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1、西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系1/93热工基础热工基础巫英伟巫英伟西安交通大学西安交通大学Tel:13992832620Email:西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系2/93第三章第三章 工质的热力性质工质的热力性质和和 热力过程热力过程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系3/93概概 述述纯物质具有三种不同的集态形式：纯物质具有三种不同的集态形式：固态固态、液态液态和和气态气态。相：相：热力系中物理性质和化学组成完全均匀的部分。热力系中物理性质和化学组成完全均匀的部分。固、液、气固、液、气三态物质均可作为热能和机械能相互转换所凭借的三态
2、物质均可作为热能和机械能相互转换所凭借的物质。物质。物质的三种集态及多相共存的热力学性质均要进行研究。物质的三种集态及多相共存的热力学性质均要进行研究。热能和机械能热能和机械能的相互转换通的相互转换通过物质的体积过物质的体积变化实现变化实现气体能快速、气体能快速、有效实现体积有效实现体积变化变化工质热力性质工质热力性质理想气体理想气体实际气体实际气体蒸气蒸气西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系4/93一一 理想气体理想气体1、宏观定义、宏观定义 若基本状态参数若基本状态参数 p、v、T 满足方程满足方程这样的气体称为理想气体。这样的气体称为理想气体。2、微观定义、微观定义假定：
3、假定：(1)气体分子是些弹性的、不占体积的质点；气体分子是些弹性的、不占体积的质点；(2)气体分子间没有相互作用力。气体分子间没有相互作用力。理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力理想气体是一种实际上不存在的假想气体，它是压力趋近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程趋近于零，比体积趋近近于无穷大时的极限状态。但工程中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。第一节第一节 理想气体的热力性质理想气体的热力性质克拉贝龙克拉贝龙状态方程状态方程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系5/93二二 理想气体状态方程理想气
4、体状态方程根据理想气体宏观定义根据理想气体宏观定义:令常数为令常数为Rg单位：单位：pPa；vm3/kg;TK;RgJ/(kg.K)Rg为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常为气体常数，它与气体的种类有关，常用气体的气体常数请看数请看p250附录附录A-2 若若物质的质量物质的质量m以以kg为单位，为单位，物质的量物质的量n以以mol为单位，为单位，用用M表示物质的摩尔质量，则表示物质的摩尔质量，则1mol气体的体积以气体的体积以Vm表示，表示，西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系6/93两边同乘以两边同乘以M得得对于各种气体的气体常数的对于各种气体的气体常数的 所以
5、所以MRg与物质的种类无关与物质的种类无关。（。（也与状态无关也与状态无关）令）令R MRg，R 称为称为摩尔气体常数摩尔气体常数。取标准状态参数得。取标准状态参数得由于由于1摩尔的任何气体在压力摩尔的任何气体在压力 p,温度温度 T 的状态下的的状态下的摩尔体积摩尔体积相等。相等。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系7/93式中 Vnmol气体所占有的 容积，m3；n气体的摩尔数，mol，理想气体状态方程理想气体状态方程式中p 绝对压力 Pa比容 m3/kgT 热力学温度 K适用于适用于1千克理想气体。千克理想气体。式中V质量为mkg气体所占 的容积适用于适用于m千克理想气体
6、。千克理想气体。式中VM=Mv气体的摩尔容 积，m3/mol；R0=MR通用气体常数，J/molK适用于适用于1摩尔理想气体。摩尔理想气体。适用于适用于n摩尔理想气体。摩尔理想气体。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系8/93三三原子分子（原子分子（H H2 2O,COO,CO2 2，石油气石油气)一般不能当作理想气体。一般不能当作理想气体。特殊，如空调的湿空气，高温烟气的特殊，如空调的湿空气，高温烟气的COCO2 2,大气或燃气大气或燃气中少量的分压力很低的水蒸气也可作为理想气体处理中少量的分压力很低的水蒸气也可作为理想气体处理哪些气体可当作理想气体？哪些气体可当作理想气体？
7、对于对于双双原子和原子和单单原子气体，压力直到原子气体，压力直到5MPa5MPa，温度在，温度在常温以上常温以上，可视为理想气体。可视为理想气体。工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、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。气体处理。理想气体与实际气体理想气体与实际气体没有明显界限没有明显界限，在某种状态下，应视作为，在某种状态下，应视作为何种气体，要根据工程计算所容许的误差范围而定。何种气体，要根据工程计算所容许的误差范围而定。西安交通大学核科学
8、与技术系西安交通大学核科学与技术系9/93三三 理想气体的比热容理想气体的比热容1、比热容的定义、比热容的定义物体升高物体升高1K所需的热量称为热容，以所需的热量称为热容，以C表示，表示，1kg物质升高物质升高1K所需的热量称为比热容，单位所需的热量称为比热容，单位J(kg.K),以以c表示，表示，1mol物质的比热容称为摩尔热容，单位物质的比热容称为摩尔热容，单位J(mol.K)，符号为符号为Cm 比热比热 c 应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常应与过程有关，不同的过程比热容不同。工程中常用的有比定容比热容和比定压比热容。用的有比定容比热容和比定压比热容。西安交通大学核科学与技术系
9、西安交通大学核科学与技术系10/93定容比热容与定压比热容定容比热容与定压比热容与过程的关系与过程的关系气体的气体的比热容比热容与与热力过程热力过程有关，在热力计算中有关，在热力计算中定容比热容定容比热容与与定定压比热容压比热容最为重要。最为重要。容积不变容积不变加入的热量全用于增加加入的热量全用于增加气气体的热力学能体的热力学能，使气体温，使气体温度升高度升高压力不变压力不变加入的热量部分增加加入的热量部分增加气体气体热力学能热力学能，部分用于推动，部分用于推动活塞升高而对外作活塞升高而对外作膨胀功膨胀功西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系11/932、理想气体的定压比热容和
10、定容比热容、理想气体的定压比热容和定容比热容应用第一定律，并假定过程可逆则有：应用第一定律，并假定过程可逆则有：热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作热力学能包含内动能和内位能。对于理想气体其分子间无作用力，所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度用力，所理想气体的热力学能只含有内动能，而内动能只于温度有关，所以有关，所以理想气体的热力学能是温度的单值函数理想气体的热力学能是温度的单值函数,即即u=u(T),而而h=u+pvu+RgT,所以所以理想气体的焓也是温度的单位函数理想气体的焓也是温度的单位函数，即，即h=h(T).西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与
11、技术系12/933、理想气体定压比热容与定容比热容的关系、理想气体定压比热容与定容比热容的关系即：即：上式乘摩尔质量上式乘摩尔质量M，则有：则有：式（式（314）和（）和（315）称为）称为迈耶公式迈耶公式。(1)、迈耶公式、迈耶公式*(2)、比热容比、比热容比西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系13/934、理想气体比热容的计算、理想气体比热容的计算(1)、真实比热容、真实比热容 附录附录A-3(p250)中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方中给出了真实摩尔定压比热容的无量纲四次方经验关系式。经验关系式。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系14/93(2)
12、、平均比热容表、平均比热容表对于一个定压过程，如果要计算过程的吸热量，则对于一个定压过程，如果要计算过程的吸热量，则称为平均定压比热容。称为平均定压比热容。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系15/93(3)、平均比热容直线关系、平均比热容直线关系上上式式称为比热容的线性关称为比热容的线性关系。附录系。附录A-5p252给出了给出了一些常用气体的平均比热一些常用气体的平均比热容直线关系式。容直线关系式。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系16/934、定值比热容、定值比热容 由分子运动论也可导出由分子运动论也可导出1mol理想气体的热力学能理想气体的热力学能由些
13、得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。由些得出理想气体的摩尔定容比热容，定压比热容的比热容比。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系17/93i 是分子运动的自由度，单原子是分子运动的自由度，单原子 i 3，双原子双原子 i5，多原子取多原子取i71.291.401.67多原子气体（i7）双原子气体（i5）单原子气体（i3）理想气体定值摩热容和比热容比理想气体定值摩热容和比热容比R8.3143J(mol.K)西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系18/93四四 理想气体的热力学能、焓和熵理想气体的热力学能、焓和熵由上式可得由上式可得1、热力学能与焓、热
14、力学能与焓当当比热容取定值时比热容取定值时若取若取0 K作为零点则作为零点则西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系19/932、状态参数熵、状态参数熵熵的熵的定义式为定义式为下标下标rev表示可逆，可逆时有表示可逆，可逆时有当比热容取定值时当比热容取定值时(不讲变比热容熵差计算不讲变比热容熵差计算)西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系20/93五五 理想气体混合物理想气体混合物1、理想气体的分压力定律、理想气体的分压力定律 及分容积律及分容积律p1、p2、p3称为分压力，并有称为分压力，并有上式称为上式称为道尔顿分压力定律道尔顿分压力定律。由质量守恒得：由质量守恒
15、得：状态方程状态方程(1)、分压力定律、分压力定律西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系21/93(2)、理想气体的分容积定律、理想气体的分容积定律V1、V2、V3称为分容积，并有称为分容积，并有上式称为上式称为亚美格分容积定律亚美格分容积定律。质量守恒质量守恒状态方程状态方程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系22/932、混合物的成分、混合物的成分(1)质量成分质量成分(2)摩尔成分摩尔成分(3)容积成分容积成分由由式（式（b)、(d)及及(f)可得：可得：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系23/933、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数、
16、混合气体的折合摩尔质量和折合气体常数由式（由式（f）可知，理想气体混合物也满足状态方式可知，理想气体混合物也满足状态方式pV=nRT。对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式对于理想气体混合物仿照纯质理想气体得到下式Meq称为混合气体的称为混合气体的折合摩尔质量折合摩尔质量。由摩尔成分的定义可得：。由摩尔成分的定义可得：折合气体常数折合气体常数Rg,eq式（式（a）或式（）或式（c）求得求得折合气体常数折合气体常数Rg,eq可写成可写成西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系24/934、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵、理想气体混合物的比热容、热力学能、焓和熵1kg混合
17、物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即混合物吸收的热量应等于各组分吸收热量之和，即定压比热容和定容比热容可写成：定压比热容和定容比热容可写成：根据比热容的定义式得根据比热容的定义式得(1)、比热容、比热容混合气体吸收的总热量混合气体吸收的总热量西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系25/93(2)、热力学能和焓、热力学能和焓西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系26/93(3)、混合气体的熵、混合气体的熵西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系27/93第二节第二节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程一一 研究热力过程的目的及一般方法研究热力过程的目
18、的及一般方法1、目的、目的2、一般方法、一般方法(1)、对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为对实际热力过程进行分析，将各种过程近似地概括为几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为简化问几种典型过程，即定容、定压、定温和绝热过程。为简化问题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可逆过程。题，暂不考虑实际过程中的不可逆的耗损而作为可逆过程。揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，进揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转换情况，进而找出影响转化的主要因素。而找出影响转化的主要因素。(2)、用简单的热力学方法对四种基本热力过程进行分析计算。用简单的热力学方法对四种基本热
19、力过程进行分析计算。(3)、考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。考虑不可逆耗损再借助一些经验系数进行修正。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系28/93本章分析理想气体热力过程的具体方法：本章分析理想气体热力过程的具体方法：1)、根据过程特点确定过程方程式，得到、根据过程特点确定过程方程式，得到 p=f(v)。2)、用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。用过程方程和状态方程，计算初、终态参数。3)、在、在p-v、T-s图上画出过程曲线。图上画出过程曲线。4)、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。、确定工质的初、终态比热学能、比焓、比熵的变化。5)、计算过程中膨
20、胀功、技术功和过程热量。、计算过程中膨胀功、技术功和过程热量。本节研究理想气体的可逆过程。本节研究理想气体的可逆过程。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系29/93二、四个基本热力过程分析二、四个基本热力过程分析1 1、定容过程、定容过程(1)、过程方程、过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系(3)、在、在p-v、T-s图图西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系30/93(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系
21、31/932、定压过程、定压过程(1)、过程方程、过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系(3)、在、在p-v、T-s图图西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系32/93(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系33/933、定温过程、定温过程(1)、过程方程、过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系(3)、在、在p-v、T-s图图西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系34/93(4)、初、终态热学
22、能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系35/934、定熵过程、定熵过程定熵过程绝热过程定熵过程绝热过程+可逆过程可逆过程对于理想气体可逆绝热过程（对于理想气体可逆绝热过程（定熵过程定熵过程），由第一定律得：），由第一定律得：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系36/93令令，称为过程指数。定熵过程的过程指数等于比热比。称为过程指数。定熵过程的过程指数等于比热比。对于一般气体的可逆绝热过程（定熵过程）有对于一般气体的可逆绝热过程（定熵过程）有(1)、定熵过程方程、
23、定熵过程方程(2)、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系37/93(3)、在、在p-v、T-s图图西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系38/93(4)、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化(5)、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量对于可逆过程，还可得：对于可逆过程，还可得：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系39/93技术功技术功对于可逆过程，可得：对于可逆过程，可得：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系40/93三三 多变过程分析多变过程分析1、多变
24、过程方程、多变过程方程2、初、终态参数间的关系、初、终态参数间的关系西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系41/933、初、终态热学能、比焓、比熵的变化、初、终态热学能、比焓、比熵的变化4、膨胀功、技术功和热量、膨胀功、技术功和热量西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系42/93技术功技术功西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系43/93过程热量过程热量cn 称为多过程的比热容称为多过程的比热容西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系44/935、在、在p-v、T-s图图 多变过程方程式为多变过程方程式为 pvn=常数，这里常数，这里n为变
25、量，为变量，n取不同取不同的可得到不同的过程。的可得到不同的过程。当当n0时，时，p常数，则为常数，则为定压过程定压过程当当n1时，时，pv常数，则为常数，则为定温过程定温过程当当n时，时，pv 常数，则为常数，则为定熵过程定熵过程当当n时，时，v 常数，则为常数，则为定容过程定容过程 因此，把多变过程表示在因此，把多变过程表示在p-v图上时，要选画出四个基本图上时，要选画出四个基本热力过程，然后再根据热力过程，然后再根据 n 值的大小画出相应的多变过程。值的大小画出相应的多变过程。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系45/93四个基本热力过程四个基本热力过程西安交通大学核科学
26、与技术系西安交通大学核科学与技术系46/93多变过程多变过程 在在p-v、T-s图上用图上用 T 的正负判断的正负判断u、h的正负，的正负，用用s正正负判断负判断 q 的正负；用的正负；用v的正负判断的正负判断 w 的正负。的正负。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系47/93热力过程计算公式表热力过程计算公式表西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系48/93西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系49/93在空气中含量极小，水蒸气分压力低，当作在空气中含量极小，水蒸气分压力低，当作理想气体理想气体。但一般情况下，为但一般情况下，为实际气体实际气体，物
27、性采用热力性质图表。，物性采用热力性质图表。1818世纪，蒸汽机（世纪，蒸汽机（1784）的发明，水蒸气热机的唯一工质；）的发明，水蒸气热机的唯一工质；直到直到1862年，奥托（德国）发明四冲程内燃机，才有年，奥托（德国）发明四冲程内燃机，才有 燃气工质；燃气工质；目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质；目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质；优点优点:便宜，易得，无毒，不污染环境，膨胀性能便宜，易得，无毒，不污染环境，膨胀性能 好，传热性能好。好，传热性能好。第三节第三节 水水 蒸蒸 气气西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系50/93饱和温度饱和温度T Ts s饱和压力饱
28、和压力p ps s一一对应，压力越高，一一对应，压力越高，饱和温度也越高。饱和温度也越高。公式表现为：公式表现为：针对气液间的状态变化，总结有以下一些术语：针对气液间的状态变化，总结有以下一些术语：饱和状态：饱和状态：汽化与凝结的动态平衡。汽化与凝结的动态平衡。饱和蒸汽：饱和蒸汽：处于饱和状态下的蒸汽处于饱和状态下的蒸汽饱和水：饱和水：处于饱和状态下的液体。处于饱和状态下的液体。湿饱和蒸汽：湿饱和蒸汽：饱和蒸汽和饱和水的混合物。饱和蒸汽和饱和水的混合物。干饱和蒸汽：干饱和蒸汽：不含饱和水的饱和蒸汽。不含饱和水的饱和蒸汽。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系51/93t ts水蒸
29、气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程定压预热阶段定压预热阶段饱和水定压汽化阶段饱和水定压汽化阶段干饱和蒸汽定干饱和蒸汽定压过热阶段压过热阶段v vv=vv=vv v vh hh=hh=hh h hs ss=ss=ss s s一、水蒸气的定压发生过程（一、水蒸气的定压发生过程（0.01开始加热）开始加热）西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系52/93水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程过冷度：过冷度：汽化潜热：汽化潜热：过热度：过热度：一、水蒸气的定压发生过程一、水蒸气的定压发生过程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系53/93二、水蒸气的二、水蒸气的p-v图
30、与图与T-s图图a a0 0 未饱和水未饱和水aa饱和水饱和水a a干饱和蒸汽干饱和蒸汽a a 过热蒸汽过热蒸汽水的压缩性极小，故压力提高，只要温水的压缩性极小，故压力提高，只要温度不变度不变(0.01(0.01)，其比体积就，其比体积就基本保持基本保持不变不变。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系54/93二、水蒸气的二、水蒸气的p-v图与图与T-s图图a a0 0 未饱和水未饱和水aa饱和水饱和水a a干饱和蒸汽干饱和蒸汽a a 过热蒸汽过热蒸汽水受热膨胀的影响水受热膨胀的影响大于大于压缩的影响，压压缩的影响，压力增大时，其比体积变化甚小，而随饱力增大时，其比体积变化甚小，
31、而随饱和温度的升高，水的比体积和温度的升高，水的比体积明显增大明显增大。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系55/93二、水蒸气的二、水蒸气的p-v图与图与T-s图图a a0 0 未饱和水未饱和水aa饱和水饱和水a a干饱和蒸汽干饱和蒸汽a a 过热蒸汽过热蒸汽蒸汽比体积受热膨胀的影响蒸汽比体积受热膨胀的影响小于受小于受压缩压缩的影响，因而压力较高时的干蒸汽比体的影响，因而压力较高时的干蒸汽比体积小于压力较低的比体积。积小于压力较低的比体积。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系56/93二、水蒸气的二、水蒸气的p-v图与图与T-s图图一点：一点：临界点临界点C
32、C两线：两线：饱和液体线饱和液体线AC(AC(下界线下界线)、饱和蒸汽线、饱和蒸汽线BC(BC(上界线上界线)三区：三区：未饱和液体区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区未饱和液体区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区未饱和未饱和液体区液体区过热蒸过热蒸汽区汽区湿饱和湿饱和蒸汽区蒸汽区pcr=22.064 MPa Tcr=647.14K西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系57/93二、水蒸气的二、水蒸气的p-v图与图与T-s图图湿饱和湿饱和蒸汽区蒸汽区湿蒸汽的成分用湿蒸汽的成分用干度干度x x表示：表示：x=0 饱和水饱和水x=1 干饱和蒸汽干饱和蒸汽1 x 为湿度为湿度五种状态：五种状态：湿饱和
33、蒸汽状态湿饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态过热蒸汽状态过热蒸汽状态未饱和水状态未饱和水状态饱和水状态饱和水状态西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系58/93三三 水和水蒸气的表和图水和水蒸气的表和图1、水和水蒸气表、水和水蒸气表(1)、饱和水与饱和蒸汽热力性质表表 在饱和线上，只有一个独立变量，可以饱和温度或饱和压力为自变量来设计表格。这样就有两种形式的饱和水与饱和蒸汽热力性质表。饱和液体的参数用饱和液体的参数用 表示；饱和气体的参数用表示；饱和气体的参数用 表示。表示。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系59/93（1）饱和水与饱和蒸汽表（以温度排列）
34、西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系60/93（2）饱和水与饱和蒸汽表（以压力排列）西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系61/93在湿饱和蒸气区在湿饱和蒸气区,定义干度定义干度 xmg饱和蒸气的质量,mv饱和水的质量湿饱和蒸气的状态参数为:西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系62/93(2)、未饱和水与过热蒸汽热力性质表未饱和水与过热蒸汽热力性质表 在未饱和区和过热区，有两个独立变量，可以温度和压力为自变量来设计表格。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系63/93西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系64/93西安交
35、通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系65/932、水蒸气的图、水蒸气的图(1)p-v图(定性分析)(2)T-s图(定性分析)三三 相相 线线等压线等压线西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系66/933、水蒸气的焓熵图、水蒸气的焓熵图根据热力学微分关系式，根据热力学微分关系式，定容线比定压线陡。定容线比定压线陡。在实际的水蒸气在实际的水蒸气h-sh-s图图上上,定容线用红色与定定容线用红色与定压线区分。压线区分。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系67/933、水蒸气的焓熵图、水蒸气的焓熵图湿蒸汽区域：湿蒸汽区域：定压线与定温线重合定压线与定温线重合 在
36、过热蒸汽区在过热蒸汽区:定温线定温线较平坦，定压线较陡。较平坦，定压线较陡。随着温度升高，压力随着温度升高，压力降低，水蒸气接近理降低，水蒸气接近理想气体，定温线趋于想气体，定温线趋于水平水平。？西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系68/933、水蒸气的焓熵图、水蒸气的焓熵图定干度线：定干度线：x=x=常数的线常数的线会合于临界点会合于临界点工程上用到的焓熵图，工程上用到的焓熵图，一般只绘出干度大于一般只绘出干度大于0.6 0.6 的部分。因为小的部分。因为小干度区，线条太密，干度区，线条太密，工程上又不经常使用。工程上又不经常使用。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学
37、与技术系69/93任任 务：确定初终态参数；计算过程中的功和热。务：确定初终态参数；计算过程中的功和热。热力过程：热力过程：定容定容、定压定压、定温定温和和绝热绝热四种四种第一定律与第二定律表达式均成立第一定律与第二定律表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用理想气体特有的性质和表达式不能用可逆可逆注意与理想气体过程的区别：注意与理想气体过程的区别：水蒸气的基本热力过程水蒸气的基本热力过程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系70/931.1.使用水蒸气表和焓熵图确定水蒸气的状态参数；使用水蒸气表和焓熵图确定水蒸气的状态参数；2.2.水蒸气的比热容、内能、焓等不是温度的单值函
38、数。热力过水蒸气的比热容、内能、焓等不是温度的单值函数。热力过程的能量转换规律发生了变化。程的能量转换规律发生了变化。与理想气体基本热力过程区别之处：与理想气体基本热力过程区别之处：1.1.已知初态的两个独立参数，在水蒸气表格上查出其它参数已知初态的两个独立参数，在水蒸气表格上查出其它参数2.2.根据过程特点和终态参数，确定终态，查出其它终态参数根据过程特点和终态参数，确定终态，查出其它终态参数3.3.根据初终状态参数计算内能，热量和功量的大小根据初终状态参数计算内能，热量和功量的大小分析步骤：分析步骤：求解任务：求解任务：与解理想气体的过程一样，要求：与解理想气体的过程一样，要求：1.1.初
39、态和终态的参数；初态和终态的参数；2.2.过程中的热量和功。过程中的热量和功。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系71/93定温过程定温过程绝热过程绝热过程定压过程定压过程定容过程定容过程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系72/93定温过程定温过程绝热过程绝热过程定压过程定压过程定容过程定容过程锅炉中水的加热过程和水蒸气的冷凝过程锅炉中水的加热过程和水蒸气的冷凝过程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系73/93定温过程定温过程绝热过程绝热过程定压过程定压过程定容过程定容过程实际设备中不常见实际设备中不常见西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核
40、科学与技术系74/93定温过程定温过程绝热过程绝热过程定压过程定压过程定容过程定容过程实际设备中很少见实际设备中很少见西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系75/93定温过程定温过程绝热过程绝热过程定压过程定压过程定容过程定容过程汽轮机、膨胀机和压缩机汽轮机、膨胀机和压缩机可逆绝热过程可逆绝热过程西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系76/93第四节第四节 湿空气湿空气西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系77/93冷却塔的工作原理冷却塔的工作原理西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系78/93西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学
41、与技术系79/93湿空气性质湿空气性质湿空气湿空气 干空气干空气 水蒸气水蒸气水蒸气的含量及相水蒸气的含量及相态都可能发生变化态都可能发生变化空气的温度湿度调节，木材、纺织品等的干燥，冷却塔中水空气的温度湿度调节，木材、纺织品等的干燥，冷却塔中水的冷却过程，的冷却过程，湿空气湿空气起着非常大的作用。起着非常大的作用。湿空气中的蒸汽可以凝聚成液湿空气中的蒸汽可以凝聚成液态或固态；态或固态；环境中的水可以蒸发到空气中环境中的水可以蒸发到空气中去。去。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系80/93对湿空气研究时，可作如下假设：对湿空气研究时，可作如下假设：1.1.气相混合物作为理想气
42、体混合物；气相混合物作为理想气体混合物；2.2.干空气不影响水蒸气与其凝聚相的相平衡；干空气不影响水蒸气与其凝聚相的相平衡；3.3.当水蒸气凝结成液相或固相时，液相或固相中不含当水蒸气凝结成液相或固相时，液相或固相中不含有溶解的空气。有溶解的空气。湿空气中湿空气中水蒸气的分压力水蒸气的分压力pv通常低于其温度通常低于其温度(即湿空气即湿空气温度温度)所对应的饱和压力所对应的饱和压力ps，处于，处于过热蒸汽状态过热蒸汽状态。道尔顿分压定律道尔顿分压定律西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系81/93一、饱和空气与未饱和空气一、饱和空气与未饱和空气未饱和空气未饱和空气 =干空气干空气
43、 +过热过热水蒸气水蒸气增加水蒸气量增加水蒸气量饱和空气饱和空气 =干空气干空气 +饱和水蒸气饱和水蒸气增加水蒸气量增加水蒸气量水滴出现而析出，湿水滴出现而析出，湿空气保持饱和状态空气保持饱和状态如果如果湿空气温度不变湿空气温度不变，增加湿空气中水蒸气含量使其，增加湿空气中水蒸气含量使其分压力增分压力增加加，当水蒸气分压力达到其温度所对应的饱和压力时，水蒸气，当水蒸气分压力达到其温度所对应的饱和压力时，水蒸气达到达到饱和蒸汽状态饱和蒸汽状态西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系82/93一、饱和空气与未饱和空气一、饱和空气与未饱和空气露点露点td：对应水蒸气分压力：对应水蒸气分压
44、力pv的饱和温度的饱和温度冷却冷却冷却冷却水蒸气变为凝结水而析出水蒸气变为凝结水而析出比如，在潮湿的夏季，自来水管上凝结的水珠比如，在潮湿的夏季，自来水管上凝结的水珠如果保持如果保持水蒸气分压力水蒸气分压力pv不变不变，若降低湿空气的温度可使水蒸，若降低湿空气的温度可使水蒸气从过热状态达到饱和状态，此时所对应的湿空气状态为气从过热状态达到饱和状态，此时所对应的湿空气状态为露点露点西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系83/93二、绝对湿度与相对湿度二、绝对湿度与相对湿度湿空气的湿空气的绝对湿度绝对湿度：每立方米湿空气中所含有的水蒸每立方米湿空气中所含有的水蒸 气质量。气质量。饱和
45、绝对湿度饱和绝对湿度：在一定温度下饱和空气的绝对湿度达在一定温度下饱和空气的绝对湿度达 到最大值。到最大值。绝对湿度说明湿空气中实际所含的绝对湿度说明湿空气中实际所含的水蒸气质量的多水蒸气质量的多少少，而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能，而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能力的大小。力的大小。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系84/93相对湿度：相对湿度：湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的 饱和绝对湿度的比值。饱和绝对湿度的比值。1 饱和湿空气饱和湿空气 0 干空气干空气 0 1 未饱和湿空气未饱和湿空气 反映湿空气中反映湿空气
46、中水蒸气含量接近饱和的程度水蒸气含量接近饱和的程度。越干燥，吸水能力强越干燥，吸水能力强 越湿润，吸水能力低越湿润，吸水能力低 应用应用理想气体状态方程理想气体状态方程，相对湿度又可表示为：，相对湿度又可表示为：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系85/93湿空气的湿空气的含湿量含湿量(或称或称比湿度比湿度)：在含有：在含有1kg干空气的干空气的湿空气中，所混有的水蒸气质量。湿空气中，所混有的水蒸气质量。由理想气体状态方程式，干空气及水蒸气的气体常数由理想气体状态方程式，干空气及水蒸气的气体常数分别为：分别为：三、三、含湿量（比湿度）含湿量（比湿度）西安交通大学核科学与技术系西
47、安交通大学核科学与技术系86/93故含湿量式可写成故含湿量式可写成上式也可写成上式也可写成西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系87/93四、四、焓焓以单位质量干空气为基准，以单位质量干空气为基准，1kg干空气的焓和干空气的焓和dkg水蒸气的焓水蒸气的焓的总和：的总和：工程上，取工程上，取0oC时时干空气的焓干空气的焓水蒸气的焓水蒸气的焓则，温度则，温度t下下水的焓水的焓 hv=0干空气的焓干空气的焓 ha=0代入得：代入得：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系88/93 利用绝热饱和的空气加湿过程测定利用绝热饱和的空气加湿过程测定西安交通大学核科学与技术系西安交
48、通大学核科学与技术系89/93假定水槽的补给水保持与假定水槽的补给水保持与t t2 2温度下的水蒸气相等温度下的水蒸气相等则可视为则可视为稳态稳流过程稳态稳流过程。物质平衡：物质平衡：进口空气中水蒸气质量进口空气中水蒸气质量出口空气中水蒸气质量出口空气中水蒸气质量水槽水面蒸发的水质量水槽水面蒸发的水质量西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系90/93能量平衡：能量平衡：进口未饱和空气焓进口未饱和空气焓出口饱和空气焓出口饱和空气焓水槽水面温度为水槽水面温度为t2蒸发带入气流的液体水焓蒸发带入气流的液体水焓整理得：整理得：西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系91/93
49、 干湿球温度计测量法干湿球温度计测量法干球温度计干球温度计湿球温度计湿球温度计蒸发热蒸发热=对流热对流热湿空气温度湿空气温度湿空气的湿球温度湿空气的湿球温度大气压力条件下，湿大气压力条件下，湿球温度近似等于球温度近似等于绝热绝热饱和温度饱和温度防止干、湿球温度计防止干、湿球温度计与周围环境之间的辐与周围环境之间的辐射换热，保证射换热，保证4m/s以以上上的风速的风速西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系92/93由绝热饱和加湿过程的能量平衡关系：由绝热饱和加湿过程的能量平衡关系：在一般的通风空调工程中忽略不计在一般的通风空调工程中忽略不计通过湿球的湿空气在加湿过程中，湿空气焓不变。通过湿球的湿空气在加湿过程中，湿空气焓不变。西安交通大学核科学与技术系西安交通大学核科学与技术系93/93