a05热工理论基础学习指导(第5章)
【工程热力学精品讲义】第5章
T1
T2 2
2. 多热源可逆循环
t
1
q2 q1
1
A1B 2 mn1 A1A2mn1
1 Aqrmnq 1 TmL 1 T2
Aopmno
TmH
T1
T
T2
．2
． Tm
T1 1
o s1
s2 s
T
T2
．2
．o.. A
.. p TmH
q
B r Tm
T1 1
L
o s1
s2 s
18
循环热效率归纳：
t
wnet q1
讨论：1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；
2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的
方向判据。
27
3)
s2 s1
2 δq T 1
r irr
并不意味着
s12,rev
s12,irrev ，因
a)
2 1
δq Tr
irr
s12
b) 若热源相同，则说明 δqr δqirrev 或热源相同，热量
“有序”、“整齐”。
克劳修斯熵
dS
δQ T
rev
?
波尔茨曼熵 S k lnW
吸收热量，系统微观粒子的运动更为剧烈，微观粒子处于更
“无序”、“混乱”的状态，即熵值增大；反之放热系统微观粒子
的运动受“冻结”，使微观粒子“有序”、“整齐3”2 ，熵值减小。
33
5–4 熵方程与孤立系统熵增原理
一、熵方程 1. 熵流和熵产
q1 A34op3 THs34
t
wnet q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
1 TLs12 1 TL
工程热力学第5章习题答案
第5章 热力学第二定律5-1 当某一夏日室温为30℃时，冰箱冷藏室要维持在-20℃。
冷藏室和周围环境有温差，因此有热量导入，为了使冷藏室内温度维持在-20℃，需要以1350J/s 的速度从中取走热量。
冰箱最大的制冷系数是多少？供给冰箱的最小功率是多少？ 解： 制冷系数：22253 5.0650Q T W T T ε====−5-4 有一卡诺机工作于500℃和30℃的两个热源之间，该卡诺热机每分钟从高温热源V吸收1000kJ ，求：（1）卡诺机的热效率；（2）卡诺机的功率（kW ）。
解：1211500304700.608273500733T T W Q T η−−=====+110000.60810.1360W Q η=⋅=×= kw5-5 利用一逆向卡诺机作热泵来给房间供暖，室外温度（即低温热源）为-5℃，为使室内（即高温热源）经常保持20℃，每小时需供给30000kJ 热量，试求：（1）逆向卡110000100006894.413105.59C W Q =−=−=kJ热泵侧：'C10C C Q W T T T =− '103333105.5922981.3745C C C T Q W T T =⋅=×=− 暖气得到的热量：'1C16894.4122981.3729875.78C Q Q Q =+=+=总kJ5-7 有人声称设计出了一热机，工作于T 1=400K 和T 2=250K 之间，当工质从高温热源吸收了104750kJ 热量，对外作功20kW.h ，这种热机可能吗？解： max 12114002501500.375400400C W T T Q T η−−===== max 11047500.37510.913600C W Q η×=⋅==kW h ⋅＜20kW h ⋅∴ 这种热机不可能5-8 有一台换热器，热水由200℃降温到120℃，流量15kg/s ；冷水进口温度35℃，11p 烟气熵变为：22111213731.46 6.41800T T p p n n T T Q T dTS c m c mL L T T T∆====××=−∫∫kJ /K 热机熵变为02．环境熵变为：图5-13 习题5-92210Q S S T ∆==−∆ ∴201()293 6.411877.98Q T S =⋅−∆=×=kJ 3.热机输出的最大功为：0123586.81877.981708.8W Q Q =−=−=kJ5-10 将100kg 、15℃的水与200kg 、60℃的水在绝热容器中混合，假定容器内壁与水之间也是绝热的，求混合后水的温度以及系统的熵变。
工程热力学 第五章
S g 2
1 1 Q0 ( ) T0 T0
1 1 Exl Q0T0 ( ) T0 S g 2 T0 T0
温差传热引起的火用损失与熵产成正比。
温差传热火用损失
T
1
2
T
1
2
TA
TA
1’
2’
ExQ
T0
TB
ExQ
T0
7
AnQ
5 6
S
AnQ
5 6 8 S
Exl T0 Sg1
Exl ExQA ExQB
5.3.1 温差传热火用损失
1 1 QT0 ( ) TB TA
温差传热是不可逆过程
1 1 S g1 Q( ) TB TA
1 1 Exl QT0 ( ) T0 S g1 TB TA
温差传热火用损失
同理，放热温差传热也是不可逆过程。
δExQ
Wout ExQ
T0 (1 )δQ T
ExQ
T0
δQ Q T0 Q T0 S T
AnQ Q ExQ T0 S
热量火用 ExQ
恒温热源
T
ExQ
T T0 Q(1 ) Q T0 S T
AnQ
T0 T0 S Q T
E xQ
dsg 0
没有功损失，火用总量守恒。 不可逆过程： 损失。
功损失，火用总量减少，能量品质贬值，火用
火用和火无的基本概念
孤立系统熵 增原理
孤立系统火用 减火无增
过程进行方 向的判据
火用的分类
做功的能力
不平衡势
化学势差 温度和压力差 速度差 位置差 浓度差
火用
传热学第五章 对流传热的理论基础
10
7 对流换热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动 时，由于粘性的作用，流 体的流速在靠近壁面处随 离壁面的距离的缩短而逐 渐降低；在贴壁处被滞止， 处于无滑移状态（即： y=0, u=0）
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递
根据傅里叶定律：
qw,x
t y
w,x
流体的热导率
W m2
第五章 对流换热
Convection Heat Transfer
第五章 对流换热
1
§5-1 对流换热概述
1 对流换热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象。
● 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式
● 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电 风扇
（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法
第五章 对流换热
4
5 对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的 结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2) 流动状态; (3)流体有无相变; (4)换热表面的几何因素; (5) 流体的热物理性质
第五章 对流换热
7
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W (m C)] 比热容 c [J (kg C)]
运动粘度 [m2 s]
密度 [kg m3 ]
动力粘度 [N s m2 ]
体胀系数 [1 K]
1 v 1 v T p T p
h (流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 )
湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（Turbulent flow） (3) 流体有无相变
单相换热： （Single phase heat transfer）
热工基础-史凤霞
第一章 基本概念
选择水银的体积作为温度测量的物性，认为其随 温度线性变化，并将0 ℃ 和100 ℃温度下的体积 差均分100份，每份对应1 ℃ 热力学温标（绝对温标）: 英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定 律基础上建立，也称开尔文温标。 用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用符 号T 表示，单位为 K（开）。 热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温 度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的 1/273.16.。
绪 论
我国单位产品的能耗平均比发达国家要高40％左 右。 中国与日本工业能耗比较
绪 论
绪 论
中国发电的平均耗煤量
绪 论
3）环境污染严重 工业的发展带来了严重的环境污染，据调查， 我国有57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 有48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 有82%城市出现过酸雨； 我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。 据世界银行报导，我国城市空气污染对人体健康 和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使 农作物减产每年损失达50亿美元。
绪 论
我国的能源建设要走可持续发展的道路，必须两 条腿走路： （1）合理利用能源，提高能源利用率。主要途径 就是改造或更新技术落后的能源利用终端设备； （2）大力开发对环境无污染或污染很小的新能源 ，如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生 物质能以及核能等。
绪 论
3. 能量的转换与利用 能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过 程。
绪 论
0-2 热工基础的研究内容
热工基础
（热工理论基础）
工程热力学
传热学
主要研究内容： 热工基础主要研究热能利用的基本规律以及热能 利用过程及其它热现象中热量传递的基本规律。
工程热力学-第五章
对收缩喷管，压力最多只能 膨胀到临界压力，流速最大 也只能达到当地声速，故最 大质量流量为
qm ,max = Amin 2κ ⎛ 2 ⎞ ⎟ κ +1⎜ κ 1 + ⎝ ⎠
2 κ −1
p0 v0
对缩放喷管，由于最小截面的流量限制，尽管在Ma>1 时流速和截面积都在增大，但质量流量保持不变
取对数
定熵指数大于1，故气流在喷管里面压力不断 降低的同时，音速也是不断降低的
5.3 喷管的计算 一、流速计算
1.流速计算公式 能量方程式： h0 = h2 +
c
2 f2
2
= h1 +
c
2 f1
2
= h+
c
2 f
2
任意截面流速： c f = 出口截面流速： cf 2 =
2 ( h0 − h )
2 ( h0 − h2 ) = 2 ( h1 − h2 ) + c 2 f1
c f ,cr = c = kpcr vcr
5.2 促使流速改变的条件
喷管中的音速变化
c = kpv
1 ln c = ( ln κ + ln p + ln v ) 2 dc 1 ⎛ dp dv ⎞ 求微分 = ⎜ + ⎟ c 2⎝ p v ⎠ dc 1 ⎛ 1 ⎞ dp = ⎜1 − ⎟ c 2⎝ κ ⎠ p dp dv 过程方程： +κ =0 p v
pcr ??
根据临界截面的定义(Ma=1)： c f ,cr = κ pcr vcr
κ −1 ⎡ ⎤ κ pcr vcr 2 ⎢ ⎛ pcr ⎞ ⎥ 1− ⎜ = ⎟ ⎥ ⎢ κ −1 p 0 v0 p0 ⎠ ⎝ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
AW工程热力学第五章
h' 640.35 kJ / kg
h'' 2748.59 kJ / kg
s' 1.8610 kJ /(kg K ) s'' 6.8214 kJ /(kg K )
ts 151.867 c
32
例题5-3
冷凝器中，蒸汽压力为4kPa，x=0.95，试求vx， hx，sx的值；若此蒸汽凝结为水，试求其容积变化率。
蒸发：在液体表面上的汽化过程。
沸腾：在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。
沸点：液体沸腾时的温度，ts。
液化（liquefaction）：由蒸汽变成液体的过程。
4
5.1.2 饱和状态(saturated state)
当汽化速度 = 液化速度时，系统 处于动态平衡；宏观上气、液两相保持 一定的相对数量——饱和状态。
20
5.3.1 零点规定
零点规定：三相点时液态水的热力学能及熵为零。
p0 611.2 Pa T0 273.16 K v0 0.001 m3 / kg u0 0 kJ / kg s0 0 kJ /(kg • K ) h0 u0 p0v0
0 611.2 0.001 J / kg 0.6112 J / kg
sx 1 xs'xs'' 8.0721kJ /(kg K )
hx 1 xh'xh'' 2432.5 kJ / kg
相对容积变化率 vx 33.063 32931
v' 0.001004
33
5.5 水蒸气的热力过程
5.5.1 基本公式
水蒸气热力过程中状态参数确定—查图表或专用 程序计算。
计算功、热量的依据：
wt，T qT (h2 h1) T (s2 s1) (h2 h1)
工程热力学第五章 习题解答
第五章 习题解答5-1 ⑴ 12,187331364.14%873t c T T T η--===⑵ 0,10.641410064.14 kW t c W Q η==⨯= ⑶ ()()2,1110.641410035.86 kW t c Q Q η=-=-⨯= 5-2 12,1100040060%1000t c T T T η--=== 0,10.61000600 kJ < 700 kJ t c W Q η==⨯= 该循环发动机不能实现5-3 ()()121 1.011000300707 kJ/kg p q c T T =-=⨯-=133323331221.41.41lnln ln 300 0.287300ln 362.8 kJ/kg1000p pT q RT RT RT p p T κκ--⎛⎫=== ⎪⎝⎭⎛⎫=⨯⨯=- ⎪⎝⎭12707362.8344.2 kJ/kg w q q =+=-=1344.248.68%707w q η=== 5-4 12,1100030070%1000t c T T T η--=== ,10.7707495 kJ/kg t c w q η==⨯= 5-5 ⑴221126310000089765 kJ/h 293T Q Q T ==⨯= ⑵12,122939.77293263c T T T ε===-- 12,1000002.84 kW 9.773600cQ P ε===⨯⑶100000100000 kJ/h 27.78 kW 3600P ===5-6 ⑴12,1229314.65293273c T T T ε===-- 12,2010000.455 kW 9.773600cQ P ε⨯===⨯由()1221212003600T T T PT T -⨯=-220t =℃ 得1313 K 40T ==℃5-7 2,10.351000015000 kJ/h t c Q Q ηε==⨯⨯= 5-8 ()()2111000010.37000 kJ/h t Q Q η=-=⨯-=215000700022000 kJ/h Q Q Q =+=+=总 5-9 可逆绝热压缩终态温度2T1 1.411.422110.3300410.60.1p T T p κκ--⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭K可逆过程0Q U W =∆+=，不可逆过程0Q U W ''=∆+= 且 1.1W W '=，则 1.1U U '∆=∆()()21211.1v v mc T T mc T T '-=-()()21211.1300 1.1410.6300421.7T T T T '=+-=+⨯-=K 2211421.70.3ln ln 0.1 1.01ln 0.287ln 3000.1p T p S m c R T p '⎛⎫⎛⎫∆=-=⨯- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭=0.00286 kJ/kg.K5-10 理论制冷系数：21,122587.37293258c T T T ε===-- 制冷机理论功率：21,1257004.74 kW 7.373600cQ P ε===⨯散热量：12125700 4.743600142756 kJ/h Q Q P =+=+⨯=冷却水量：21H O 1427564867.2 kg/h 4.197Q mc t ===∆⨯5-11 ⑴ 1111003070 kJ W Q U =-∆=-=热源在完成不可逆循环后熵增0.026kJ/kg.K 则第二个过程热源吸热：120.0261006000.026115.6 kJ Q Q T T ⎛⎫=+=+⨯= ⎪⎝⎭工质向热源放热：()22115.63085.6 kJ W Q U =-∆=---=- 5-12 可逆定温压缩过程熵变：211ln0.287ln 0.66 kJ/kg K 0.1p s R p ∆=-=-⨯=-⋅ 可逆过程耗功：1120.1ln0.287400ln 264 kJ/kg 1p w RT p ==⨯⨯=- 实际耗功：()1.25 1.25264330 kJ/kg w w '==⨯-=- 因不可逆性引起的耗散损失：()33026466 kJ/kg q w w ''=-=---=- 总熵变：0660.660.44 kJ/kg K 300q s s T ''∆=∆+=-+=-⋅ 5-13 ()121v q c T T =-，()231p q c T T =-()()31313121121212111111111p v c T T T T v v q wq q c T T T T p p ηκκ---==-=-=-=---- 5-14 1112lnp q RT p =，()421223ln v pq c T T RT p =-+ ()412412223321111122lnln 1111lnlnv p T T pc T T RT T p p q p p q RT T p p κη--++-=-=-=-5-15 ⑴11940 K T '=，2660 K T '=216601166%1940T T η'=-=-=' ⑵01100066%660 kJ W Q η==⨯=20,max11600110001700 kJ 2000T W Q T ⎛⎫⎛⎫=-=⨯-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭0,max 0700660 kJ 40 kJ W W W δ=-=-=5-16 11114000.10.445 kg 0.287313p V m RT ⨯===⨯ 22222000.10.238 kg 0.287293p V m RT ⨯===⨯ ()()11220v v U m c T T m c T T ∆=-+-=1122120.4453130.238293306 K 0.4450.238m T m T T m m +⨯+⨯===++()()12120.4450.2380.2873060.3 MPa 0.10.1m m RT p V V ++⨯⨯===++ 1122121122 ln ln ln ln 3060.3 0.4451.01ln 0.287ln 3130.43060.3 0.2381.01ln 0.287ln 0.0093 kJ/K2930.2p p S m s m s T p T p m c R m c R T p T p ∆=∆+∆⎛⎫⎛⎫=-+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫=⋅-⋅ ⎪⎝⎭⎛⎫+-⋅= ⎪⎝⎭5-17 ⑴2211400 2.51000 K pT T p ==⨯=()()1210.7231000400433.8 kJ/kg v q c T T =-=⨯-=12331ln 0.287400ln 264.3 kJ/kg 10v q RT v ==⨯=-⑵12433.8264.3169.5 kJ/kg w q q =-=-=21264.31139.0%433.8q q η=-=-=5-18 ⑴()12201s R T T W m w m κκκ'-===- ()()21201201.41298258.2 K 0.5 1.40.287T T m R κκ'--=-=-=⨯⨯⑵1 1.412 1.42112980.4229.4 K p T T p κκ--⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭()()120.287298229.40.5 1.41 1.4134.5 kWs R T T W m w m κκκ-⨯-===⨯⨯--= 5-19 1 1.311.322111303515.5 K 0.1n np T T p --⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭()()21 1.3 1.40.287515.53031 1.31 1.4150.8 kJ/kgv n q c T T n κ--=-=⨯⨯----=- 环境熵变：1050.80.175 kJ/kg K 290q s T ∆===⋅空气熵变：22211ln ln p T ps c R T p ∆=-515.511.005ln 0.287ln 0.127 kJ/kg K 3030.1=⨯-=-⋅孤立系统熵变：120.1750.1270.048 kJ/kg K iso s s s ∆=∆+∆=-=⋅ 5-20 1 1.411.422110.2800505.1 K 1p T T p κκ--⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭()()120.2968800505.1218.8 kJ/kg 1 1.41R T T w κ-⨯-===--()()()12120210212112021 505.1800 218.81000.2968167.6 kJ/kg2001000u u v ex ex u u p v v T s s RT RT c T T p p p -=---+-⎛⎫=--- ⎪⎝⎭⎛⎫=-⨯⨯-= ⎪⎝⎭排开环境所作的功为作功能力损失（51.2kJ/kg ）5-21 1 1.211.222110.2800611.8 K 1n np T T p --⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭()()120.2968800611.8279.3 kJ/kg 1 1.21R T T w n -⨯-===--31110.29688000.237 m /kg 1000RT v p ⨯=== 32220.2968611.80.908 m /kg 200RT v p ⨯=== 22221111ln ln ln ln 11.40.2968611.80.2ln 0.2968ln 0.20 kJ/kg K1.418000.1p T p T p R s c R R T p T p κκ∆=-=--⨯=-=⋅-()()()()()()1212021021120210 10.2968 800611.81000.9080.2373000.21.41 132.5 kJ/kg u u ex ex u u p v v T s s RT T p v v T s κ-=---+-=---+∆-=⨯--⨯-+⨯-= 5-22 1112001013.94 kg 0.287500pV m RT ⨯===⨯ ()()2113.94 1.0056005001400.7 kJ p Q mc T T =-=⨯⨯-=21600ln1.005ln 0.1832 kJ/kg K 500p T s c T ∆==⨯=⋅ 01400.730013.940.1832634.6 kJ q Ex Q T m s =-⋅∆=-⨯⨯= 030013.940.1832766.1 kJ q An T m s =⋅∆=⨯⨯=5-23 ()()12 1.40.287500320180.74 kJ/kg 1 1.41s R T T w κκ-⨯⨯-===--22113200.1lnln 1.005ln 0.287ln 5000.5 0.0134 kJ/kg Kp T p s c R T p ∆=-=⨯-⨯=⋅()()()1212021120 1.0055003203000.0134184.92 kJ/kgh h p ex ex h h T s s c T T T s -=-+-=-+∆=⨯-+⨯=12180.7497.7%184.92s ex h h w ex ex η===-5-24 ⑴21300201167.3%100020T T η'+=-=-='- ⑵013001170%1000t T T η=-=-= ()()110000.70.67327 kJ t L Q ηη=-=⨯-= ⑶()()211100010.673327 kJ Q Q η=-=⨯-=12110211111111 10003270.09 kJ/K9801000300320S Q Q T T T T ⎛⎫⎛⎫∆=-+- ⎪⎪''⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫=-+-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭0iso 3000.0927 kJ L T S =∆=⨯= 符合！。
热工基础课后题答案第二版第四章-第五章教案资料
⑵不可逆过程的熵变 无法计算；
3若工质从某一初态经可逆与不可逆途径到达同一终态，则不可逆途径的 必大于可逆途径的 ；
4工质经历不可逆循环后 ；
5自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程不可能实现；
6工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小。
答：（1）不正确，只有孤立系统才可以这样说；
答：保证其压力。
2.锅炉产生的水蒸气在定温过程中是否满足 的关系？为什么？
答：不对，因为水蒸气不能看作是理想气体，其内能不仅是温度的函数，还是压力的函数，故此定温过程内能是改变的， 不等于0。
3.有无0℃或低于0℃的蒸汽存在？有无低于0℃的水存在？为什么？
答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在，只要压力足够低就可能，但是没有低于0℃的水存在，因为水的三相点温度为0.01℃，低于三相点温度，只可能是固态或是气态。
所以做功能力的损失为：
假设环境温度为20度，所以：
4-12解：根据温度流动的过程方程有：
所以
空气在压缩过程中的熵变为：
所以做功能力的损失为：
4-13解：混合后的温度为：
熵变为：
4-14解：依题意：
故制冷机得到的功为：
又
所以
4-15解：（1）根据稳定流动的过程方程可得：
（2）进口处
出口处
（3）所以压气机所需的最小有用功为：
9.闭口系统经历了一不可逆过程对外作功10 kJ，同时放出热量5 kJ，问系统
的熵变是正、是负还是不能确定？
答：熵是状态参数，功和热量都是过程量，所以不能确定系统的熵变。
习题
4－1解:由热量守恒
由克劳休斯不等式：
它的设计是不合理的
4－2解：采用电炉取暖时，
热工测试技术-第5章
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2、基于相对变化原理 当物位变化时，物位与容器底部或顶部的距 离发生改变，通过测量距离的相对变化可获 得物位的信息。 这种检测原理包括声学法、微声法和光学法 等。
3、基于某强度性物理量随物位的升高而变化 增加原理
例如：射线的吸收强度，电容器的电容量等。
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Hale Waihona Puke 15（3）正迁移 在实际安装差压变送器时，不能保证变送器 和零液位在同一水平面上。
设连接负压室与容器上部取压点的引压管中 充满气体，并忽略气体产生的静压力。
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P h1g H1g P0 P P0
P P P h1g H1g H1g C
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二、超声波物位检测计 通过测量声波从发射至接受到被测物位界面 所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低。
H 1 vt 2
v—超声波传播的速度 t—超声脉冲从发射到接收所经过的时间。 H—超声发生器和接受器到液面的距离
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第五章 物位测量
§5-1 物位检测的主要方法和分类
物位：容器（开口或密封）中液体介质液面 的高低（称为液位），两种液体介质的分界 面的高低（称为界面）和固体块、散粒状物 质的堆积高度（称为料位）。
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液位计： 用来检测液位的仪表
界面计： 用来检测分界面的仪表
料位计： 用来检测固体料位的仪表
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二、实现方法 1、压力计式液位计 要求： ①压力指示值与液位高 度满足
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热工理论基础学习指导 - 38 - 第五章 水蒸气 5-1 学习目标与要求
1．理解水蒸气饱和状态的概念及参数特征，掌握水蒸气定压产生过程在p-v图和T-s图上所表现的相变规律； 2．了解水和水蒸汽的热力性质表及h-s图的结构组成，能熟练应用水蒸气图表查取水和水蒸汽的状态参数； 3．掌握水蒸气典型热力过程的特点，能利用水蒸气图表熟练分析计算定压、绝热过程的功量和热量； 4．了解湿空气的绝对湿度、相对湿度、饱和湿空气、未饱和湿空气及露点温度等概念，了解相对湿度的物理意义及测量方法。
5-2 基本知识点 一、水蒸气的饱和状态 1．汽化和液化 （1）汽化：物质由液态转变为气态的过程。（如锅炉水冷壁中水的汽化过程） 有两种汽化方式：蒸发和沸腾。（注：锅炉水冷壁中水的汽化方式属沸腾！） （2）液化（或凝结）：物质由气态转变为液态的过程。（如凝汽器中蒸汽的凝结过程） 2．饱和状态 （1）定义：汽化和凝结处于动态平衡的状态。 （2）饱和压力与饱和温度的关系：ts=f（ps）。即ts与ps成一一对应关系，ps↑，ts↑。 二、水蒸气的定压产生过程 1．水蒸气的定压产生过程 在一带有活塞的气缸中装有1kg、0℃的纯水，对其进行定压加热，以此来代替锅炉中水蒸气的定压产生过程。定压下水蒸气的产生过程可分为三个阶段（如图5-1所示）： 第五章 水蒸气
- 39 - ppppp重物活塞
加热（1）（2）（3）（4）（5）
预热阶段汽化阶段过热阶段
未饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽sttstt
stt
stt
stt
图5-1 定压下水蒸气的产生过程 （1）未饱和水的预热阶段：未饱和水→饱和水 加入的热量为液体热：ql=h′-h0 （2）饱和水的汽化阶段：饱和水→湿蒸汽→干饱和蒸汽 汽化潜热：1kg饱和液体加热成同温度下的干饱和蒸汽所需热量。（r=h″-h′） 干度：湿蒸汽中含干蒸汽的质量占湿蒸汽总质量的百分比，用x表示，即
VVW
m
xmm
饱和水:x=0湿蒸汽:0干饱和蒸汽:x=1 （3）干饱和蒸汽的过热阶段： 干饱和蒸汽→过热蒸汽 过热度（D）：过热蒸汽的温度与相同压力下的饱和温度的差值。(D=t－ts) 加入的热量为过热热：qs=h-h″ 则将1kg0℃的水定压加热成t℃的过热蒸汽所需要的热量可表示为： q=ql+r+qs=h-h0 kJ/kg （5-1） 2．水蒸汽的p-v图和T-s图
p
0vT0sCC
x=0x=1
x=0x=1
ⅠⅡⅡ
ⅢⅢ 热工理论基础学习指导 - 40 - 图5-2 水蒸气的p-v图与T-s图 将不同压力下水蒸气的定压产生过程线集中表示在p-v图与T-s图上，就可得到如图5-2所示的相变规律。此相变规律可归纳为“一点、两线、三区、五态”，具体解释如下： 一点：临界点C（饱和水状态与干饱和蒸汽状态相重合的一点）
水蒸气的临界参数为：cc3cp=22.064 MPat=374.15Cv=0.003106m/kg 两线：饱和水线（又叫下界线，x=0）、干饱和蒸汽线（又叫上界线，x=1） 三区：未饱和水区（Ⅰ区）、湿蒸汽区（Ⅱ区）、过热蒸汽区（Ⅲ区） 五态：未饱和水状态、饱和水状态、湿蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。 三、水蒸气表和焓一熵(h-s)图 水蒸气是由液态水汽化而得，离液态较近，不是理想气体，是实际气体，只能通过热力学性质图表查取水和水蒸气的状态参数以及进行各种热力过程的计算。 1．水蒸气的热力性质表：分两种 （1）饱和水与饱和水蒸汽热力性质表：有两种排列方式，即按温度排列的饱和水与饱和水蒸气表和按压力排列的饱和水与饱和水蒸气表。 作用：①利用此表可根据已知的温度（或压力）查出饱和水及干饱和蒸汽的参数。如遇到未列出的间隔中参数，还需辅以内插法。 ②利用此表还可以根据给定的参数和干度x，确定湿蒸汽的状态参数。即
vx=(1-x)v′+xv″ （5-2）
hx=(1-x)h′+xh″ （5-3） sx=(1-x)s′+xs″ （5-4） ux=hx-pvx （5-5） （2）未饱和水与过热蒸汽热力性质表： 在未饱和水与过热蒸汽表中，按压力、温度分别作为行、列，列出了比体积、焓和熵的数值。表中粗黑线的上方为未饱和水的参数，粗黑线的下方为过热蒸汽的参数。 作用：利用这个表可按给定的任意两个状态参数（如t和p），查取未饱和水状态（或过热蒸汽状态）下的其它三个参数。如遇到未列出的间隔中参数，同样需辅以内插法。 2．水蒸气的焓—熵(h-s)图 根据水蒸气各状态参数间的关系以及水蒸气表中的数据制成水蒸气的h-s图，如图5-3所示。 第五章 水蒸气
- 41 - p1p2t1t2v1v2x1x2Cx=1x=0h(kJ/kg)
s(kJ/kg.K) 图5-3 水蒸气的h-s图 （1）h-s图的构成： 定焓线和定熵线：定焓线为水平线，定熵线为垂直线。 定干度线：是饱和区内特有的曲线，是包括x=0的饱和水线及x=1的干饱和蒸汽线在内的一组干度等于常数的曲线。 定压线：在h-s图上呈发散状分布。在饱和区，定压线与定温线为同一簇斜率不同的直线；在过热区，随着压力的增高，定压线趋于陡峭。 定温线：在饱和区内与定压线重合；在过热区定温线与定压线自上界线（x=1）处分开，随后逐渐趋于平坦。 定容线：在h-s图上的走向与定压线相似，但比定压线稍陡。 说明：通常所用h-s图中不包括 x<0.6的区域，因这部分线图过于密集，且工程上不常用，故实用h-s图一般只印出了右上角部分（如图5-3所示）。所以在实际应用时，常常将水蒸气表与实用h-s图配合使用。 （2）h-s图的使用： ①利用h-s图可查取湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽的参数值（如h、s、x及v等）； ②分析水蒸气的热力过程。 四、水蒸气的基本热力过程 基本热力过程：定容、定压、定温、绝热（热力设备中应用较多的是定压和绝热过程） 分析水蒸气热力过程的一般步骤为： ①利用水蒸气图表由初态的两个已知参数查取其它未知参数； ②根据过程性质（如压力不变）和已知的终态参数在h-s图上确定过程线和终态，并查得未知的终态参数； ③根据已求得的初、终态参数，应用热力学第一定律计算过程中的功和热量。 1．定压过程：（如锅炉、凝汽器及各种加热器中所发生的过程）
0tw （5-6）
12hhhq （5-7） 热工理论基础学习指导 - 42 - 2．绝热过程：（如汽轮机和水泵内的工作过程） 0q （5-8）
)()(22211121vphvphuuuw （5-9） 21hhhwt （5-10） 五、湿空气 1．湿空气与干空气 湿空气=干空气+水蒸汽 湿空气可看成理想混合气体，遵循理想混合气体的性质。根据道尔顿分压力定律，湿空气的总压力p等于干空气分压力pa与水蒸汽分压力pv之和，即p=pa+pv。 2．饱和湿空气、未饱和湿空气与露点温度 （1）饱和湿空气与未饱和湿空气： 依据湿空气中水蒸汽是否达到饱和状态，可划分成两类湿空气。 未饱和湿空气=干空气+过热水蒸汽， 饱和湿空气=干空气+饱和水蒸汽 由未饱和湿空气变成饱和湿空气的途径：①等压降温；②等温加压。 （2）结露和露点：湿空气在定压下降温到与水蒸汽分压力相对应的饱和温度时，所出现的冷凝现象称为结露，此时的温度称为露点。 露点温度在工程上的实际意义： ①露点的测定可以预报是否有霜冻出现。湿空气中水蒸汽含量越少，则其分压力越低，露点也越低。如果露点低于0℃，水蒸气就直接凝结成霜。 ②露点温度的高低可以说明湿空气的潮湿程度。湿空气温度一定时，露点温度越高说明湿空气中水蒸汽的分压力越高，即水蒸汽含量越多，则湿空气越潮湿。 ③露点温度对火电厂锅炉的设计和运行有重要的实际意义。锅炉尾部受热面省煤器和空预器的堵灰及腐蚀与露点温度有很大关系。 3．绝对湿度和相对湿度 （1）绝对湿度：每立方米湿空气中所含水蒸汽的质量。 （2）相对湿度：湿空气的绝对湿度与同温度下饱和湿空气的绝对湿度的比值，即
sv
（5-11）
相对湿度的物理意义：反映湿空气中水蒸汽含量接近饱和的程度。φ值越小，表示湿空气中水蒸汽的状态离饱和状态越远，即湿空气中水蒸汽含量少，则湿空气越干燥，吸湿能力越强。
相对湿度的范围：0<<1。（两个特例：干空气φ值为0，饱和湿空气φ值为1） 常用干湿球温度计来测量相对湿度。湿空气的温度称为干球温度，用湿纱布包住水银温度计的水银柱球部时，紧贴湿球表面的湿空气温度称为湿球温度。通常湿球温度低于干球温度，高于露点温度。
5-3 重点难点与学习建议