無窮大（v→∞）時的極限狀態。在兩點假設條件下，氣體的狀態方程非常簡單。66理想氣體和實際氣體常見的氣體，如H2、O2、N2、CO、空氣、火力發電廠的煙氣等，在壓力不是特別高，溫度不是特別低的情況下，都可以按理想氣體處理。對於那些離液態不遠的氣態物質，例如，蒸汽動力裝置中作為工質的水蒸氣、製冷裝置中所用的工質，如氨氣（NH3）等，是實際氣體，不能當作理想氣體看待。67理想氣體狀態方程Pam3/kg氣體常數：J/(kg∙K)K1kgmkgnmol68

1、絕對壓力2、溫度單位K3、統一單位（最好均用國際單位）計算時注意事項69例理想氣體狀態方程應用有一容積V=10m3的剛性儲氣瓶，內盛氧氣，開始時儲氣瓶壓力錶的讀數為pg1=4.5MPa，溫度為t1=35℃。使用了部分氧氣後，壓力錶的讀數變為pg2=2.6MPa，溫度變為t2=30℃。在這個過程中當地大氣壓保持pb=0.1MPa不變。求使用了多少千克氧氣？70解:使用氧氣的品質為注意：計算中要用到絕對壓力和熱力學絕對溫度

71第3章理想氣體的性質3-2理想氣體比熱容3-3理想氣體的熱力學能、焓、熵3-4理想氣體混合物3-1理想氣體狀態方程72定義：物體溫度升高1K（或1℃）所需要的熱量稱為該物體的熱容量，簡稱熱容。

物體熱容量的大小與物體的種類及其數量有關，此外還與過程有關，因為熱量是過程量。如果物體初、終態相同而經歷的過程不同，則吸入或放出的熱量就不同。熱容的概念73（1）比熱容（品質熱容）：1kg物質的熱容，c，J/(kg·K)。

根據物質的數量和經歷的過程不同，可分為：比熱容的概念比熱容是單位物量的物質升高1K或1℃所需的熱量。74比熱容的概念（2）摩爾熱容1mol物質的熱容，Cm，J/(kmol·

K)。

（3）容積熱容標準狀態下1m3物質的熱容，c′，J/(m3·

K)。

（4）三者關係75品質定壓熱容和品質定容熱容對於微元可逆過程定容時（dv=0）定壓時（dp=0）76理想氣體比熱容對於理想氣體，其熱力學能是溫度的單值函數，即u=f(T)，理想氣體的焓也是溫度的單值函數h=f(T)，可得77cv和cp的說明1、cv和cp

，過程已定,可當作狀態量。2、前面的推導沒有用到理想氣體性質，所以3、

h、u、s的計算要用cv和cp

。適用於任何氣體。78cv和cp的關係式邁耶公式Cp,m–CV,m=R=8.3145J/(mol·K)摩爾定壓熱容Cp,m和摩爾定容熱容Cv,m的關係式

79cv和cp的關係式比熱容比：聯立式得80比熱容和溫度的關係理想氣體的u和h是溫度的單值函數，所以理想氣體的cV

和cp

也是溫度的單值函數。式中：a、b、d、e等是與氣體性質有關的常數81比熱容和溫度的關係82如何利用比熱容計算熱量定值比熱容法真實比熱容法平均比熱容法平均比熱容直線關係式83定值比熱容法通常只有在溫度不太高、變化範圍不太大，且計算精度要求不高，或者為了分析問題方便的情況下才能將摩爾熱容看作定值，此時：84真實比熱容法8586平均比熱容法稱為工質在t1~t2溫度範圍內的平均比熱容87平均比熱容法為工質在0

℃

~t溫度範圍內的平均比熱容。8889平均比熱容直線關係式90第3章理想氣體的性質3-2理想氣體比熱容3-3理想氣體的熱力學能、焓、熵3-4理想氣體混合物3-1理想氣體狀態方程91理想氣體的熱力學能理想氣體的u是溫度的單值函數。積分得：定值比熱容：92理想氣體的焓積分得：理想氣體的h也是溫度的單值函數。定值比熱容：93理想氣體的熵

根據熵的定義式及熱力學第一定律運算式變化量94理想氣體的熵此外變化量95理想氣體的熵根據及變化量96理想氣體的熵（定值比熱容時）97例題一絕熱剛性容器用隔板分為兩部分，使，如圖所示，A部分貯有溫度為25℃，壓力為0.5MPa的氧氣，B部分為真空。抽去隔板，氧氣即充滿整個容器，最後達到平衡狀態。試求系統熵的變化量。98解答:由於是絕熱剛性容器，所以：、，根據熱力學第一定律解析式得：又因氧氣可作為理想氣體，故當時，即。氧氣的品質為系統熵的變化為99第3章理想氣體的性質3-2理想氣體比熱容3-3理想氣體的熱力學能、焓、熵3-4理想氣體混合物3-1理想氣體狀態方程100理想混合氣體的定義由相互不發生化學反應的理想氣體組成混合氣體，其中每一組元的性質如同它們單獨存在一樣，因此整個混合氣體也具有理想氣體的性質。混合氣體的性質取決於各組元的性質與份額。101混合氣體的成分品質分數摩爾分數體積分數102道爾頓分壓力定律某組元i單獨佔有混合氣體體積V並處於混合氣體溫度T時的壓力稱為該組元的分壓力，用pi表示。道爾頓分壓力定律：混合氣體的總壓力等於各組元分壓力之和（僅適用於理想氣體）

103道爾頓分壓力定律即分壓力與總壓力之比等於摩爾分數（即氣體組分的摩爾數與總摩爾數之比）

104亞美格分體積定律混合氣體中第i種組元處於與混合氣體壓力和溫度時所單獨佔據的體積稱為該組元的分體積，用Vi表示。亞美格分體積定律：理想混合氣體的總體積等於各組元的分體積之和（僅適用於理想氣體）

105亞美格分體積定律即分體積與總體積之比等於摩爾分數（即氣體組分的摩爾數與總摩爾數之比）

106理想混合氣體的平均摩爾品質107理想混合氣體的平均氣體常數108混合氣體的比熱容品質比熱容摩爾比熱容109混合氣體的熱力學能混合氣體的焓混合氣體的熱力學能和焓110混合氣體的熵1kg混合氣體的比熵變為1mol混合氣體的熵變為混合氣體的熵111課後思考題理想氣體的熱力學能和焓是溫度的單值函數，理想氣體的熵也是溫度的單值函數嗎？氣體的比熱容cp、cv究竟是過程量還是狀態量1124-5多變過程第4章理想氣體的熱力過程壓氣機4-1定容過程4-2定壓過程4-3定溫過程4-4可逆絕熱過程4-6氣體的壓縮113定容過程定壓過程定溫過程可逆絕熱過程理想氣體的基本熱力過程基本熱力過程114研究熱力過程的目的、方法目的：以熱一律為基礎，理想氣體為工質，分析可逆的基本熱力過程中能量轉換、傳遞關係，揭示過程中工質狀態參數的變化規律及熱量和功量的計算。方法和手段：求出過程方程及計算各過程初終態參數；根據第一定律及理想氣體性質計算過程中功和熱；畫出過程的p-v圖及T-s圖，幫助直觀分析過程中參數間關係及能量關係。115可用公式116定容過程定義：氣體比體積保持不變的過程。過程方程式：v=常數膨脹功：技術功：熱量：117定容過程p-v圖和T-s圖118定壓過程定義：氣體壓力保持不變的過程。過程方程式：p=常數膨脹功：技術功：熱量：119定壓過程p-v圖和T-s圖120定溫過程定義：氣體溫度保持不變的過程。過程方程式：T=常數膨脹功：技術功：熱量：121定溫過程p-v圖和T-s圖122定義：氣體與外界沒有熱量交換的過程。因此又稱為定熵過程過程方程式：可逆絕熱過程**123可逆絕熱過程膨脹功：技術功：熱量：124可逆絕熱過程p-v圖和T-s圖125T-s圖區分定容過程和定壓過程<126T-s圖區分定溫過程和定熵過程>1274-5多變過程第4章理想氣體的熱力過程壓氣機4-1定容過程4-2定壓過程4-3定溫過程4-4可逆絕熱過程4-6氣體的壓縮128多變過程多變過程的方程式表示為下述形式：n稱為多變指數n=0，p=常數，定壓過程；n=1，pv=常數，定溫過程；n=

，pv

=常數，定熵過程；n=∞，v=常數，定容過程。129多變過程多變過程的過程方程式及初、終狀態參數關係式的形式與絕熱過程完全相同。多變過程中的

u、

h、

s可按理想氣體的有關公式進行計算。130多變過程在狀態參數座標圖上的表示n順時針方向增大。兩圖的過程線和區間一一對應。dv>0,功量為正。ds>0,熱量為正。dT>0→du>0，dh>0。131多變過程在狀態參數座標圖上的表示p-v圖上多變過程曲線的斜率為T-s圖上多變過程曲線的斜率為132多變過程的功量膨脹功技術功(n

)133多變過程的熱量稱為多變熱容。134當n=0時，(定壓過程)當n=1時，(定溫過程)當n=

時，(定熵過程)當n

時，(定容過程)多變過程的熱量1354-5多變過程第4章理想氣體的熱力過程壓氣機4-1定容過程4-2定壓過程4-3定溫過程4-4可逆絕熱過程4-6氣體的壓縮136壓氣機介紹壓縮氣體的用途：

動力機、風動工具、製冷工程、化學工業、潛水作業、

醫療、休閒等。137

按工作原理分活塞式—壓頭高，流量小，間隙生產

葉輪式—壓頭低，流量大，連續生產

按壓頭高低分

通風機—表壓0.01MPa以下鼓風機—表壓0.1~0.3MPa壓氣機—表壓0.3MPa以上注意：壓氣機不是動力機，壓氣機中進行的過程

不是迴圈壓氣機分類138單級活塞式壓氣機0-1：吸氣，傳輸推動功p1v1

1-2：壓縮，耗外功：2-3：排氣，傳輸推動功p2v2

壓氣機耗功：139壓氣機壓縮過程壓縮過程存在兩個極限1）一個極限是定溫過程（n=1)2）一個極限是可逆絕熱過程（n=κ）3）實際壓縮過程是介於二者之前的多變過程（1<n<κ）140壓氣機壓縮過程2T：定溫過程；2s：絕熱過程；2n：多變過程141壓氣機的理論耗功定溫過程壓縮耗功為絕熱過程壓縮耗功為多變過程壓縮耗功為稱為增壓比142壓氣機的理論耗功理想壓縮是等溫壓縮143餘隙容積產生原因佈置進、排氣結構製造公差部件熱膨脹144幾個名詞餘隙容積:Vc（=V3）氣缸工作容積(活塞排量):

Vh(=V1–V3)餘隙容積比:CV=Vc/Vh有效吸氣容積:Ves（=V1–V4）1451-2品質m1氣體壓縮：p1

p2

2-3

氣體排向儲氣罐3-4

氣體膨脹p2

p14-1

氣體吸入氣缸生產量(每週期)：生產過程146容積效率討論：餘隙容積對生產量的影響147餘隙容積對理論耗功的影響148即餘隙對理論耗功無影響（實際上還是使耗功增大）。

歸納：

餘隙存在使1）生產量下降

2）實際耗功增大有害容積餘隙容積對理論耗功的影響149

採用多級壓氣機時，可把壓縮過程分別在幾個氣缸中完成，可使每級氣缸的增壓比不會過高，也可便於按各級氣缸的工作壓力合理設計餘隙比，因而多級壓縮的壓氣機可以得到較高的容積效率。

採用中間冷卻器，可降低壓縮過程中氣體的溫度，使壓縮終了溫度不致過高。也可以減少壓氣機所消耗的軸功（p-V圖中陰影面積)。sT13’22’多級壓氣機150有一個最佳增壓比兩級壓縮中間冷卻分析

省功1vpp2p1151最佳增壓比的推導

省功1vpp4p1152欲求w分級最小值，最佳增壓比的推導

省功1vpp4p1153w分級最小值最佳增壓比可證明若m級

省功1vpp4p1最佳增壓比的推導154

潤滑油要求t<160~180℃,高壓壓氣機必須分級1vpp2p1Ts分級壓縮的其他好處155省功分級降低出口溫多級壓縮達到無窮多級(1)不可能實現(2)結構複雜(成本高)所以，一般採用2~4級壓縮Tp2p1pv1分級壓縮的級數156活塞式壓氣機的定溫效率157離心式軸流式葉輪式壓氣機158葉輪式壓氣機：

轉速高；連續吸，排氣，運轉平穩；排氣量大沒有餘隙影響；但每級壓比不高。

葉輪式壓氣機熱力學分析：由於排量大，運轉快，難冷卻，可作絕熱壓縮考慮葉輪式壓氣機特點159理論耗功實際耗功實際多耗功葉輪式壓氣機的消耗功160葉輪式壓氣機的絕熱效率

壓氣機的絕熱效率是指在壓縮前氣體狀態相同，壓縮後氣體壓力也相同的情況下，可逆絕熱壓縮時壓氣機消耗的功wC,s與不可逆絕熱壓縮時所消耗的功wC/的比值，用表示161課後思考題絕熱過程是否一定是定熵過程？壓氣機若已實現等溫壓縮，是否還有必要進行分級壓縮，中間冷卻，為什麼？試分析，在增壓比相同時，採用定溫壓縮和採用絕熱壓縮的壓氣機的容積效率何者高？1625-6火用分析方法5-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式1635-6火用分析方法5-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式164什麼是自發過程自然過程中能夠獨立地、無條件自動進行的過程，稱為自發過程。反之,稱為非自發過程.165自發過程的方向性1.一杯熱水:熱量從水傳給空氣（自發過程）將散失到空氣中的熱量自發地聚集起來，使水變熱行嗎？2.運動的機械:摩擦生熱，功量轉變為熱量（自發過程）將散失到空氣中的熱量自發地聚集起來，使機械重新運動行嗎？3.氣體向真空自由膨脹:氣體壓力降低（自發過程）讓氣體自動恢復原來狀態行嗎？166自發過程的特點自發過程都是有方向性有限溫差傳熱、自由膨脹、自由混合等等自發過程不可逆過程，其逆向過程如果進行需要外界的作用(付出代價)並非所有不違反熱一律的過程均可進行低溫物體向高溫物體傳熱並不違反熱一律1675-6火用分析方法5-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式168熱力學第二定律的表述熱力學第二定律揭示了自然界中一切過程進行的方向性、條件和限度。克勞修斯表述（從熱量傳遞方向性的角度）：熱不可能自發地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體。開爾文—普朗克表述（從熱功轉換的角度）：不可能製造出從單一熱源吸熱、使之全部轉化為功而不留下其他任何變化的熱力發動機。即第二類永動機是不可能製造成功的。169兩種表述的關係

兩種表述形式不同,但實質一致,若假設能違反一種表述,則可證明必然也違反另一種表述。

如假設機器A違反開爾文-普朗克說法能從高溫熱源取得熱量q/1而把它全部轉變為機械功w0，即w0

＝q/1，則可利用這些功來帶動製冷機B，由低溫熱源取得熱量q2而向高溫熱源放出熱量q1

。即A機：B機：由於有

即低溫熱源給出熱量q2，而高溫熱源得到了熱量q2，此外沒有其他的變化。這顯然違反了克勞修斯說法。

170熱一律否定第一類永動機熱機的熱效率最大能達到多少？又與哪些因素有關？

t

>100％不可能熱二律否定第二類永動機

t

=100％不可能熱一律與熱二律1715-6火用分析方法5-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式172卡諾迴圈的定義卡諾迴圈是法國工程師卡諾（S.Carnot）於1824年提出的一種理想熱機工作迴圈，它由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成，是工作於溫度為T1（高溫熱源）和T2（低溫熱源）間的正向迴圈。卡諾(SadiCarnot，1796-1832,法國)

173卡諾迴圈的定義是兩個熱源間的可逆迴圈174卡諾迴圈熱效率T1T2Rcq1q2w175

(1)卡諾迴圈的熱效率只取決於高溫熱源的溫度與低溫熱源的溫度，提高T1或降低T2

均可以提高迴圈效率;

(2)因為T1→∞

或T2＝0K都是不可能的,故卡諾迴圈的熱效率總是小於1，不可能等於1。這說明通過熱機迴圈不可能將熱能全部轉變為機械能;

(3)當T1=T2時，卡諾迴圈的熱效率等於零，這說明沒有溫差是不可能連續地將熱能轉變為機械能，只有一個熱源的熱機（第二類永動機）是不可能的。關於卡諾迴圈熱效率176逆向卡諾迴圈：（1）卡諾製冷迴圈：製冷係數：（2）卡諾熱泵迴圈：供熱係數：逆向卡諾迴圈177例題某科學家設想利用海水的溫差發電。設海洋表面的溫度為20℃，在500m深處，海水的溫度為5℃，如果採用卡諾迴圈，其熱效率是多少？解：計算卡諾迴圈熱效率時，要用熱力學絕對溫度

T1=20+273.15=293.15KT2=5+273.15=278.15K由於溫差太小,即使採用卡諾迴圈熱效率也不高，地熱發電的熱效率不高也是同樣的道理。178

某項專利申請書上提出一種熱機，它從167℃的熱源接受熱量，向7℃冷源排熱，熱機每接受1000kJ熱量，能發出0.12kW·h的電力。請判定專利局是否應受理其申請，為什麼？解：從申請是否違反自然界普遍規律著手故不違反熱力學第一定律根據卡諾定理，在同溫限的兩個恒溫熱源之間工作的熱機，以可逆機效率最高。例題179例題違反熱力學第二定律，所以不可能。180概括性卡諾迴圈除了卡諾迴圈外，工作在兩個恒溫熱源之間的可逆迴圈也具有卡諾迴圈的性質，因此把它們統稱為概括性卡諾迴圈。概括性卡諾迴圈是極限回熱迴圈。181概括性卡諾迴圈由兩個定溫過程a-b、c-d與兩個水準間距處處相等的過程b-c及d-a構成。過程b-c放出的熱量等於過程d-a吸收的熱量，這種方法叫回熱加熱。182概括性卡諾迴圈熱效率可見，概括性卡諾迴圈的熱效率等於同溫限間工作的卡諾迴圈的熱效率。183卡諾定理定理一：在兩個恒溫熱源之間工作的一切可逆熱機具有相同的熱效率，其熱效率等於在同樣熱源間工作的卡諾迴圈熱效率，與工質的性質無關。定理二：在兩個恒溫熱源之間工作的任何不可逆熱機的熱效率都小於可逆熱機的熱效率。184單一熱源熱機，違背熱力學第二定律假如

t,R1

t,R2R1帶動R2逆向運行R1帶動R2逆向運行

t,R1

t,R2、

t,R1<

t,R2不可能

t,R1＝

t,R2卡諾定理的證明1855-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式5-6火用分析方法186熵參數的導出19世紀中葉首先克勞修斯(R.Clausius)引入，式中S從1865年起稱為entropy，“熵”。熵參數的導出有多種不同的方法。這裏只介紹一種經典方法，它是1865年由德國數學家、物理學家克勞修斯根據卡諾迴圈和卡諾定理分析可逆迴圈時提出來的。187熵參數的導出對於任意一個可逆迴圈，可以用一組可逆絕熱線，將其分割成無數微元卡諾迴圈。對於每一個微元卡諾迴圈，為對外放熱，取負值

188熵參數的導出對整個迴圈積分，則得

克勞修斯積分等式式中被積函數的迴圈積分為零。這表明該函數與積分路徑無關，必為狀態參數，即：189克勞修斯不等式根據卡諾定理，在相同的恒溫高溫熱源T1和恒溫低溫熱源T2之間工作的不可逆熱機的熱效率一定小於可逆熱機的熱效率，即Q取代數值190克勞修斯不等式

一個不可逆迴圈可以用無數可逆絕熱線分割成無數微元迴圈，對任意一個不可逆微元迴圈，

對整個不可逆迴圈積分

上式稱為克勞修斯不等式，適用於任意不可逆迴圈。克勞修斯不等式與克勞修斯等式合寫成

上式是熱力學第二定律的數學運算式之一，可用於判斷一個迴圈是否能進行，是否可逆。可逆

迴圈“=”

不可逆迴圈“<”191不可逆過程熵的變化

對於由不可逆過程1-a-2與可逆過程2-b-1組成的不可逆迴圈1a2b1，根據克勞修斯不等式

對於可逆過程2-b-1，

（＝可逆；>不可逆）192對於微元過程，可判斷過程能否進行、是否可逆、不可逆性大小。熱二律運算式之一根據上式，可以將熵的變化分成兩部分：dSf稱為熵流。吸熱：dSf

>0；放熱：dSf

<0；絕熱：dSf

＝0；dSg稱為熵產，是由於過程不可逆造成的熵變。過程不可逆性愈大，熵產愈大，dSg

0

。熵產是過程不可逆性大小的度量。

不可逆過程熵的變化193閉口系統的熵方程對於品質為m的工質，（1）比熵是狀態參數，只要初、終態相同，無論經歷什麼過程，工質熵的變化都相等；（2）不可逆過程熵的變化可以在給定的初、終態之間任選一可逆過程進行計算。（3）對於固體或液體，壓縮性很小，dV0，c=const關於狀態參數熵194多熱源可逆迴圈及平均吸（放）熱溫度平均吸熱溫度

平均放熱溫度

注意:平均吸(放)熱溫度只有在可逆過程中才可以用上式求解

195多熱源可逆迴圈及平均吸（放）熱溫度多熱源可逆迴圈e-h-g-l-e的熱效率為另一個工作在T1=Th，T2=Tl下的卡諾迴圈A-B-C-D-A，其熱效率為與相同溫限之間的卡諾迴圈相比，顯然，故。1965-6火用分析方法5-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式197孤立系統熵增原理對於孤立系統：因此可逆，“=”

不可逆“>”

孤立系統熵增原理：孤立系內一切過程均使孤立系統熵增加，其極限——

一切過程均可逆時系統熵保持不變。1983）一切實際過程都不可逆，所以可根據熵增原理判別過程進行的方向；1）孤立系統熵增原理ΔSiso=Sg≥

0，可作為第二定律的又一數學運算式，而且是更基本的一種運算式；

2）孤立系統的熵增原理可推廣到閉口絕熱系；

4）孤立系統中一切過程均不改變其總內部儲能，即任意過程中能量守恆。但各種不可逆過程均可造成機械能損失，而任何不可逆過程均是ΔSiso>0，所以熵可反映某種物質的共同屬性。孤立系統熵增原理199作功能力損失作功能力：在給定的環境條件下，系統達到與環境熱力平衡時可能作出的最大有用功。無論任何系統，只要經歷不可逆過程，就將造成作功能力損失，就會使包含其在內的孤立系統的熵增加。作功能力損失與哪些因素有關？200作功能力損失設環境溫度為T0，今有一體系，在只有環境參與的情況下從給定的初態1不可逆地變到終態2，為了確定不可逆過程的作功能力損失，設想存在一可逆過程分別具有相同的初態和終態，作功能力損失根據熱一律可得Gouy-Stodola公式

2015-6火用分析方法5-5熵增原理與作功能力損失第5章熱力學第二定律5-1自發過程的方向性5-2熱力學第二定律的表述5-3卡諾迴圈與卡諾定理5-4熵與克勞修斯不等式2021、可無限轉換的能量如：機械能、電能、水能、風能理論上可以完全轉換為功的能量高級能量2、不能轉換的能量理論上不能轉換為功的能量

如：環境（大氣、海洋）3、可有限轉換的能量理論上不能完全轉換為功的能量低級能量

如：熱能、焓、內能（Ex）（An）（Ex+An）三種不同品質的能量203火用和火無的定義能量不但有多少之分，還有品味高低之分，我們定義當系統由一任意狀態可逆地變化到與給定環境相平衡的狀態時，理論上可以無限轉換為其他能量形式的那部分能量稱為火用（exergy），一切不能轉換為火用的能量稱為火無（anergy）。任何能量E均由火用（Ex）和火無（An）所組成，即204熱流火用

在給定的環境條件（環境溫度為T0）下，熱量中最大可能轉變為有用功的部分稱為熱流火用，用ex,Q表示。

假設有一溫度為T的熱源（T>T0），傳出的熱量為q，則其熱流火用等於在該熱源與環境之間工作的卡諾熱機所能作出的功，即

如果熱源溫度隨熱量的傳遞而變化，可假想在熱源與環境之間有無窮多個微卡諾迴圈，205

在除環境之外沒有其他熱源的情況下，穩定流動工質由所處的狀態可逆地變化到與環境相平衡的狀態時所能作出的最大有用功稱為該工質在所處狀態的。進口狀態：A(T、p、h、s）出口狀態：A-a：可逆絕熱膨脹a-0：可逆定溫膨脹0(T0、p0、h0、s0）穩定流動工質的火用（焓火用）206

工質由狀態A經狀態a變化到狀態0的全過程為可逆過程，可作出最大有用功。對於單位品質工質，最大有用功為根據熱力學第一定律，穩定流動工質的火用（焓火用）207可見，如果環境恒定不變，則穩定流動工質的焓火用只與工質的熱力狀態有關。ws,max就是單位品質穩定流動工質的火用，也稱為焓火用，ex,H穩定流動工質的火用（焓火用）208

單位品質工質從狀態1穩定流動到狀態2，理論上所能作出的最大有用功等於兩狀態的焓火用之差如果在狀態變化過程中還從環境以外的熱源吸收了熱量，則這一過程中理論上所能作出的最大有用功還應包括比熱流火用ex,Q

，即穩定流動工質的火用（焓火用）209例有限品質、變溫熱源問題

在100kg、90℃熱水和20℃的環境之間裝一可逆熱機，問作出的最大功是多少？設水的比熱容保持c=4.1868kJ/(kg·K)不變。分析:由於熱水的品質是有限的，它放熱作功之後溫度會降低，因此，這不是一個簡單的卡諾熱機，是一個變溫熱源的問題。210解：方法一設在某一微元過程中，水的溫度變化為dT,熱水放出的熱量為在微元過程中作的最大功為

熱水在從90℃變化到環境溫度20℃後能作出的最大功為211方法二假設100kg、90℃熱水和20℃的環境之間不加任何熱機，熱水直接向環境放熱，最後和環境達到熱平衡，這是一個典型的不可逆過程，存在作功能力的損失。這個損失的作功能力就應該是在熱水和環境之間裝一可逆熱機之後能作出的最大功。熱水和環境構成一個孤立系統，其中環境是無窮大的熱源，它吸熱後溫度是不變的。

212方法三在熱水和環境之間可逆熱機作出的最大功實際上就是熱水所具有的焓火用213課後思考題製冷係數或供熱係數均可大於1，這是否違反熱力學第一定律？閉口系進行一放熱過程，其熵是否一定減少，為什麼？閉口系進行一放熱過程，其做功能力是否一定減少，為什麼？2146-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質2156-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質216幾個數學關係式設狀態參數，則有：全微分的充要條件：217幾個數學關係式迴圈關係式：鏈式關係式：218熱係數三個由基本狀態參數p、T、v構成的偏導數、、有著明顯的物理意義，稱為熱係數：物質在定容條件下壓力隨溫度的相對變化率稱為相對壓力係數，也稱為壓力的溫度係數，用表示，即219熱係數物質在定溫的條件下比體積隨壓力的相對變化率稱為定溫壓縮率，用表示，即物質在定熵（即可逆絕熱）條件下比體積隨壓力的相對變化率稱為定熵壓縮率或絕熱壓縮率，用

表示，即220熱係數物質在定壓條件下的比體積隨溫度的相對變化率稱為體膨脹係數，用α表示，即2216-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質222問題對於理想氣體容易得到du、dh、ds關係式，實際氣體的關係式如何得到？223Helmholtz函數和Gibbs函數Helmholtz函數也稱為亥姆霍茲自由能，定義為F=U-TS，單位為J，比亥姆霍茲自由能f=u-TsGibbs函數也稱為吉布斯自由能，定義為G=H-TS，單位為J，比吉布斯自由能g=h-Ts224特性函數對於簡單可壓縮的純物質系統，任意一個狀態參數都可以表示為另外兩個相互獨立的狀態參數的函數，稱為狀態函數。其中，有些狀態函數可以用來確定系統的所有其他狀態參數，稱為特性函數。包括：225麥克斯韋關係式由此建立了不可測的熵參數和容易測得的參數p、T、v之間的微分關係，是推導熵、熱力學能、焓及比熱容的熱力學一般關係式的基礎。2266-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質227熵的一般運算式即為第一ds

方程。即為第二ds

方程。228熵的一般運算式即為第三ds

方程。229比熱力學能的一般關係式理想氣體的u、h僅僅是溫度的函數，而實際氣體的u、h不僅是溫度的函數，還和p或v有關系。代入第一ds

方程，可得第一du

方程代入第二ds

方程，可得第二du

方程230比熱力學能的一般關係式代入第三ds

方程，可得第三du

方程231比焓的一般關係式代入第二ds

方程，可得第二dh

方程2326-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質233比熱容的一般關係式根據可得根據可得234比熱容的一般關係式根據第一ds和第二ds方程可得用熱係數代替：235比熱容的一般關係式根據由迴圈關係式：236關於比熱容比熱容可以由狀態參數確定，因此可由狀態方程求得T、v、均為正值，因此，物質的比定壓熱容恒大於等於比定容熱容固體和液體的體膨脹係數和比體積都很小，因此在通常溫度下，二者差別不大，因此在一般工程應用中固體和液體不區分二者，但氣體必須區分。2376-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質238壓縮因數的概念理想氣體的基本假設是氣體分子不占體積和分子之間沒有作用力，理想氣體狀態方程為，即而對於實際氣體，令，稱為壓縮因數239壓縮因數的特點壓縮因數Z是溫度、壓力相同時的實際氣體比體積與理想氣體比體積之比。壓縮因數Z反映了實際氣體偏離理想氣體的程度，不僅與氣體的種類有關，還和氣體所處的狀態溫度和壓力有關。240壓縮因數的特點>1

=1

<1氣體分子間存在著引力，氣體被壓縮，分子間引力增大，因此氣體的體積在分子引力作用下比不考慮引力要小，因此多數實際氣體的Z值首先隨著壓力的增大而減小，即v<vi，Z<1；當壓力繼續增大，分子間距離進一步縮小，分子間的排斥力增大，因此氣體的體積比不考慮分力間作用力要大，並且隨著壓力逐漸增大，分子間作用力影響更加明顯，即v<vi，Z>1。2416-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質242範德瓦爾方程式中的修正項a，b是與氣體種類有關的常數，稱為範德瓦爾常數稱為內壓力範德瓦爾方程可以整理成比容的三次方程的形式243範德瓦爾方程範氏方程：

1）定性反映氣體

p-v-T關係；

2）遠離液態時，即使壓力較高，計算值與實驗值誤差

較小。如N2常溫下100MPa時無顯著誤差。在接近液態時，誤差較大，如CO2常溫下5MPa時誤差約4%，100MPa時誤差35%；3）巨大理論意義244範德瓦爾方程求解範德瓦爾常數a，b求法

1）利用p、v、T實測數據擬合;

2）利用通過臨界點c的等溫線性質求取:245

飽和蒸氣（或液體）—處於飽和狀態的氣體（或液體）；飽和壓力（或溫度）—飽和蒸氣或液體所處的壓力（或溫度）。飽和溫度、飽和壓力以及飽和蒸氣的比體積和飽和液體的比體積具有對應關係。溫度↓→飽和壓力↓，飽和蒸氣比體積↑、飽和液體比體積↓。反之亦反。在某一溫度下，飽和蒸氣和飽和液體的比體積相同，如c點所示。即飽和蒸氣和飽和液體的狀態完全相同，這一狀態稱為臨界點。臨界點溫度、壓力、比體積稱為臨界溫度Tc、臨界壓力pc、臨界比體積vc。T>Tc時:只存在氣體狀態。p>pc時:若T>Tc則為氣體狀態;若T<Tc則為液體狀態；若由較高溫度降至臨界溫度以下（過臨界溫度線）而發生氣態到液態的轉變，則不會出現汽液共存的狀態（如gh線所示）。臨界狀態和臨界參數246其他描述實際氣體方程R-K方程維裏方程B-W-R方程M-H方程2476-7對比態原理和通用壓縮因數圖6-6實際氣體的狀態方程6-5理想氣體狀態方程用於實際氣體的偏差6-4比熱容的一般關係式6-3熵、熱力學能和焓的一般關係式6-2麥克斯韋關係式6-1熱係數第6章熱力學一般關係式和實際氣體的性質248對比參數通過對多種流體的實驗數據進行分析表明，在接近各自的臨界點時，所有流體都呈現出相似的性質。引入無量綱的對比狀態參數，即物質實際參數和臨界參數的比值。249對比態原理將對比參數代入範德瓦爾方程從範德瓦爾對比態方程可以看出，雖然在同溫同壓下，不同氣體的比體積是不同的，但在相同的對比溫度Tr和對比壓力pr下，符合同一對比態狀態方程的各種氣體的對比比體積vr則必然是相同的，即對比態原理。250通用壓縮因數圖實際氣體的壓縮因數隨著氣體的不同和參數的不同而變化，若獲得不依賴於氣體性質的壓縮因數圖，會給流體物性參數的計算帶來很大的方便。令可得對於大多數物質，臨界壓縮因數Zcr的變化較小，多在0.23～0.29的範圍之間，作為近似，可以把Zcr視為常數。則：251通用壓縮因數圖即對於符合對比態原理且具有相同臨界壓縮因數值的各種物質，只要對比溫度Tr和對比壓力pr分別相同，各種氣體的壓縮因數Z也就相同，這樣，根據對比溫度Tr和對比壓力pr來製作壓縮因數圖，就具有適用於一類流體的普遍意義，成為通用壓縮因數圖。實際上，通用壓縮因數圖也就是用線圖表示的對比態方程。252pr<1.0時通用壓縮因數圖2537-5水蒸氣的焓火用圖第7章水蒸氣7-2水的定壓汽化過程7-3水蒸氣的狀態參數和水蒸氣表7-4水蒸氣焓熵圖及其應用7-1水的相變及相圖2547-5水蒸氣的焓火用圖第7章水蒸氣7-2水的定壓汽化過程7-3水蒸氣的狀態參數和水蒸氣表7-4水蒸氣焓熵圖及其應用7-1水的相變及相圖255三相點自然界中大多數純物質以三種聚集態存在：固相、液相和氣相。三相點：是固、液、汽三態共存的狀態點。每種純物質的三相點的壓力和溫度都是唯一確定的。水的三相點:

溫度273.16K

壓力611.2Pa256一些物質的三相點溫度和壓力257液體汽化蒸發沸騰：任何溫度下在液體表面進行的汽化現象，溫度愈高愈強烈。

：沸騰是在給定壓力所對應的溫度下發生並伴隨著大量汽泡產生的汽化現象。psts飽和液體飽和蒸氣飽和狀態：液面上蒸氣空間中的蒸氣和液體兩相達到動態平衡的狀態。飽和壓力ps、飽和溫度ts：如水蒸氣：ps＝0.101325MPa，ts=100ºC飽和溫度和飽和壓力2587-5水蒸氣的焓火用圖第7章水蒸氣7-2水的定壓汽化過程7-3水蒸氣的狀態參數和水蒸氣表7-4水蒸氣焓熵圖及其應用7-1水的相變及相圖259水的定壓加熱汽化過程260*

飽和液—處於飽和狀態的液體：t=ts

幹飽和蒸汽—處於飽和狀態的蒸汽：t=ts未飽和液

—溫度低於所處壓力下飽和溫度的液體：t<ts過熱蒸汽—溫度高於飽和溫度的蒸汽：t>tst–ts=d稱過

熱度濕飽和蒸汽—飽和液和幹飽和蒸汽的混合物：t=ts幾個名詞261使未飽和液達飽和狀態的途徑：飽和狀態262幹度（濕度y=1–

x

）x01飽和液濕飽和蒸汽幹飽和蒸汽定義：濕蒸汽中幹飽和蒸汽的品質分數，用w或x表示。0<x

<1263水的定壓加熱過程在p-v圖和T-s圖上的表示264水的定壓加熱過程在p-v圖和T-s圖上的表示飽和水線飽和蒸汽線臨界點265臨界狀態水的臨界狀態℃

m3/kg

266臨界狀態特點任何純物質都有自己唯一確定的臨界狀態。在p≥pcr下，定壓加熱過程不存在汽化段，水由未飽和態直接變化為過熱態。當t>tcr時，無論壓力多高都不可能使氣體液化。在臨界狀態下，可能存在超流動特性。在臨界狀態附近，水及水蒸氣有大比熱容特性。267臨界狀態的大比熱容特性268一點兩線三區五態一點：臨界點兩線：飽和水線和飽和蒸汽線三區：未飽和水區、濕蒸汽區、過熱蒸汽區五態：未飽和水、飽和水、濕蒸汽、飽和蒸汽、過熱蒸汽269小知識:“虛假水位”“虛假水位”是暫時不真實的水位，它不是由於給水量與蒸發量之間的平衡關係被破壞引起的，而是當汽包壓力突然改變但溫度變化滯後引起的。當汽包壓力突然降低時，對應的飽和溫度也相應降低，汽包內的水自行蒸發，於是水中的汽泡增加，體積膨脹，使水位上升，形成虛假水位。當汽包壓力突然升高時，對應的飽和溫度提高，水中的氣泡減少，體積收縮，促使水位下降，同樣形成虛假水位。2707-5水蒸氣的焓火用圖第7章水蒸氣7-2水的定壓汽化過程7-3水蒸氣的狀態參數和水蒸氣表7-4水蒸氣焓熵圖及其應用7-1水的相變及相圖271零點的確定根據國際水蒸氣會議規定，世界各國統一選定水的三相點中液相水的熱力學能和熵為零即對於t0=ttp=0.01℃，p0=ptp=611.659Pa的飽和水：u0/=0kJ/kgs0/=0kJ/(kg•k)h0/=u0/+p0v0/=0+611.659×0.00100021=0.6117J/kg≈0272水和水蒸氣表273水和水蒸氣表274濕蒸汽的幹度1kg濕蒸汽是由xkg幹蒸汽和（1－x）kg飽和水混合而成，因此275例題利用水蒸氣表計算：1.已知ts=70℃,求ps、h/、h//

2.已知ps=2.5MPa，求ts、h/、h//

3.已知t=180℃，p=0.5MPa,判斷蒸汽的狀態，並求h4.已知ps=0.1MPa，x=0.8，求t、h5.已知p=10MPa，t=526℃，求h、s6.已知p=16.7MPa，t=543℃，求h7.某火電機組，乏汽壓力為0.005MPa,幹度x=0.85，流量為300t/h，乏汽在凝汽器中等壓放熱，凝結為飽和水，其熱量由迴圈水帶走，設迴圈水的溫升為7℃，迴圈水的比熱為4.1868kJ/(kg.k)，求迴圈水的流量。8.在爐子上將一壺水有20℃燒開需要15分鐘，問把這壺水燒幹還需要多長時間？2767-5水蒸氣的焓火用圖第7章水蒸氣7-2水的定壓汽化過程7-3水蒸氣的狀態參數和水蒸氣表7-4水蒸氣焓熵圖及其應用7-1水的相變及相圖277水蒸氣的焓熵圖C臨界點

定壓線

定容線

定溫線

定幹度線

濕蒸汽區的定壓線就是定溫線278h-s圖應用舉例279h-s圖應用舉例280h-s圖應用舉例281

在熱工計算中，遇到最多的是水蒸氣的定壓過程(如鍋爐中水蒸氣的產生與冷凝器中水蒸氣的凝結)和絕熱過程(蒸汽機或汽輪機中水蒸氣的膨脹作功過程)。h-s圖應用舉例282蒸汽節流測量濕蒸汽的幹度283例題利用焓熵圖表計算

1.已知p=10MPa，t=530℃，求h、s2.已知ps=0.1MPa，x=0.8，求t、h

3.已知t=180℃，p=0.5MPa,判斷蒸汽的狀態，並求h4p1=12MPa,t1=520℃,經絕熱節流，p2=5MPa,求t2=?5.設蒸汽在汽輪機內可逆絕熱膨脹，p1=14MPa,t1=520℃,乏汽壓力為p2=10kPa,蒸汽流量為100t/h，求汽輪機的功率？6.某火電機組，乏汽壓力為0.006MPa,幹度x=0.85，流量為290t/h，乏汽在凝汽器中等壓放熱，凝結為飽和水，其熱量由迴圈水帶走，設迴圈水的流量為9800t/h，迴圈水的比熱為4.1868kJ/(kg.k)，求迴圈水的溫升?2847-5水蒸氣的焓火用圖第7章水蒸氣7-2水的定壓汽化過程7-3水蒸氣的狀態參數和水蒸氣表7-4水蒸氣焓熵圖及其應用7-1水的相變及相圖285水蒸氣的焓火用圖286焓火用圖的特點定熵線：在焓火用圖上定熵線永遠是斜率為1的直線。定壓線：1）在焓火用圖上，定壓線一般地說是一條曲線。2）當T>T0時,表明工質在其溫度高於環境溫度時吸收的熱量，在任何情況下也只能是部分地而不是全部地轉變為其自身的火用。3）當T=T0時,工質在其溫度等於環境溫度的條件下吸熱或放熱，均不會改變其自身的焓火用。4）當T<T0時,表明如果工質溫度低於環境溫度，吸收熱量反而會使其自身的焓火用值下降。287焓火用圖的特點定溫線：焓火用圖的定溫線在高壓區比定壓線的斜率要大。隨著壓力的降低，定溫線的斜率增大，直至無窮大然後變為負值。在壓力很低時，工質具有理想氣體性質，焦耳-湯姆遜係數由負無窮增大至零，定溫線與定焓線重合，變成一條水平線。288蒸汽的品味壓力對工質火用值的影響289水蒸氣在不同溫度下的最大火用值t[℃]400450500550p[MPa]9.611.014.016.0ex[k