1、第二章 熱工學理論基礎自從發明蒸汽機以后， 各類熱力原動機相繼發展起來， 先后出現了汽油發動機、 柴油機、 汽輪機和燃氣輪機等。而汽輪機以功率大、效率高、運行可靠著稱，成為帶動發電機的首選 原動機。熱工學理論，正是在這些熱機生產實踐的基礎上形成的。熱能的利用包括兩種方式 : 一種是把熱能直接用于加熱物料； 另一種是把熱能轉換成機械 能。因此熱能利用過程與能量傳播和轉換過程是緊密相關的。熱工學理論是以熱力學的兩個 基本定律為基礎。因為熱能轉換為機械能是通過工質的熱力過程和熱力循環來完成，因而對 過程和循環的分析是熱力學的主要內容；對熱力過程和熱力循環進行分析時，必須用到工質 水及其蒸汽的性質，故

2、對于蒸汽性質及其循環的討論也是其中一項重要內容。第一節 基木概念自然界中存在的物質有固體、液體、氣體三種狀態。每種物質隨著外界條件的變化，它 本身的狀態也發生變化。比如，水是液體，當加熱時，它的溫度升高，變成氣體 水蒸汽； 反之，如將水冷卻，它的溫度下降，又變成固體 冰。在熱機里要使熱能不斷轉變成機械能，一定要借助一種工作物質，把這種實現熱能和機 械能相互轉換的媒介物質，叫做工質。了解工質性質尤為重要。工質的變化規律，是通過溫 度、壓力、比容、焓、熵等物理特性來表示，凡能夠表示工質狀態特性的物理量，統稱為狀 態參數。一、溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。 熱物體溫度高， 冷物體溫度低， 當兩

3、個物體接觸時， 溫度高的物體就向溫度低的物體傳熱。如果二者間沒有熱量傳播，則兩個物體的冷熱程度一 樣，即處于熱平衡狀態，兩物體溫度相等。在發電廠里，需要測量溫度的地方很多，如進入汽輪機的蒸汽溫度，冷卻水溫度、潤滑 油溫度等。不知道各處的溫度，就不能了解運行情況。處于熱平衡狀態的物體具有相同的溫度，這是利用溫度計測量物體溫度的依據。當溫度 計與被測物體達到熱平衡狀態時，溫度計的溫度即等于被測物體的溫度。溫度的數值表示方法稱為溫標。常用的有熱力學溫標和攝氏溫標。1、熱力學溫標 （ 絕對溫標 ）國際單位制采用熱力學溫標為基本溫標。 用這種溫標確定的溫度稱為熱力學溫度（ 又稱絕對溫度），符號為T,單位

4、開爾文，國際符號為K。熱力學溫標選擇水的三相點（即水的固、液、汽三相平衡共存的狀態）為基本點，并定義它的溫度為273.16K。也就是定義熱力學溫度的單 位開爾文等于水的三相點熱力學溫度的 1/273.16 ，在工程計算中，取 273已足夠準確。從分子運動論看來，T=OK時，物體分子停止運動。顯然，0K實際上是達不到的，只是為了理論分析才作此理論上的假設。2、攝氏溫標.5攝氏溫標又稱為國際百度溫標。它規定1.01325 X 10 Pa （I個標準大氣壓）下純水的冰點為0度，沸點為100度，其間劃分一百等份，每一等份稱為一攝氏度，攝氏溫度用t表示，其單位為C。攝氏溫度與絕對溫度的換算關系是：T=

5、273 + t亦即攝氏溫標1C的間隔等于熱力學溫標 1K的間隔，即 t = To從微觀角度講，氣體的溫度是組成氣體的大量分子平均動能的量度。溫度越高，氣體內部分子不規則熱運動越劇烈。熱運動的劇烈程度不同，說明了氣體的狀態不同。二、壓力在汽輪機運行中，我們要經常監督各處的壓力，比如蒸汽的壓力，油的壓力，水的壓力等。通過檢查各處壓力表的指示，就可以判斷汽輪機各部分工作是否正常。工質在容器壁面單位面積上所施加的垂直作用力稱為壓力，用符號P表示。根據氣體分子運動論，氣體的壓力是氣體分子作不規則運動時撞擊容器壁面的結果。由于氣體內部所含的分子數目相等，它們對容器撞擊的次數極為頻繁，因而人們不可能分辨單個

6、分子的撞擊，只能觀察到大量分子撞擊的平均結果。壓力的方向總是垂直于容器壁面。壓力的單位可由定義得到：P= F/A式中：F作用力，N;A承壓面積，m2；P壓力，Pa。工程上壓力的單位常用兆帕（MPa表示：61Mpa= 10 Pa壓力的單位也可用液柱的高度表示，參看右圖，若液柱高度為H,該液柱對底面積A的總作用力等于液柱的重量。即:PA = HApgP= Hpg式中，p為液體密度；g為重力加速度。水的密度pk= 1000kg/m3（4C時），汞的密度 蘆=13595 kg/m3 （OC時），由上式可得出：1mmHbO= 9.80665Pa 9.81 Pa1mmHg = 133.322 Pa 133

7、.3 Pa工程上容器內的壓力用壓力表來測量。一般采用彈簧管式壓力表測量，較小壓力采用U形管壓力計測量。下圖（a）、（ b）分別為彈簧管式壓力表和U形管式壓力表。79這些表計的測量原理都是建立在力平衡基礎上的，彈簧管式管外作用著（當時）當地的大氣壓力，管內作用著容器內氣體的真實壓力。當容器內氣體的真實壓力等于周圍大氣壓力 時，壓力表上的指針不動而指在零位。只有當氣體的真實壓力與大氣壓力不相等時，表上的指針才開始移動。所以表上所指示的數值是真實壓力與大氣壓力的差值。同理，U形管式壓力計是左右連通管保持力平衡，液面的差值所反映的壓力也是工質的真實壓力和大氣壓力之間 的差值。工質的真實壓力稱為絕對壓力

8、，以P表示。大氣壓力以Pb表示。絕對壓力大于大氣壓力時，超出大氣壓力之值，即表計所測出的壓力稱為表壓力，以Pg表示，根據力平衡原理，顯然P= Pb+ Pg當容器內的絕對壓力低于大氣壓力時（PV巳）,測壓儀表指示的讀數稱為負壓或真空度，用Pv表示。則有：P= Pb Pv絕對壓力、表壓力、大氣壓力和真空度之間的關系，可用下圖表示。大氣壓力的值可用氣壓計測定，其數值隨測量的時間、地點而不同（工程計算時，大氣壓力近似取Pb=1 x l05Pa）。因此，表計所測得的壓力也隨之改變，所以只有絕對壓力才能作為狀態參數，而表壓力和真空度都不是狀態參數。三、密度及比容工質所占有的空間稱為容積，用符號V表示，單位

9、為米3（ m3）。單位容積內所含工質的質量稱為密度，以符號 表示。若m （kg,千克）工質占有的容積為 V,則它的密度為：p= m/V單位質量的工質所占有的容積稱為比容，用符號U表示。若m （kg ）工質占有V（mB）的容積,則比容為：u= V/m不難看出,比容和密度互為倒數 , 即：p = 1對于同一種工質而言,比容和密度中的任何一個都可作為工質的狀態參數,但二者互不 獨立,而是同一個參數的兩種不同的表示方法。在熱工學中,通常用比容作為狀態參數。四、熱量和比熱1 、熱量 在熱力學中將要分析的對象用某些邊界與周圍物體分隔開來,這種被人為分離出來的對 象稱為熱力系。熱量是一個重要的概念,在熱力學

10、中它可以定義為,熱量是在沒有質量傳遞 的情況下,因熱力系與外界之間的溫差而通過邊界所傳遞的能量。熱量也稱作熱。當溫度不同的兩個物體相接觸時,高溫物體會逐漸變冷,低溫物體會逐漸變熱。顯然, 有一部分能量由高溫物體傳給了低溫物體,這種僅僅由于溫度不同而傳遞的能量就是熱量。 因此,熱量是在熱傳遞過程中物體內部能量改變的量度。它不是狀態參數,而是和過程緊密 相關的一個過程量。所以不應該說“系統在某狀態下具有多少熱量”,而只能說“系統在某 過程中與外界交換了多少熱量”。lkg工質與外界交換的熱量用符號q表示，單位為J/kg或KJ/kg。 m （kg）工質吸收（或放出）的熱量用符號 Q表示，單位為J或KJ

11、。則q= Q/ m KJ /kg由以上分析可知,熱量和功都是能量傳遞的度量,都不是狀態參數。但是熱量和功量又 有不同之處,在做功過程中往往伴隨著能量形態的轉換。如工質膨脹推動活塞對外作功的過 程中,熱能轉變成了機械能。當過程反過來進行時,機械能又轉變成了工質的熱能。而在傳 熱過程中, 高溫物體把自己的熱能傳遞給低溫物體, 成為低溫物體的熱能 , 在過程中不出現能 量形態的轉化。2、比熱 在熱工計算中,經常要計算工質吸收或放出的熱量,這就要求建立比熱的概念。由試驗 知,給不同的氣體加熱使它們升高相同的溫度,所需的熱量是不同的。物體溫度升高（或降低）1K,所吸收（或放出）的熱量，稱為該物質的熱容量

12、，單位為KJ/K。物體熱容量的大小與組成該物體的物質有關，還與該物質的質量和加熱過程有關。單位質量的物質溫度升高（或降低）1K,所吸收（或放出）的熱量，稱為該物質的比熱容量，簡稱比熱。熱量的單位為J或KJ;溫度升高（或降低）的數值就是溫差，而At=所以溫差的單位C和K是一樣的；質量的單位可以采用千克（ kg）、千摩爾（Kmol）、標準立方米（m3）。這 樣對應的比熱單位有 KJ/ kgC、KJ/ KmolC及KJ/ m3 ：C等。對m （kg）質量的氣體，所需熱量為：Q = me （t2 ti）式中： m 工質質量， kg；e工質的比熱，KJ/ kg C；ti吸熱前的溫度，C；t2吸熱后的溫度

13、，C。例如，汽輪機在啟動前進行暖管，假如要加熱的這段蒸汽管的總質量為2000kg ，管子末端通蒸汽以前的溫度為 30C ,暖管后使它的溫度達到 530C,那么暖管所需要的熱量，可這樣 計算：從手冊中查出鋼的比熱是 0.46 KJ / kg C,那么曖管所需熱量是：Q = 2000X 0.46 X （ 530-30 ）= 460000 （ KJ）根據這個熱量，還可算出暖管所需要的蒸汽量和產生的疏水量。假如在曖管過程中，每千克蒸汽放出的熱量是 2000KJ,那么曖管所用蒸汽量是：460000十2000=230 kg,產生的疏水量也是 230kg 。需要指出的一點,熱量有正負之分。熱力學中規定,工質

14、吸熱為正值,放熱為負值。五、功和功率在發電廠的汽機車間內, 吊車將汽輪機大蓋由原位置吊起來, 我們說吊車對汽缸做了功。 很明顯,大蓋質量越大,吊起越高,吊車做的功就越大。因此, 功的大小要根據作用力的大小和物體在力的作用方向上所通過的距離來決定。即力與沿力的方向上所產生的位移的乘積稱為功。其單位為焦耳：W= F - S式中：F作用力，N;S 力的方向上的位移,m；W功量，J或KJ。但是,功的數量大小還不能說明完成功的強度。比如人們將同樣重量的車子由甲地推到 乙地,一種辦法是用很短的時間很快的速度完成,另一種辦法是用較長的時間較慢的速度來 完成, 那么兩種辦法所完成功的強度顯然是不同的, 前者完

15、成功的強度大于后者。 因此,要知 道完成功的強度,必須知道在單位時間內完成功的大小。單位時間內完成的功,稱為功率。N= W式中：N功率，Wt 做功時間， s。應該指出，功也有正負之分，和熱量一樣為一過程量。但功率是沒有正、負之分的。故 嚴格地講，上式應寫成：N = |Wf/t六、能任何物體只要具有做功的能力，就說該物體具有能。能的形式很多，這里只討論動能、 位能及內能。1、動能 物體因為運動而具有的做功能力稱之為動能。如從汽輪機噴咀中噴出的汽流具有動能， 該動能在級中動葉內被轉換為葉輪旋轉的機械能，從而做了功，其計算式為：Ev = 1/2 （ mu2式中： Ev 物體的動能， J；m 物體的質

16、量， kg ；u體的速度，m/s2。2、位能 物體由于處于一定高度（離開地球表面一定距離）或處于一定的彈性變形位置時，具有 的能稱為勢能，前者稱為重力勢能，后者稱為彈性勢能。勢能也稱為位能，重力位能的計算式為：Eg= mg-H式中： Eg 重力勢能， J；m 物體的質量， kg ；H 物體離開地面的高度，m；g 重力加速度， m/s2。3、內能 物體內部所具有的各種能量，總稱為物體的內能，它包括內動能和內位能以及化學能、 原子能。但在熱工研究的能量轉換過程中，不發生化學變化和原子反應，故內能中化學能和 原子能保持不變。所以，在此內能包括兩部分：內動能和內位能（統稱為內熱能）。氣體內部分子熱運動

17、的動能稱為內動能，它包括分子的移動動能、轉動動能和分子的振 動動能等。從熱運動的本質來看，氣體溫度愈高，分子熱運動動能愈大，所以內動能是溫度T的函數。如同宏觀物體由于地球引力具有重力位能一樣，在分子之間由于相互引力作用也具有微 觀位能，只是這種位能的數值很小罷了。這種由于分子間的引力而具有的位能稱為內位能， 它的大小與分子間的距離有關，也就是說與氣體所具有的比容有關，所以內能是比容v的函數。Ikg氣體的內能用符號卩表示，單位為J/kg或KJ/kg。對m (kg)的氣體其內能用符號U表示，則U= m ，單位為J或kJ。綜上所述，氣體的內能決定于它的溫度T和比容V,也就是決定于氣體所處的狀態，因而

18、內能也是一個狀態參數。它可以表示為兩個獨立參數的函數。卩=f (T, V)對于理想氣體位能可忽略不計，所以它的內能就是內動能。因此，理想氣體的內能u僅是溫度T的函數。卩=f ( T)七、焓 在絕大多數定壓過程中,有許多場合需要計算工質的熱量。若采用前述狀態參數計算, 則十分復雜。為簡化計算,引入焓的概念。焓的意義純粹是為了運算上的便利。它的提出完全是作為一種方便的手段,把在熱力學 方程式中反復共同出現的幾個狀態參數合并在一起。由熱力學第一定律知：對于閉口系統的 一切過程，系統從外界吸收的熱量，等于系統內能的增量和對外的作功之和。即對1kg工質而言：q= Au+ W式中：q1kg工質在過程中吸收

19、的熱量，J/kg或KJ/kg ;A u kg工質終態與初態內能之差，J/kg或KJ/kg ;W 1kg工質對外所作的功，J/kg或KJ/kg。對于定壓過程而言,系統對外所做的功為vp= P ( U2 U1 )將式2 16代入式2 15得：qp=AuWp=(U2 U1)+ P ( U2 U)=(U2+ Pu) ( U1 + Pu1)式中：U1、U2工質在初終狀態下的內能，J/kg ;u、u工質在初終狀態下的比容，m3kg ;P定壓過程中的壓力，Pa。上式中(U + Pu) 項，是在熱工計算中經常遇到的一個量，在熱力學中把它定義為單位質量的工質的“焓”，用符號h表示h = u + Pu J/kg

20、或KJ/kg式中，u、p、u分別為同一狀態下1kg工質的內能、壓力和比容，都是狀態參數。只要工 質的狀態確定后，h就有一個確定的值。所以，焓也是一個狀態參數。這樣就可以用h簡便地計算出定壓過程的熱量：qp =( U2+ Pu) ( ui + Pu) = h 2 hi = Ah即定壓過程中對工質所加的熱量等于工質焓的增量；工質對外放出的熱量等于焓的降低 值。上述關系式，直接由熱力學第一定律導出，沒有對工質性質加以限制，所以適用于任何工質。現規定，P= 1.01 325 x 105Pa, t = 0C時氣體的焓為零，即 ho= 0。于是，氣體在t C時的焓就等于氣體從 0C定壓加熱到t C時所吸收

21、的熱量：q = ht ho= ht對理想氣體，內能是溫度的函數，因此：h = u + p u = u+ RT = f ( T)即理想氣體的焓和內能一樣，僅是溫度的函數。對應于一定的溫度就有確定的焓。同樣無論經歷什么過程，只要初態溫度相同，終態溫度 T2也相同，在狀態變化過程中，理想氣體焓的變化量也應相同。由前知，對于定壓過程：Ah= h2 hi = qp= cp (t2 ti)Ah= Cpm2 t2 Cpml t1式中：Cpm2 t2工質從0 C到t2 C的平均定壓比熱；Cpm1 t1工質從0 C到t1 C的平均定壓比熱；t1、t2分別為初、終狀態溫度。該式說明理想氣體無論經歷什么過程，其焓的

22、變化量在數值上總是等于定壓過程的熱量。八、熵與T S圖熵是一個導出的狀態參數，它是通過其它可以測量的數值間接計算出來的。把1kg工質在可逆過程中加入的微小熱量與加熱時絕對溫度的比值，叫做工質在該過程中的熵的微小增量。如果在溫度T不變的情況下給1kg工質加入的熱量為qT，則熵增量為：A s= qT/T式中：A s1kg工質熵的增量，J/kg K或KJ/kg K ;qT定溫條件下1kg工質所吸收的熱量，J/kg或KJ/kg ;T工質在吸收熱量時的溫度，K。m ( kg)工質的熵為：S= m-s, J/K或KJ/K。由于S和溫度T都是狀態參數，所以用熵S作為橫坐標、溫度 T作為縱坐 標構成參數坐標圖

23、，即 T S圖，稱為溫熵圖。任何一個平衡狀態在 T S圖上表示為一個點，任何一個可逆過程在 T-S圖上表示為一條 過程線。如上圖所示。圖中線段1 2為定溫過程線， 其下面的面積12S2S1正好等于 s -,T即等于定溫過程的吸熱 量，即：qT = S 豐 T （S2 Si） J/kg故T S圖又稱示熱圖。對任意可逆過程（如上圖b）所吸收的熱量也可得到同樣的結論：1kg工質所吸收的熱量,在數值上等于T S圖上過程線下與橫軸所形成的面積。由上述可知，熱量的大小不僅與狀態有關，而且還與過程所經歷的途徑有關。如圖右所示的兩個過程1 a2與1 b2 ,雖然都從相同的初狀 態1變化到相同的終狀態 2,但因

24、過程線不同，與橫軸圍 成的面積也不同。所以，這進一步說明熱量不是狀態參 數，而是一與過程有關的過程量。由上討論知：工質被加熱（q>0），其熵增加（> 0）;工質放熱（q v 0）,其熵減小（$< 0）;工質 不與外界交換熱量 （q= 0，絕熱），其熵不變（;= 0）。 可見，熵變量可以用來標志可逆的熱力過程中有無傳熱 和傳熱的方向。通過推導，當比熱為定值時，對于任何過程，理想氣體熵的增量為: S= CvInT 2/T1 + Rin u/ u S= Cp In T2/T1 Rl nP?/P1 S= Cv InP2/P1 + Cp In 2/ 1上述各式說明過程中理想氣體熵的變化

25、完全取決于它的初狀態和終狀態，而與過程經歷 的途徑無關，即理想氣體的焓是一個狀態參數。在熱工計算中，只用到兩個狀態之間熵的變化量AS，所以計算熵的數值時，可以任意規定一個基準狀態，取其熵為零值。理想氣體常用標準狀況下的熵為零作為計算起點。第二節理想氣體的熱力過程熱機一般是以氣體作為作功的介質的，因此，為了學習熱機理論，首先應了解氣體狀態 變化和能量轉換規律。眾所周知，當對氣體施加壓力時，它的體積縮小，溫度升高；當減輕氣體的壓力時，則 體積膨脹，溫度下降。在這中間變化規律最為單純的是理想氣體，它的狀態方程式為：PV= RT式中，P、V、T三者為工質最基本的三個參數，R為氣體常數。氣體的三個參數中

26、，只要其中有一個發生了變化，另外兩個參數一定隨著發生變化，因為它們是互相聯系互相制約的。而 且，對于某一氣體來說，只要知道它的兩個參數，另一個就可以用狀態方程式求出來。下面就理想氣體在氣缸內的變化過程加以討論。假設氣體在氣缸內是被封閉起來，而且認為氣缸內只有1Kg氣體，并且忽略一切摩擦，忽略向氣缸內傳入熱量時的傳熱溫差，即認為溫差等于零，忽略氣缸外壁的散熱損失，及其它一切損失。在熱力學中這種理想情況用“可 逆”二字來表達。當然，實際的熱力過程往往很復雜，它們都是些不同的不可逆過程，同時， 過程中工質的各狀態參數又都在變化，不易找出參數間的變化規律。熱工理論中為了便于分 析研究，常對實際過程按其

27、特點近似地進行簡化，突出過程中狀態參數變化的主要特征，進 而把工程上常見的不可逆過程近似地概括為幾種帶有某些簡單特征的典型可逆過程，如定容 過程、定壓過程、定溫過程、絕熱過程。以下將以理想氣體為工質，以熱力學第一定律為基 礎，對這些典型的可逆過程進行分析討論。一、定壓過程工質在狀態變化時壓力始終保持不變的過程稱為定壓過程。在實際熱力設備中有很多加 熱過程和放熱過程是在定壓下進行的。如給水在鍋爐內定壓加熱、汽化、過熱，蒸汽（乏汽） 在凝汽器內的定壓放熱凝結等。因此，定壓過程是實際應用中一個極為重要的熱力過程。（一）過程方程式因為該過程中壓力不變，所以過程方程式為：P=常數（二）初終狀態參數關系式

28、根據過程特性及理想氣體狀態方程式，可求得初、終狀態參數之間的關系式為：Vi/Ti = V2/T2=常數可見，定壓過程中工質的比容和熱力學溫度成正比。（三）過程在參數坐標圖上的表示因卩=常數，所以定壓過程在 P V圖上是一條平行于橫軸的水平線，如下圖所示。定壓加 熱時，比容隨溫度的升高而增大，為膨脹過程，過程線為圖中1 2線段；定壓放熱時，比容隨溫度的降低而減小，為壓縮過程，過程線為圖中的1 一 2線段。定壓過程熵的變化可由式223求 數曲線，如上圖(b)所示。得，即AS= Cp InT2/T1- RinP2/P1因為卩2=卩1所以InP2/P1= 0故 AS = S2- S1 = Cp InT

29、 2/t 1(2 28)T1212L1必幻1112w<01w>0 1*I-.-11111vII1p(a)q>01q<0可見，定壓過程在 T S圖上是一條指(b)(四) 過程的功、熱量及內能的變化量1、定壓過程的功工質在定壓過程中所作的功為Wp= P (V2-Vi)在圖2 6 ( a)中，過程線1 一2下的矩形面積的大小就是工質的定壓膨脹功。定壓壓縮功為過程線1 2'下的矩形面積。對于理想氣體，由PV=RT#Wp= P (V2- V1)= R (T2- T1) =R ( t2 t1)由此可得R= Wp/ (T2 T1)即氣體常數R在數值上等于1kg氣體在定壓過程中

30、溫度升高 1K時所作的功。2、定壓過程內能的變化量 u= U2 U1 = Cu ( T2 T1 )3、定壓過程的熱量可利用定壓質量比熱計算，即qp= Cp ( T2 T1)= cp ( t2 t1)亦可由熱力學第一定律計算qp= Au+ W在圖2 6 ( b) 上曲線1 2下面的面積表示過程中工股所吸收的熱量，而曲線1 2'F面的面積則表示過程中工質放出的熱量。二、定溫過程工質在狀態變化時，溫度保持不變的熱力過程，稱為定溫過程。(一) 過程方程式T=常數(二) 初、終狀態參數關系式P1V1= P2V2=常數PlT可見定溫過程中，工質的壓 力與比容成反比。(三)過程在參數坐標圖上 的表示

31、由PV=常數，可知定溫過程在 P V圖上為一條等邊雙曲線，如 右圖(a)所示。由于T不變，當1IW<0|V(a)2 1 2q<0q>0(b)工質膨脹，即比容增大時，壓力下降，過程線1 一 2向右下方延伸，當工質被壓縮，即比容減小時，壓力增加，過程線 1 2'向左上方延伸。由于T=常數，故在T S圖上定溫過程線是一條平行于熵軸的水平線，如右圖（b）所示，1 一 2為吸熱過程線，1 2'為放熱過程線。（四）過程的功、熱量及內能的變化量1、定溫過程內能的變化量因為T2= T1，故： u= Cu （T2 Ti） =0匸 Cp （T2 T1）=0可見理想氣體在定溫過程中

32、內能和焓均保持不變。2、定溫過程的熱量qt= T §= T （S2 S1）如右圖（b）所示，過程線1 2下的面積表示定溫過程所加入的熱量，過程線1 2'下的面積表示定溫過程放出的熱量。3、定溫過程的功由熱力學第一定律q= Au+ W及定溫過程中= 0可知：W = qT = R1T 1ln 2/ u即，理想氣體在定溫過程中，當對氣體加熱時，所加的熱量全部用于對外膨脹作功，內 能不變，氣體被定溫壓縮時，外界對氣體所做的壓縮功全部變為熱向外排放。三、定容過程工質在狀態變化時，容積保持不變的熱力過程稱為定容過程。（一）過程方程式u=常數（二）初、終狀態參數關系式P1/T1= P2/T

33、2=常數即定容過程中工質的壓力和絕對溫度成正比。（三）過程在參數坐標圖上的表示因為v=常數，故定容過P,程在P V圖上是一條垂直于2橫軸的直線，如右圖（a）所示。定容加熱時，壓力隨溫111度的升咼而增加，過程線如2“ -1I1圖中1一 2線段所示，定容放112q<°q>°熱時，壓力隨溫度的降低而v!S(a)(b)減小，過程線如圖中 1 2'線段所示。定容過程熵的變化為： S= S2 Si = cjnT 2/T1可見，定容過程在T S圖上是一條指數曲線，如右圖（b）所示。（四）過程的功、熱量及內能的變化量1、定容過程中的功不論加熱或是放熱都為零。2、定容過

34、程的熱量 熱量可應用定容比熱進行計算：當用定值比熱時：qu= c u （T2 Ti）= cu （t2 ti） kJ/kg當用平均比熱時：q u = cvmt2 Cvm t1kJ/kg定容加熱（q > 0），溫度升高，熵增大，如上圖（b）上過程線1 2;定容放熱時（q V 0, 溫度降低，熵減小，如上圖（b ）上過程線1 2'。3、定容過程內能的變化量由熱力學第一定律：q =Au+ W因為W 0故：!= q°= cu （T2 T1）即輸入的熱全部用來增加氣體的內能。定容加熱，工質內能增加的結果使溫度、壓力上升，提高了工質的作功能力，因而定容 過程實質上是熱變功的準備階段。

35、這一點，無論是理想氣體還是實際氣體均適用。四、絕熱過程 工質在狀態變化時與外界沒有熱量交換的過程，稱為絕熱過程。該過程實際上不存在， 除非工質用絕對熱絕緣物質與外界隔絕，這顯然是不可能的。但是，當過程進行得很快，工 質與外界來不及交換熱量， 或熱絕緣材料很好， 交換的熱量很少時， 則可近似看作絕熱過程。（一）過程方程式S=常數或PVK=常數式中：k 一為絕熱常數（二）初、終狀態參數之間的關系由于S=常數，即AS= 0,故：AS= C JnP2/P1 + Cp|nV 2/V 1 = 0In P1/P2= Cp/C Un V2/V1令Cp/C尸k 則有：P1V1K = P2V 2k =常數（三）過

36、程在參數坐標圖上的表示T.212112W<0W>0 ”21m, :v(a)因為PVK=常數，所以絕熱過程在 P V圖上是一條雙曲線，如下圖（ a）所示。工質絕熱 膨脹時，比容增大，壓力降低，過程線為1 2 ； 絕熱壓縮時，比容減小，壓力增大，過程線為1一 2'。在T S圖上由于S= 0,故過程線為一條垂 直線，如右圖（b）。（四）過程的功、熱量及內能的變化量1、 絕熱過程的熱量為零，q = 0。2、絕熱過程內能的變化量 u= - W = U2 u1 = -cu （ T2 T 1）=Cu （ T2）3、絕熱過程的功同上式。可見，工質絕熱膨脹對外作功時，內能減小，溫度下降，外界

37、對工質作絕熱壓縮時，內 能增加，溫度升高。功量的大小等于上圖（a）所示P V圖上各自過程線下的面積。五、卡諾循環現在介紹一個熱力學上有名的理論循環一一卡諾循環。這個循環由兩個定溫過程和兩個絕熱過程組成。因而，整個卡諾循環是個可逆循環。如下圖（a）、（ b）所示。圖中1 一2過程為定溫加熱過程，工質在 T1溫度下，從熱源吸收熱量 q1,即為T S圖上的 面積|2S2S1|。其計算式為：q1= T1 （ S2 S）= T1 AS由于1 一 2是可逆的定溫加熱過程，因而過程進行得十分緩慢，可以把工質溫度看成是熱源溫度（相差無限小）。2一 3表示可逆的絕熱膨脹作功過程，即定熵過程。在這個過程中，工質溫

38、度降低，內能 減少，對外界作功，直至工質溫度降低到冷源溫度T2為止。3 4表示可逆的定溫放熱過程，過程中工質在T2溫度下向冷源放熱， 放熱量為q2,即T S 圖上面積34 Si S23，其計算式為：q2= T2 ( S2 S) = T2AS與1 2定溫過程的說法一樣，工質溫度T2等于冷源溫度(或相差無限小)。在冷溫度T2下，工質作了最大限度的膨脹后(工質降溫膨脹達到冷源溫度T2是其最大限度)為了使工質恢復初態，造成循環連續作功，q2是最低限度必須向冷源放出的熱量，因而q2為理想卡諾循環的最小補償。4 1表示可逆的絕熱壓縮過程。在該段工質的溫度自T2升高到Ti,從而恢復到原來的狀 態1 ，完成卡

39、諾循環。1、卡諾循壞的效率 工質在循環中所作的凈功與其由熱源吸收的熱量之比稱為循環效率，顯然：4卡=凈功 /吸熱量= Wo/q 1 =( qi q2) /qi = 1 q2/qi=1 T2AS/ T1AS=1 T1/ T2分析上式，可得如下重要結論：(1) 卡諾循環的熱效率決定于熱源溫度Ti和冷源溫度T2 (即工質的吸、放熱溫度)而與 工質性質無關。提高 Ti，降低T2，可以提高循環效率。(2) 卡諾循環熱效率只能小于 1。因為，要使Ti=s或T2= OK都是不可能的。即q2只能 減小而無法避免。(3) 當Ti = T2時，巾卡=0,即，在沒有溫差的系統中，無法實現熱轉換成有用的熱力 循環。也

40、就是說，只有一個熱源而無冷源的熱機是無法實現的。2、卡諾循壞是最佳循環在相同的熱源溫度 Ti和冷源溫度T2條件下，卡諾循環的熱效率最高。因為實際的循環都 或多或少地存在著一定的不可逆,而且,要實現對工質加熱而不使其溫度升高,放熱而不使 其溫度降低,是很難做到的,因而,實現卡諾循環是不可能的。即便如此,也不影響卡諾循 環從理論上指明提高實際循環熱效率的方向和限度所作出的重大貢獻。逆向卡諾循環是制冷機的理想循環, 其功和熱的關系與正向循環的數值相同, 方向相反。第三節 水蒸汽前面就理想氣體的狀態參數及熱力過程進行了簡單的分析,它給我們提供了必要的理論 依據。但在熱力發電廠中,循環采用的工質是水蒸氣

41、,而蒸氣的特點是離液態不遠,被冷卻 或壓縮時, 很容易又變成液態, 其分子之間的相互作用力及分子本身占有的容積都不能忽略。 因此蒸汽不能當作理想氣體看待,應作為實際氣體處理。下面就水蒸汽的基本概念、形成過程及水蒸汽的焓熵圖作一簡單介紹。 一、水蒸汽的基本概念1、氣化和凝結物質從液態轉變成汽態的過程叫汽化。汽化有兩種方式一一蒸發與沸騰。相反，物體從 汽態變成液態的過程叫液化或凝結。2、蒸發 在液體表面進行的汽化現象叫蒸發。液體不論在什么溫度下都可以蒸發。液體蒸發時要 吸收汽化熱，使液體本身或周圍環境的溫度降低。從微觀上看，蒸發是由于液體表面一些動 能大的分子擺脫液面附近其余分子對它的吸引力而逸出

42、液面的現象， 動能大的分子逸出去了， 動能小的分子仍在液面，液體表面和液體內部分子的平均動能減小了，液體的溫度降低了。顯然，溫度越高，分子運動動能越大，蒸發的速度就越快，同時液面面積越大，蒸發也 越快。此外蒸發的速度還與液面上空氣流動的速度有關，氣流的速度越快，蒸發也就越快。3、沸騰 在液體內部進行的汽化現象叫沸騰。在一定的外部壓力下，沸騰只能在固定的溫度下進 行，該溫度叫沸點。把開始沸騰的水， , 叫沸水或飽和水，飽和水汽化所產生的蒸汽叫飽和蒸 汽，飽和水和飽和蒸汽的溫度是相同的，這個溫度叫飽和溫度。在這里還要說明：當改變水面上的壓力時，水的沸點就相繼改變。比如，在絕對壓力為0.1961MP

43、a時，水的沸點（飽和溫度）為 119.615 C,而在絕對壓力為 0.09806MPa時，水的沸 點為99.087 C。由此說明，飽和溫度與水面上所受到的壓力（飽和壓力）有一定關系。如事 先做好實驗，將飽和溫度和壓力的關系制成表，那么知道壓力后就可從表中查出對應的飽和 溫度；反過來，知道溫度就可查出對應的飽和壓力。當飽和蒸汽從水里蒸發出來的時候，常常會有細小的水珠混在里面。這些水珠，是因為 水蒸發得很快被蒸汽的汽泡攜帶出來。這種混有水珠的飽和蒸汽，叫做濕飽和蒸汽。完全不 含水分的飽和蒸汽，叫做干飽和蒸汽。飽和蒸汽中，干蒸汽的含量或水分的含量可以用干度 或濕度來表示，即干度：X = m汽/ （m

44、汽+ m水）濕度：1 X = m水/ （m汽+ m水）式中：m汽濕蒸汽中飽和蒸汽的質量，kg;m水濕蒸汽中飽和水的質量，kg;m汽+ m水濕蒸汽的總質量，kg。干度X越大，蒸汽中所含水份就越少，當X=1時，蒸汽為干飽和蒸汽。當水完全變成干飽和蒸汽后，再繼續對它加熱，這時蒸汽的溫度就會繼續升高，變成過熱蒸汽。過熱蒸汽的特 點是，它的溫度高于對應壓力下的飽和蒸汽溫度，高出的這個溫差稱為蒸汽的過熱度。以上簡單介紹了水蒸汽的一些基本概念，下面再介紹一個研究汽輪機工作原理所不可缺 少的曲線圖 焓熵圖。二、水蒸汽的焓熵圖（h S圖）右圖是一簡化了的焓熵圖。在這張圖上，把飽和蒸汽和過熱蒸汽以及蒸汽的各個參數

45、間的關系都集中在一起了。只要知道蒸汽的壓力和溫 度，便可以從圖中查出它的焓、比容和蒸汽干度； 知道蒸汽在各種工作過程的起始狀態參數，就能很 容易地從圖上找出終了的狀態參數。在實際工作 中，利用h S圖比利用蒸汽表來得更簡單、迅速。H S圖上，用熵作橫作標，焓作縱坐標。它是 由下列幾組曲線構成的。1飽和蒸汽線和干度線。在圖上中間一條彎 曲的粗線，叫“飽和蒸汽線”。凡是在這條曲線上 的狀態都是干飽和蒸汽。蒸汽的干度等于 1。飽和線上方是過熱蒸汽區，下方是飽和蒸汽 區。在飽和線下方與飽和線的彎曲形狀相似的幾條曲線 不同的干度。等容線等壓線j !I /-等 I溫線x=1 （飽和蒸汽線） X （干度線）

46、L-I,稱為干度線群，這些干度線分別表明2、 等壓線。在圖上由左下方開始向右上方引出的許多線條，稱為等壓線。從右到左壓力 逐漸升高。要注意，在飽和蒸汽區內，各等壓線都是直線，只是到了過熱蒸汽區才變成曲線。3、等溫線。在圖上過熱蒸汽區內，左端下彎，右端較為平直的一些曲線稱為等溫線。在 每一條等溫線上，蒸汽的溫度都是相同的。等溫線在飽和蒸汽區內，是和等壓線重合在一起的，這是由于飽和蒸汽的溫度與壓力有固定關系的緣故。所以在這個區域內等壓線和等溫線是“一線兩用”但在圖上僅注明該線壓力大小，如需知道該線的溫度大小，必須將定壓線延伸到與干飽和蒸汽線（即x=1）相交，查得該交點的溫度值，便是該定壓線的飽和溫

47、度。4、等容線。等容線的延伸方向同等壓線相近，但等容線比等壓線陡些。為了區別，一般 hs圖上等容線以紅線印出。與等壓線相反，從右到左比容值逐漸減小，即壓力越高比容越 小。在hs圖上，兩條線的交點可以確定一個點的位置，只需已知壓力、溫度、比容、焓、 熵、干度等參數中的任意兩個即可。但在飽和蒸汽區，等溫線與等壓線是重合在一起的，所 以查濕飽和蒸汽狀態時，溫度與壓力相當于一個參數，尚需知道另外一個參數，才能確定狀 態點。利用h s圖查一過程時，相當于在圖上確定一條線的位置。首先確定過程的開始狀態點（需已知兩個參數），再根據過程特性確定過程的走向，最后在走向線上確定過程的終了狀態（需已知一個參數）。第

48、四節基本循環在發電廠中的應用前幾節，就理想氣體的狀態參數、熱力過程進行了簡單的分析，它給以后分析實際蒸汽 循環提供了必要的理論依據和研究方向。理想的卡諾循環效率最高，但它卻無法實現。實際 上，在火電廠中，完成電能生產的過程是在復雜的循環基礎上實現的。下面就幾種典型的循 環原理加以分析介紹。一、朗肯循環朗肯循環是最簡單的火力發電廠的理論循環，如右圖所示。它的循環過程為：首先將凝汽器內的凝結水用凝結 水泵4和給水泵6打入鍋爐1，該過程為給水的絕熱壓縮過 程，打入鍋爐的水在鍋爐內定壓吸熱、汽化和過熱；從鍋 爐來的新蒸汽在汽輪機 2中絕熱膨脹作功過程；作完功的 乏汽在凝汽器內的定壓凝結放熱過程。以上四

49、個過程在T s圖上表示如下圖。右圖中，過程線1 2為過熱蒸汽在汽輪機中的絕熱膨 脹過程。此時每千克蒸汽在汽輪機內部所作的技術功為：Wt = hi h2式中，hi進汽焓，kJ/kg ;hi乏汽焓，kJ/kg。過程線2 3表示乏汽在凝汽器中的定壓放熱過程。每千克工質放出的熱量為：g= h2 h3式中，h3乏汽壓力P2下的凝結水焓，kJ/kg。過程線34表示凝結水在給水泵中的絕熱壓縮過程。 給水泵所消耗的技術功為：VP = h4 h3式中，h4離開給水泵時(P4=Pi)的未飽和水焓，kJ/kg。具有朗肯循環的發 電廠熱力系統圖1 有過熱器的鍋爐；2汽輪機和 發電機；3 凝汽器；4 凝結水 泵；5 除

50、氧器；6 給水泵；7循環水泵。過程線4 5 6 1表示未飽和水在鍋爐的省煤器、汽包和過熱器中定壓加熱、汽化并最后形成過熱蒸汽的過程。每千克工質吸入的熱量為:q1= h1 h4(一) 朗肯循壞的熱效率每一循環中工質所作的循環凈功等于汽輪機所作的功減去給水泵消耗的功，即V0 = W Vp=( h1 h2) ( h4 h3)=(m h4) ( h2 h3)=q1 q2則朗肯循環的熱效率為：n= W0/qi = ( m h2) Wp/ ( h1 h3) WP鑒于水的壓縮性極小，絕熱壓縮后其比容可認為不變，即U4 - U3，因而所需要的壓縮功微不足道，即U4=U3。所以給水泵所消耗的技術功可近似計算為：

51、W = h4 h3 P4 U 4 P3 U 3IP4一 P3) U 3( Pl 一 P2) U 2可見，水泵功的數值主要隨初壓Pi而變化。但在Pi< ioMpa時，w通常僅占w的1%左右，故在一般粗略估算時，可認為w 0，于是：n =( hi h2)/(hi h3)= ( hi h2) /(hi h；)式中， h2' 為乏汽壓力下凝結水焓，kJ/kg 。(二) 提高朗肯循環熱效率的途徑以上已經分析出，朗肯循環熱效率的數值取決于蒸汽的初焓hi、終焓h2以及乏汽壓力下飽和水的焓h；,而hi決定于Pi和ti； h2決定于Pi、ti和P2; h2則由P2決定。因此，朗肯循環效率 實際上由

52、三個參數即初參數 Pi、11和終壓F2決定。如前所述,欲提高任何可逆循環的熱效率都必須提高工質的平均吸熱溫度和降低其平均放熱溫度。對于朗肯循環而言，提高Pi可以相應提高飽和溫度 Tis，從而提高吸熱平均溫度 T 平均i。但提高Pi受到排汽終濕度的影響和限制。過份提高Pi使排汽濕度增加，這將明顯增大汽輪機內部的不可逆損失,從而使相對內效率下降,還可能引起汽輪機的危險振動甚至導致葉片 折斷等重大事故，故通常不允許乏汽濕度高于0.i2O.i5。提高蒸汽的初溫 t 1,雖然對提高平均吸熱溫度的效果不十分顯著,但可以降低排汽溫度。 也就是說,提高初壓所帶來的不利影響可通過同時提高初溫加以消除。因此蒸汽動

53、力裝置中 蒸汽的初溫初壓應同時提高,二者提高的幅度亦需合理的配合。提高初溫受到動力設備材料 耐熱強度的限制。降低凝汽器中乏汽的壓力 P2可降低相應的飽和溫度 T2s,使平均放熱溫度T平均2下降，從而 使循環熱效率提高。由此可見，提高朗肯循環熱效率的根本途徑是提高蒸汽的初參數Pi和11并盡可能地降低乏汽壓力 P2。由于提高初參數所受到的限制,目前國內大、中型火力發電廠常用的蒸汽初壓多半臨界壓力22.06Mpa以下；初溫在450550 C范圍內，超過600 C尚屬少見。 同樣,終壓的降低受到自然環境溫度的限制,而且過份低的終壓將導致終了乏汽比容迅 猛增大,從而給汽輪機的設計與制造帶來一系列困難。如

54、低壓通流面積過大而使設計困難, 凝汽器十分龐大笨重以及運行中使循環水泵耗電量增大等不利影響。目前P2 一般都維持在3.55kPa的范圍內。綜上所述，朗肯循環的最大缺點在于工質的平均吸熱溫度遠較循環的最高溫度T為低。目前發電廠都不直接采用上述簡單的朗肯循環,而采用設備結構、熱力系統較為復雜的回熱 循環和再熱循環等，這主要就是為了提高循環中工質的平均吸熱溫度，從而使熱效率盡可能 地提高。二、再熱循環再熱循環是在朗肯循環的基礎上加以適當改進而得到的。前面已經分析過，由于提高初 壓將導致排汽終濕度增加，為了在初溫不允許繼續升高的情況下，繼續提高初壓以改進發電 廠的熱經濟性，常采用蒸汽中間再熱的辦法，即采用再熱循環。如下圖所示，過熱蒸汽在汽 輪機高壓缸中膨脹作功至某一中間壓力R后，將其全部抽出并引入再熱器 R中使之再次過熱至狀態a，然后引入低壓缸中繼續膨脹作功直至凝汽器壓力下的狀態，乏汽在凝汽器中被冷卻成水后由給水泵 P壓入鍋爐B重新加熱，這樣就完成了一個再熱循環。從上圖中不難看出，狀態2下乏汽的干度X2必然大于C狀態的干度xc。可見在材料允許到達 的最高初溫一定的情況下，采用中間再熱同樣可以降低乏汽的濕度。這就為大