工程热力学18.ppt

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1、工程热力学18 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望面向面向2121世纪高等学校课程教材世纪高等学校课程教材工程热力学ENGINEERING THERMODYNAMICSENGINEERING THERMODYNAMICS主主 编编 刘宝兴刘宝兴主主 审审 任禾盛任禾盛机械工业出版社机械工业出版社2 2第1章 基本概念和定义1.1 热力学的应用领域1.2 系统的定义1.3 系统的描述及其性质1.4 比体积和压力1.5 温度3 3 热力学是一门研究能的科学

2、，是研究物质性质和能量转换之间关系的基础工程学科。热转换成功，或化学能转换成电能就是能的形式的转换，热力学提供了对它们进行分析的科学工具。4 41.1 应用领域在许多工程系统和其他生活方面常常遇到热力学的应用：在许多工程系统和其他生活方面常常遇到热力学的应用：l心脏不断地将血液泵到人体全身。心脏不断地将血液泵到人体全身。l体细胞中的各种能量转换。体细胞中的各种能量转换。l体热不停地排放到环境。体热不停地排放到环境。l一间普通的房屋在某些方面就是一间充满热力学奇妙的一间普通的房屋在某些方面就是一间充满热力学奇妙的展示厅，图展示厅，图1-11-1是具有太阳能热水系统的民宅。是具有太阳能热水系统的民

3、宅。l许多常用的家用器皿和家用电器都多少用到热力学原理许多常用的家用器皿和家用电器都多少用到热力学原理5 5图1-1是具有太阳能热水系统的民宅。6 6典型工程设备及系统：蒸汽动力发电厂是现代文明基础的动力装置。图1-2描述一个简单蒸汽动力装置循环。它需要人们用热力学去加以分析改进以提高蒸汽动力发电厂的效率。7 7图1-2描述一个简单蒸汽动力装置循环。8 8燃气发动机 热力学可分析预测可从发动机得到多少功，如何降低发动机排气污染。燃气轮机是另一种动力源。基于微型燃气轮机的冷热电三联供系统，见图1-3。如何更有效地将燃料的化学能转换成机械能?9 9微型燃气轮机的冷热电三联供系统示意图。1010直接

4、的能量转换 （1）燃料电池，它将化学能直接转换成电能，图1-4示意表示利用氢和氧的燃料电池。（2）热电发生器1111图1-4示意表示利用氢和氧的燃料电池。1212地热发电厂-蒸汽动力装置的另一种形式太阳能 必须开发经济使用的一些方法。以降低储存成本和设计出经济的房屋辅助采暖系统。热力学涉及所有与能有关的问题，掌握热力学原理对开发利用能源是十分重要的。13131.2 系统的定义热力学系统（或称为系统）热力学系统（或称为系统）任何具有确定特性任何具有确定特性的物质或空间的整体。的物质或空间的整体。系统的选择由个人决定，如何确定系统需要一定系统的选择由个人决定，如何确定系统需要一定的技巧。的技巧。系

5、统分为两类系统分为两类 闭口系统和开口系统。闭口系统和开口系统。闭口系统（也称为控制质量）闭口系统（也称为控制质量）定量物质，没有定量物质，没有物质跨越边界。物质跨越边界。1414孤立系统孤立系统 与外界不以任何方式相互作用的闭口与外界不以任何方式相互作用的闭口系统。系统。开口系统（也称为控制容积）开口系统（也称为控制容积）物质可跨越系统物质可跨越系统的边界，是适当选择的空间区域，通常是包围涉的边界，是适当选择的空间区域，通常是包围涉及物质流动的装置设备及物质流动的装置设备外界外界 不在系统中的其他一切事物不在系统中的其他一切事物边界边界 分开系统和外界的表面分开系统和外界的表面15151.3

6、 系统的描述及其性质研究方法研究方法 主要是用宏观的方法（经典的方法），微观的主要是用宏观的方法（经典的方法），微观的方法（统计的方法）只用于解释某些用宏观方法不能理解方法（统计的方法）只用于解释某些用宏观方法不能理解的现象。的现象。状态状态 描述物质如何存在。它具有温度、压力、密度以及描述物质如何存在。它具有温度、压力、密度以及其他宏观参数。其他宏观参数。参数是整个系统的特征量，它不取决于系统状态如何变化，参数是整个系统的特征量，它不取决于系统状态如何变化，只取决于最终的系统状态。只取决于最终的系统状态。参数必须是系统的特性。一个系统从一个状态到另一个状参数必须是系统的特性。一个系统从一个状

7、态到另一个状态，参数只取决于状态，与系统经历的状态变化无关。态，参数只取决于状态，与系统经历的状态变化无关。1616参数可以细分成两类，强度参数和广延参数。参数可以细分成两类，强度参数和广延参数。强度参数不依赖系统的大小，例如温度和压力。强度参数不依赖系统的大小，例如温度和压力。广延参数依赖于系统的大小，例如质量和体积。广延参数依赖于系统的大小，例如质量和体积。而单位质量的广延参数，如比体积，具有强度参而单位质量的广延参数，如比体积，具有强度参数的性质。数的性质。1717平衡平衡 只要系统内各处参数是均匀的，才有确定只要系统内各处参数是均匀的，才有确定的参数值。这时系统就该参数来说是平衡的。的

8、参数值。这时系统就该参数来说是平衡的。热力学处理的是平衡状态热力学处理的是平衡状态 系统中没有不平衡的系统中没有不平衡的势（或驱动力）。当平衡系统孤立于外界时，就势（或驱动力）。当平衡系统孤立于外界时，就不经历变化。不经历变化。除非满足所有有关类型的平衡条件，否则系统就除非满足所有有关类型的平衡条件，否则系统就不处于热力学平衡状态。不处于热力学平衡状态。1818热平衡热平衡 整个系统的温度相同，即系统没有引起整个系统的温度相同，即系统没有引起热流的驱动力，即温差。热流的驱动力，即温差。力平衡力平衡 力平衡与压力有关，系统任何点处没有力平衡与压力有关，系统任何点处没有压力随时间的变化。压力随时间

9、的变化。相平衡相平衡 每相的质量达到平衡含量并维持状态。每相的质量达到平衡含量并维持状态。化学平衡化学平衡 系统化学组分不随时间变化，即没有系统化学组分不随时间变化，即没有化学反应发生。化学反应发生。稳定状态稳定状态 没有一个系统参数随时间而变。没有一个系统参数随时间而变。1919状态公理 简单可压缩系统的状态完全可由两个独立的强度参数来给定。简单可压缩系统 没有电、磁、重力、运动和表面张力作用时的系统。这些作用是由外力场引起的，对大多数工程问题是可以忽略不计的。2020温度与比体积是独立参数，并能一起确定简单可温度与比体积是独立参数，并能一起确定简单可压缩系统的状态。压缩系统的状态。温度和压

10、力对单相系统是独立参数。对多相系统温度和压力对单相系统是独立参数。对多相系统是互相对应的参数。因此温度和压力不足以确定是互相对应的参数。因此温度和压力不足以确定两相系统的状态。两相系统的状态。2121过程过程 系统从一个平衡状态到另一个平衡状态所系统从一个平衡状态到另一个平衡状态所经历的任何变化，过程就是系统状态的变化。经历的任何变化，过程就是系统状态的变化。途径途径 在一个过程中系统所经过的无数个系统状在一个过程中系统所经过的无数个系统状态。态。一个过程的完整地描述，应说明过程的初态和终一个过程的完整地描述，应说明过程的初态和终态、过程的途径以及与外界的相互作用。态、过程的途径以及与外界的相

11、互作用。2222当过程进行中系统随时保持无限接近平衡状态，当过程进行中系统随时保持无限接近平衡状态，就称为准静态过程或准平衡过程。就称为准静态过程或准平衡过程。一个准静态过程可以被看作系统内不平衡势无限一个准静态过程可以被看作系统内不平衡势无限小、过程进行得足够慢的过程。小、过程进行得足够慢的过程。人们对准静态过程感兴趣，一是因为它分析方便，人们对准静态过程感兴趣，一是因为它分析方便，二是可以用作与实际过程进行比较的标准。二是可以用作与实际过程进行比较的标准。2323用参数坐标图来分析热力过程是很方便的。图用参数坐标图来分析热力过程是很方便的。图1-51-5表示汽缸表示汽缸活塞压缩过程的活塞压

12、缩过程的p-V p-V 图。图。过程途径表示过程中系统经历的一系列平衡状态。过程途径表示过程中系统经历的一系列平衡状态。对非准静态过程无法用一个状态来表征整个系统，对非准静态过程无法用一个状态来表征整个系统，所以也没有整个系统的过程途径。非准静态过程所以也没有整个系统的过程途径。非准静态过程用初态和终态之间的虚线表示。用初态和终态之间的虚线表示。2424图1-5 表示汽缸活塞压缩过程的p-V 图2525过程中温度保持不变的过程叫等温过程。过程中压力保持不变的过程叫等压过程。过程中比体积保持不变的过程叫等容过程。热力学循环是两个或更多个过程的总体，并且终态等于初始状态。2626稳定就意味着参数不

13、随时间变化，反之就是不稳定。稳定流动过程被定义为在该过程中流体稳定地流过控制容积，这时流体参数可从控制容积中的一点到另一点发生变化，但是，在任何固定点、在整个过程中都保持不变。在稳定流动过程中控制容积的体积V、质量m 和总能量E 保持不变。2727有些循环装置（如往复式发动机或压缩机），当流体的参数随时间周期变化时，就可用参数的时间平均值来将经过这些装置的流动分析成稳定流动过程。均匀就意味着参数在给定区域中不随地点变化。2828能可以许多形式存在，诸如热能、机械能、动能、势能、电能、磁能、化学能和核能，它们的总和构成系统的总能总能E。单位质量的系统总能e 为e=E/m。热力学不讨论系统总能的绝

14、对值，只研究系统总能的变化。于是可指定在某方便的参考点，系统总能为零。系统总能的变化与选择的参考点无关。2929在热力学分析中，常常将构成总能的各种能的形在热力学分析中，常常将构成总能的各种能的形式分为两种：宏观形式的能和微观形式的能。式分为两种：宏观形式的能和微观形式的能。能的宏观形式是系统作为整体相对某外部参考系能的宏观形式是系统作为整体相对某外部参考系所具有的能的形式，如动能和势能。所具有的能的形式，如动能和势能。系统相对某参考系运动所具有的能量称为动能，系统相对某参考系运动所具有的能量称为动能，Ke Ke=mm 2 2/2/2。对单位质量有。对单位质量有ke ke=2 2/2/2。由系

15、统在重力场中的标高而具有的能量称为势能，由系统在重力场中的标高而具有的能量称为势能，Pe Pe=mgzmgz。对单位质量有。对单位质量有pe pe=gzgz。3030能的微观形式是与系统分子结构和分子活动程度有关的能的形式，它们独立于外部参考系。所有微观形式能的总和称为系统的热力学能，并用符号表示为U。3131在不计电、磁和表面张力的作用时，系统总能在不计电、磁和表面张力的作用时，系统总能E E 由热力学能、动能和势能构成，并表示为由热力学能、动能和势能构成，并表示为E E=U+Ke+Pe U+Ke+Pe=U+m U+m 2 2/2/2+mgz+mgze e=u+ke+pe u+ke+pe=u

16、+u+2 2/2/2+gz+gz静止系统的总能变化静止系统的总能变化E E 等于其热力学能的变化等于其热力学能的变化UU。与分子各种动能有关的系统热力学能称为显能。与分子各种动能有关的系统热力学能称为显能。热力学能还与分子间、原子间和粒子间的结合力热力学能还与分子间、原子间和粒子间的结合力有关。与系统的相有关的热力学能称为潜能。另有关。与系统的相有关的热力学能称为潜能。另外热力学能还包括化学能和核能。外热力学能还包括化学能和核能。3232上述讨论的各种形式的能可储存在系统中，可看作能的静态形式。不储存在系统中的能是动态形式，或称为能的相互作用。动态形式能可在它跨越边界时被确认，也就代表系统在过

17、程中得到或失去的能量。3333与闭口系统有关的能的相互作用仅有传递热和功两种。如果驱动力是温差，那么能的相互作用就是传热，否则就是功。对控制容积，还可通过质量传递来交换能量。在热力学中，通常指热力学能中的显能和潜能为热能，以与传递热相区分。3434物体的动能是与所有分子有规律运动有关的有序物体的动能是与所有分子有规律运动有关的有序形式能量，相反，分子的动能完全是无规律的，形式能量，相反，分子的动能完全是无规律的，是高度无序形式能量。是高度无序形式能量。有序形式能量远比无序形式能量有价值，有序形式能量远比无序形式能量有价值，热力学的一个主要方面就是讨论无序形式能量热力学的一个主要方面就是讨论无序

18、形式能量（热量）向有序形式能量（功）的转换。有序形（热量）向有序形式能量（功）的转换。有序形式能量可被完全转换成无序形式能量。式能量可被完全转换成无序形式能量。只有一部分无序形式能量可通过热机被转换成有只有一部分无序形式能量可通过热机被转换成有序形式能量。序形式能量。35351.4 比体积和压力比体积是物质的体积除以质量，v=V/m。密度是单位容积中物质的质量，即比体积的倒数，=1/v。若系统中的物质是均匀的、平衡的，作用在有限面积 A 上的法向力为F，则每单位面积上的法向力p=F/A 称为压力。压力单位定义为帕，1 Pa=1 N/m2。3636相对绝对真空的压力称为绝对压力p。绝对压力p 和

19、当地大气压力pb 之差称为表压力pg。小于大气压的压力称为真空压力pv或真空。pg=p pb pv=pb p大气压力pb是空气受重力作用的结果，在海平面处是101 325 Pa=760 mmHg。3737测量压力的两种常用仪器是压力计和布尔登管式测量压力的两种常用仪器是压力计和布尔登管式压力计。压力计。压力计用液柱高度来测量压差，液体可以是水、压力计用液柱高度来测量压差，液体可以是水、水银或油。图水银或油。图1-61-6所示的压力计是一端向大气敞开，所示的压力计是一端向大气敞开，另一端连接内含被测气体的封闭容器。气体压力另一端连接内含被测气体的封闭容器。气体压力和大气压力之差是和大气压力之差是

20、p pp pb b =gLgL 是压力计液体的密度；是压力计液体的密度；g g 是重力加速度；是重力加速度；L L 是两液面标高差。是两液面标高差。3838图1-6 用压力计测量压力3939布尔登管式压力计测量的是相对于外界的压力，因此，当管子内外压力相等时，刻度读数为零。图1-7 用布尔登管式压力计测量压力4040图1-7 用布尔登管式压力计测量压力4141压力也可以通过其它方法来测量。压电式传感器：当某固体材料变型时就在其内产生电荷。这种机械输入/电子输出现象为压力测量、位移测量和力测量提供了基础。图1-8 带有自动数据采集的压力传感器膜片传感器受力后就变位，改变电感、电阻、或电容。424

21、2图1-8 带有自动数据采集的压力传感器43431.5 温度温度是物体冷、热程度的度量。温度是物体冷、热程度的度量。温度的相同性是可以定义的。温度相同性是由别的性质温度的相同性是可以定义的。温度相同性是由别的性质（如电阻和密度）的变化来度量的。（如电阻和密度）的变化来度量的。热力学第零定律说：热力学第零定律说：“当两个物体都与第三个物体处于热当两个物体都与第三个物体处于热平衡时，这两个物体就相互处于热平衡，因而处于相同的平衡时，这两个物体就相互处于热平衡，因而处于相同的温度。温度。”这时，这第三个物体就是温度计。这时，这第三个物体就是温度计。最普通的温度计是充满有色酒精或水银的密封玻璃毛细管。

22、最普通的温度计是充满有色酒精或水银的密封玻璃毛细管。应注意到温度计取决于密度参数的变化来表示温度。应注意到温度计取决于密度参数的变化来表示温度。4444温度的数值表示法称为温标。温标使我们能够用共同的基准来测温。温标基准点有两种，一种是水的三相点（冰、水和水蒸气共存点），另一种是在一个大气压下水的沸点。常用的温标有SI制的摄氏温标、英制华氏温标和热力学温标。4545在摄氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为在摄氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为0 0和和100100。在华氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为在华氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为3232 和和212212。热力学温标（绝对温标）是一种

23、与任何物质性质无关的温热力学温标（绝对温标）是一种与任何物质性质无关的温标。标。在在SISI制中是开尔文温标，其温度单位表示为制中是开尔文温标，其温度单位表示为K K，最低温度，最低温度为为0 K0 K。在英制中热力学温标是朗肯温标，其温度单位表示为在英制中热力学温标是朗肯温标，其温度单位表示为R R。4646热力学温标规定水的三相点的温度为热力学温标规定水的三相点的温度为273.16 K273.16 K，因此，因此，热力学温度的一度就是水的三相点温度的热力学温度的一度就是水的三相点温度的1/273.161/273.16。摄氏温标与开尔文温标的关系是摄氏温标与开尔文温标的关系是t t =T T

24、 K K-273.15273.15摄氏温度摄氏温度与华氏温度与华氏温度 的关系是的关系是t t =(5/9)(=(5/9)(t t -32)32)朗肯温标朗肯温标R R与华氏温度与华氏温度 的关系是的关系是T T R=R=t t +459.67459.674747第1章 小结介绍一些热力学的基本概念和定义。介绍一些热力学的基本概念和定义。热力学分析的一个重要方面是要确定系统并用参热力学分析的一个重要方面是要确定系统并用参数和涉及的过程来描述系统的工作情况。数和涉及的过程来描述系统的工作情况。讨论三个重要参数：比体积、压力、和温度。讨论三个重要参数：比体积、压力、和温度。热力学考虑处于平衡状态的

25、系统和经历状态变化热力学考虑处于平衡状态的系统和经历状态变化的系统。的系统。除了研究过程中对平衡的偏离可忽略不计的准平除了研究过程中对平衡的偏离可忽略不计的准平衡过程之外，也研究过程中的状态是不平衡状态衡过程之外，也研究过程中的状态是不平衡状态的过程。的过程。4848第2章 纯物质的性质2.1 2.1 纯物质纯物质2.2 2.2 纯物质的相纯物质的相2.3 2.3 纯物质的相变过程纯物质的相变过程2.4 2.4 相变过程参数图相变过程参数图2.5 2.5 热力学参数表热力学参数表2-6 2-6 理想气体状态方程理想气体状态方程2-7 2-7 压缩因子压缩因子偏离理想气体性质的度量偏离理想气体性

26、质的度量2-8 2-8 实际气体状态方程实际气体状态方程2-9 2-9 比热容比热容2-10 2-10 理想气体的热力学能、焓和比热容理想气体的热力学能、焓和比热容2-11 2-11 固体和液体的热力学能、焓和比热容固体和液体的热力学能、焓和比热容49492.1 纯物质整个物质处处具有固定的化学组成，则该物质是纯物质。纯物质不一定是单种化学元素或化合物。各种化学元素或化合物的混合物也可看作纯物质，只要混合物是均匀的。这就意味着，纯物质必须是均匀的，在各处具有相同的化学和物理组成。5050空气是多种气体的混合物，但空气常常被认为是纯物质，因为在常温常压时，氧气和氮气的混合物在各处都具有相同的化学

27、组成。只要所有相的化学组成是相同的，那么纯物质的二相或多相混合物仍然是纯物质。例如，容器中的气态水（在上部的水蒸气）和液态水构成纯物质，但气态空气（在上部）和液态空气就不构成纯物质。51512.2 纯物质的相物质的某些状态集合称为该物质的相。当固体变成液体就出现融化；当液体变成固体就出现凝固；当液体变成气体（蒸汽）就出现蒸发；当气体（蒸汽）变成液体就出现冷凝；当固体变成气体就出现升华。52522.3 纯物质的相变过程处于没开始蒸发的未饱和水称为过冷水。处于没开始蒸发的未饱和水称为过冷水。正要蒸发的液体称为饱和水。正要蒸发的液体称为饱和水。部分液体变成蒸汽，出现液体和蒸汽的混合物，部分液体变成蒸

28、汽，出现液体和蒸汽的混合物，称为湿蒸汽。称为湿蒸汽。所有的液体全部蒸发，成了饱和蒸汽。所有的液体全部蒸发，成了饱和蒸汽。使饱和蒸汽温度上升成了过热蒸汽。使饱和蒸汽温度上升成了过热蒸汽。图图2-1 2-1 水的定压加热相变过程水的定压加热相变过程图图2-2 2-2 水在等压下加热过程的水在等压下加热过程的T-v T-v 图图5353图2-1 水的定压加热相变过程5454图2-2 水在等压下加热过程的T-v 图5555在给定压力下纯物质发生相变的温度称为饱和温度Ts。在给定温度下纯物质发生相变的压力称为饱和压力ps。在相变过程中，压力和温度显然是相对应的参数，即Ts=f(ps)。所有纯物质都有类似

29、的特性。图2-3 水的汽液饱和曲线5656图2-3 水的汽液饱和曲线5757相变过程中吸收或释放的能量称为潜热。潜热的大小取决于发生相变时的温度或压力。在1 atm下，冰的融化潜热是333.7 kJ/kg，水的蒸发潜热是2 257.1 kJ/kg。58582.4 相变过程参数图1.1.T-v T-v 图图 一点二线三区一点二线三区 见图见图2-42-4连接所有的饱和液体状态点构成饱和液体线。连接所有的饱和液体状态点构成饱和液体线。连接所有的饱和蒸汽状态点构成饱和蒸汽线。连接所有的饱和蒸汽状态点构成饱和蒸汽线。当压力升高，饱和液体线和饱和蒸汽线靠近，当压力升高，饱和液体线和饱和蒸汽线靠近，最后成

30、一点，称为临界点。最后成一点，称为临界点。在临界点处的温度、压力、和比体积分别称为在临界点处的温度、压力、和比体积分别称为临界温度临界温度T Tc c，临界压力，临界压力p pc c，和临界比体积，和临界比体积v vc c。水。水的临界参数分别为的临界参数分别为T Tc c =374.14=374.14，p pc c =22.09=22.09 MPaMPa，和，和v vc c =0.003 155 m=0.003 155 m3 3/kg/kg。5959图2-4 水在不同压力下的T-v 图6060所有过冷液体状态都位于饱和液体线左侧区域，所有过冷液体状态都位于饱和液体线左侧区域，称为过冷液体区。

31、称为过冷液体区。所有过热蒸汽状态都位于饱和蒸汽线右侧区域，所有过热蒸汽状态都位于饱和蒸汽线右侧区域，称为过热蒸汽区。称为过热蒸汽区。所有涉及两相平衡共存的状态位于饱和液体线和所有涉及两相平衡共存的状态位于饱和液体线和饱和蒸汽线之间的区域，称为湿蒸汽区。饱和蒸汽线之间的区域，称为湿蒸汽区。当压力高于临界压力时，就不存在明显的相变过当压力高于临界压力时，就不存在明显的相变过程；通常将温度高于临界温度的物质称为过热蒸程；通常将温度高于临界温度的物质称为过热蒸汽，温度低于临界温度的物质称为过冷液体。汽，温度低于临界温度的物质称为过冷液体。61612.2.p-v p-v 图图 活塞汽缸装置内过冷水的等温

32、逐渐降压过程：见图活塞汽缸装置内过冷水的等温逐渐降压过程：见图2-5 2-5 当压力降低时，水的容积略微增加。当压力降到对应该当压力降低时，水的容积略微增加。当压力降到对应该给定温度下的饱和压力时，水就开始沸腾。在这相变过给定温度下的饱和压力时，水就开始沸腾。在这相变过程中，温度和压力保持恒定，但比体积增加。一旦水全程中，温度和压力保持恒定，但比体积增加。一旦水全部蒸发完后，再减小压力就会引起比体积继续增大。部蒸发完后，再减小压力就会引起比体积继续增大。在别的温度下重复上述过程，可得到类似的在别的温度下重复上述过程，可得到类似的p-v p-v 对应关对应关系。再连接所有的饱和液体状态点构成饱和

33、液体线，连系。再连接所有的饱和液体状态点构成饱和液体线，连接所有的饱和蒸汽状态点构成饱和蒸汽线。这就是纯物接所有的饱和蒸汽状态点构成饱和蒸汽线。这就是纯物质的质的p-v p-v 图。图。6262图2-5 纯物质的p-v 图63633.3.p-T p-T 图（相图）图（相图）升华曲线将固态和气态分开，汽化曲线将液态和气态分开，升华曲线将固态和气态分开，汽化曲线将液态和气态分开，而融化曲线将固态和液态分开。而融化曲线将固态和液态分开。这三条线交于三相平衡共存的三相点。汽化曲线的另一端这三条线交于三相平衡共存的三相点。汽化曲线的另一端是临界点，在临界点以上无法区分液相和气相。是临界点，在临界点以上无

34、法区分液相和气相。物质凝固时体积增大（如水），还是体积缩小（如物质凝固时体积增大（如水），还是体积缩小（如COCO2 2），），只是相图中融化曲线斜率的不同。只是相图中融化曲线斜率的不同。图图2-6 2-6 纯物质的纯物质的p-T p-T 图图6464图2-6 纯物质的p-T 图65652.5 热力学参数表将复合参数U+pV 定义为焓，表示为H=U+pV。对单位质量有h=u+pv。饱和水和饱和水蒸气热力性质表（按温度排列）（按压力排列）干度x 定义为饱和蒸汽质量占湿蒸汽混合物总质量的比例，x=mv/mtot。6666在湿蒸汽分析中，干度是确定状态的两个独立强在湿蒸汽分析中，干度是确定状态的两个

35、独立强度参数之一。度参数之一。x x=(=(h hx x-h-hf f)/()/(h hg g-h-hf f)，这式是，这式是用比焓来说明的，但对别的比参数也同样适用。用比焓来说明的，但对别的比参数也同样适用。干度可与干度可与T v T v 图或图或p v p v 图中湿蒸汽区的水平距图中湿蒸汽区的水平距离之比联系起来。其中分子是湿蒸汽状态和饱和离之比联系起来。其中分子是湿蒸汽状态和饱和液体状态之间的距离，而分母是饱和蒸汽状态和液体状态之间的距离，而分母是饱和蒸汽状态和饱和液体状态之间的距离。干度饱和液体状态之间的距离。干度x x=0.5=0.5的状态就的状态就位于水平线的中间。位于水平线的中

36、间。6767过热水蒸气热力性质表通常取温度和压力作为两过热水蒸气热力性质表通常取温度和压力作为两个独立参数。个独立参数。未饱和水热力性质表通常取温度和压力作为两个未饱和水热力性质表通常取温度和压力作为两个独立参数。独立参数。在缺少过冷液体数据时，可近似将过冷液体处理在缺少过冷液体数据时，可近似将过冷液体处理成给定温度下的饱和液体。然而，在非常高的压成给定温度下的饱和液体。然而，在非常高的压力时，用力时，用h hh hf f+v+vf f(p p-p ps s)来计算可较大地减小来计算可较大地减小h h 的误差。的误差。6868热力学能U、焓H 和熵S 都无法直接测量，都是通过可测量参数采用热力

37、学参数关系式来计算的。然而，这些关系式给出的是参数的变化量，不是给定状态的参数值。因此就需要选择方便的参考状态并指定在那状态的一个或几个合适的参数值为零。对水，取0.01的饱和水为参考状态，这时的热力学能和熵值被指定为零。6969对制冷剂对制冷剂R-134aR-134a，取，取-40-40的饱和液体为参考状态，的饱和液体为参考状态，这时的焓和熵值被指定为零。这时的焓和熵值被指定为零。采用不同的参考状态会使不同的参数表在相同的采用不同的参考状态会使不同的参数表在相同的状态列出不同的参数值。所以要从同一张表或图状态列出不同的参数值。所以要从同一张表或图中取值。中取值。70702-6 理想气体状态方

38、程物质的蒸气相在温度高于临界温度时习惯上称为物质的蒸气相在温度高于临界温度时习惯上称为气体，蒸气通常是指离凝结状态不太远的气体。气体，蒸气通常是指离凝结状态不太远的气体。任何将物质的压力、温度和比体积联系起来的关任何将物质的压力、温度和比体积联系起来的关系式称为状态方程。系式称为状态方程。理想气体状态方程（理想气体定律）并可表达为理想气体状态方程（理想气体定律）并可表达为pV pV=mRT mRT，对每，对每kgkg工质有工质有pv pv=RT RT。满足这个关。满足这个关系的气体称为理想气体。系的气体称为理想气体。7171若若MM是摩尔质量，是摩尔质量，是摩尔体积，则可得是摩尔体积，则可得

39、，即，即 。式中。式中R Ru u 是通用气体常数，其值为是通用气体常数，其值为8.314 kJ/(kmolK)8.314 kJ/(kmolK)。若。若n n 是物质的量，则可得是物质的量，则可得pV pV=nR nRu uT T。在低压和高温时，气体密度降低，其表现就象处于这些条在低压和高温时，气体密度降低，其表现就象处于这些条件下的理想气体一样。件下的理想气体一样。在实践应用范围，许多熟悉的气体，诸如空气、氮气、氧在实践应用范围，许多熟悉的气体，诸如空气、氮气、氧气、氢气、氦气、氩气、氖气、氪气，甚至较重的气体，气、氢气、氦气、氩气、氖气、氪气，甚至较重的气体，诸如二氧化碳，都能处理成理想

40、气体而可忽略误差（常常诸如二氧化碳，都能处理成理想气体而可忽略误差（常常小于小于1%1%）。）。7272稠密的气体，诸如蒸汽动力装置中的水蒸气和制稠密的气体，诸如蒸汽动力装置中的水蒸气和制冷机中的制冷剂蒸气，不应处理成理想气体，对冷机中的制冷剂蒸气，不应处理成理想气体，对这些物质应使用参数表。这些物质应使用参数表。压力低于压力低于10 kPa10 kPa时，水蒸气可以处理成理想气体，时，水蒸气可以处理成理想气体，而不管其温度，并可忽略误差（小于而不管其温度，并可忽略误差（小于0.1%0.1%）。然）。然而，在较高压力时，理想气体假设产生了不可接而，在较高压力时，理想气体假设产生了不可接受的误差

41、，特别是在临界点和饱和蒸汽线附近受的误差，特别是在临界点和饱和蒸汽线附近（超过（超过100%100%）。）。在空调场合，空气中的水蒸气可以被处理成理想在空调场合，空气中的水蒸气可以被处理成理想气体，实质上没有误差。气体，实质上没有误差。73732-7 压缩因子偏离理想气体性质的度量对给定的温度，当气体压力增大时，分子越来越被填充紧对给定的温度，当气体压力增大时，分子越来越被填充紧密。由于作用在分子上的力，引起非理想气体的行为。一密。由于作用在分子上的力，引起非理想气体的行为。一些状态方程通过引入经验常数来考虑这种偏离。些状态方程通过引入经验常数来考虑这种偏离。对理想气体有对理想气体有pvpv/

42、RT RT=1=1；对非理想气体有；对非理想气体有pvpv/RT RT=Z Z。压缩因子压缩因子Z Z=v v实际实际/v/v理想理想。Z Z值偏离值偏离1 1越远，则气体偏离理越远，则气体偏离理想气体性质越多。想气体性质越多。于是要求获得所有气体的压缩因子图表。于是要求获得所有气体的压缩因子图表。图图2-7 2-7 氢的压缩因子图氢的压缩因子图7474图2-7 氢的压缩因子图7575尽管各种气体在给定的温度和压力下性质是不同的，但在尽管各种气体在给定的温度和压力下性质是不同的，但在用临界参数进行规范后的温度和压力下，性质就非常一致；用临界参数进行规范后的温度和压力下，性质就非常一致；于是就只

43、需开发一张图表。于是就只需开发一张图表。规范后的温度和压力称为对比温度规范后的温度和压力称为对比温度T Tr r =T/TT/Tc c 和对比压力和对比压力p pr r =p/pp/pc c。对所有气体，在相同的对比温度和对比压力下的压缩因子对所有气体，在相同的对比温度和对比压力下的压缩因子Z Z 近似相等，这就是对应态原理。对所有实验数据进行曲近似相等，这就是对应态原理。对所有实验数据进行曲线拟合就得到适用所有气体的通用压缩因子图。线拟合就得到适用所有气体的通用压缩因子图。7676图2-8 一些气体的压缩因子图7777图2-9 NELSON-OBERT通用压缩因子图（低压区）7878图2-1

44、0 NELSON-OBERT通用压缩因子图（中压区）7979图2-11 NELSON-OBERT通用压缩因子图（高压区）8080由通用压缩因子图可得结论：在非常低的压力，pr 1，则气体如同理想气体，不管在什么温度。在高温，Tr 2，理想气体假设具有好的精度，除了压力pr 1。在临界点附近气体偏离理想气体性质最远。8181当已知p 和v，或者T 和v，就采用准对比比体积vr=v实际/(RTc/pc)和通用压缩因子图来确定第三个参数。应该注意准对比比体积vr 的定义不同于Tr 和pr 的定义，它是与Tc 和pc 有关，不用vc。等vr 线也被标画在各通用压缩因子图上，这样就可以不用迭代来确定T

45、或p。82822-8 实际气体状态方程范德瓦尔状态方程含有两个常数，通过物质范德瓦尔状态方程含有两个常数，通过物质在临界点的性质来确定。方程形式为在临界点的性质来确定。方程形式为 常数常数a a 和和b b 修正了气体的非理想特征。常数修正了气体的非理想特征。常数b b涉及气体分子占据的有限容积，而涉及气体分子占据的有限容积，而 项项涉及内部分子作用力。涉及内部分子作用力。8383里德立希里德立希-匡状态方程是关于压力的显式方程。匡状态方程是关于压力的显式方程。该方程在较高压力时比较精确。该方程在较高压力时比较精确。贝蒂贝蒂-布里奇曼状态方程布里奇曼状态方程 它基于它基于5 5个实验确定个实验

46、确定的常数，其形式为的常数，其形式为 在气体比体积超过其临界比体积两倍的气体状在气体比体积超过其临界比体积两倍的气体状态范围内，这个方程是相当精确的。态范围内，这个方程是相当精确的。84842-9 比热容比热容定义为单位质量物质温度升高比热容定义为单位质量物质温度升高1 1度所需要的度所需要的能量。在热力学中对两类比热容感兴趣，比定容能量。在热力学中对两类比热容感兴趣，比定容热容热容c cv v 和比定压热容和比定压热容c cp p。单位质量物质在容积保持不变时温度升高单位质量物质在容积保持不变时温度升高1 1度所需度所需要的能量称为比定容热容要的能量称为比定容热容c cv v。单位质量物质在

47、压。单位质量物质在压力保持不变时温度升高力保持不变时温度升高1 1度所需要的能量称为比定度所需要的能量称为比定压热容压热容c cp p。比定压热容比定压热容c cp p 总是大于比定容热容总是大于比定容热容c cv v，因为在定，因为在定压时允许系统膨胀，就必须给系统供能用于膨胀压时允许系统膨胀，就必须给系统供能用于膨胀功。功。8585用别的热力学参数来表示比热容讨论静止闭口系统中的固定质量经历一个定容过程讨论静止闭口系统中的固定质量经历一个定容过程(就不涉就不涉及膨胀功或压缩功及膨胀功或压缩功)能量守恒原理能量守恒原理e einin-e-eoutout=eesyssys的微分形式可表示为的微

48、分形式可表示为 e einin-e-eoutout=d du u式子的左侧表示传入系统的净能量。由式子的左侧表示传入系统的净能量。由c cv v 的定义，这部分的定义，这部分能量必须等于能量必须等于c cv v d dT T，即即c cv v d dT T=d=du u（在定容过程）或（在定容过程）或 c cv v =(=(u u/T T)v v 类似有比定压热容类似有比定压热容c cp p 的表达式，可通过讨论定压膨胀或定的表达式，可通过讨论定压膨胀或定压压缩过程来获得：压压缩过程来获得：c cp p =(=(h h/T T)p p上面两式是上面两式是c cv v 和和c cp p 的定义式

49、。它们分别解释为定容时热力的定义式。它们分别解释为定容时热力学能随温度的变化和定压时焓随温度的变化。学能随温度的变化和定压时焓随温度的变化。8686几点结论注意到cv 和cp 都是用别的参数表示的，因此cv 和cp 本身必定是参数。cv=(u/T)v 和cp=(h/T)p都是参数关系式，因此与各过程的类型无关。它们适用于经历任何过程的任何物质。8787c cv v 和定容过程唯一有关的是和定容过程唯一有关的是c cv v 正好等于定容过程正好等于定容过程时传给系统每单位质量工质温升时传给系统每单位质量工质温升1 1度所需的能量。度所需的能量。它说明如何来确定它说明如何来确定c cv v 值。这

50、也就是比定容热容名值。这也就是比定容热容名字的由来。字的由来。同样，在定压过程时传给系统每单位质量工质温同样，在定压过程时传给系统每单位质量工质温升升1 1度所需的能量正好等于度所需的能量正好等于c cp p。它说明如何来确定。它说明如何来确定c cp p 值。这也就是比定压热容名字的由来。值。这也就是比定压热容名字的由来。8888cv 与热力学能变化有关，而cp 与焓变有关。事实上，cv 的更合适的定义是定容过程中单位质量物质每单位温度变化相应的热力学能的变化。cp 可定义为在定压过程中单位质量物质每单位温度变化相应的焓的变化。8989也就是说，也就是说，c cv v 是物质热力学能随温度变