2013级化工热力学总复习

2、改变工艺流程 （1）采用再热循环
图5-20 再热循环及其在T-S图上的表示
再热循环是使高压的过热蒸汽在高压透平中 先膨胀到某一中间压力 ( 一般取再热压力为新汽 压力的 20~25%) ，然后全部引入锅炉中特设的再 热器进行加热，升高了温度的蒸汽，进入低压透 平再膨胀到一定的排气压力，这样就可以避免乏 气湿含量过高的缺点。如图 5-20b 所示，高压蒸 汽由状态点 4 等熵膨胀到某一中间压力时的饱和 状态点5(膨胀后的状态点也可以在过热区 ),作出 功。饱和蒸汽在再热器中吸收热量后升高温度， 其状态沿等压线由 5 变至 6( 再热温度与新汽温度 可以相同，也可以不同 ) ，最后再等熵膨胀到一 定排气压力时的湿蒸汽状态7，又做出功。
一、热力学第二定律 ΔSt = ΔSsys +ΔSsur ΔSt ≥ 0 ΔSg > 0 ΔSg = 0 ΔSg < 0 为不可逆过程； 为可逆过程； 为不可能过程。
二、开系熵平衡式
dSOpsys Sf Sg (miSi )in (mjSj )out dt i j
对于绝热过程， ΔSf = 0
水的质量mt
则U1t mtU1sv 38766 .4J
冷凝的水量为
内插法P335
0.5mt 7.445g
终态：是汽液共存体系，若不计液体水的体积，则终态的汽相质量体积是
V
sv 2
2V
sv 1
sv sl 3g-1，并由此查得 U 2 2594 . 0 , U .05 Jmol-1 cm 2 840 134.34
T
透 平 3
QH
WS ,Tur
锅 炉
TH
1
2
WS ,Pump
1 水泵
冷凝器
4
QL
TL
4Байду номын сангаас
3
6
5
S
图5-14 简单的蒸汽动力装置
图5-15 T—S图上的卡诺循环
卡诺热机循环的热效率：
QH QL TH TL c TH QH QH
卡诺循环是在两相区中进行的，工作介质在透平中膨胀 时会对设备产生严重的侵蚀影响，使得透平无法正常工作， 在压缩过程中，气液混合物中的液体可以通过泵送入锅炉， 而气体需要通过压缩机才能完成工质的循环。而气体的压缩 需要消耗大量的功。 因此卡诺热机是一个理想的、不能实现的热机。 它的意义在于：提供了一个实际热机与之比较的最高标准。
）
第三章 纯流体的热力学性质计算
概念： 1、熟练掌握并使用热力学基本方程。 2、掌握焓和熵随压力和温度的变化关系 3、剩余函数与偏离函数的概念
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例1 压力是3MPa的饱和蒸汽置于1000cm3的容器中，需要导出 多少热量方可使一半的蒸汽冷凝?(可忽视液体水的体积) 分析这类题常用的解题方法： 要求经过某一过程的热量情况，即所求的是过程量， 必须弄清楚以下几个问题。 1.明确体系和过程条件。要求过程量，首先看是何体系，其次是否 可逆，然后推导出不同稳恒过程的公式。 2.确定初，终态。有时初终态不是直接告知，而是经过分 析后确定的。 1) 根据相律得知体系需几个强度性质才能确定状态。 2) 根据题意，找出所需的强度性质。 3.根据题意，选择有关计算公式，就可求出所要求的量。
化工热力学 总复习
考试题型及分数分布 一、填空题（15分） 二、选择题10题（20分） 三、判断题5题（10分） 四、问答题3题（25分） 五、计算题2题（30分） 段考前内容1-5章占35%，段考后6-8章占65%
第2章 5% 第3-4章 15% 第5章 15%
第6章 第7章 第8章 25% 25% 15%
Sg (mjsj )out (misi)in
j i
对于不可逆绝热过程，ΔSg > 0，有：
(m s )
j
j j out
＞ (misi )in
i
对于可逆绝热过程， ΔSg = 0，则有：
(m s )
j
j j out
(misi)in
i
3．热力学图表 P—T图，T—S图， lnP—H图，H—S图 水蒸汽表★ 会查用。
sv sl U2t 0.5mtU2 0.5mtU2 25566 .5J
移出的热量是
Q U 2t U1t 13199 .9J
第四章重点内容
1.闭系非流动过程的能量平衡：
U Q W
Q：系统吸热取正号，系统放热取负号； W：系统对外做功取正号，系统得功取负号。
S
四、以水蒸气为工质的卡诺循环
卡诺循环是热功转化效率最高的循环。 卡诺热机。整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、 放热。蒸汽动力循环是将热能转化为功。最早的提出效率 最高的是卡诺循环。
T—S图对卡诺循环应用：整个卡诺循环由两个等温过 程和两个等熵过程组成，而且每一过程均为可逆。
首先以水蒸气为工质的卡诺循环示意图： 2
⑴ 可逆轴功Ws(R) ：（无任何摩擦损耗的轴功）
ws R
p2 p1
1 vdp gz u 2 2
忽略位能和动能的变化： ws R

p2
p1
vdp
对于液体来说，v随压强变化很小，可以视为常量，即：
ws R vp
⑵实际轴功
产功设备：实际功小于可逆功
第二章
流体的PVT关系：状态方程式
一．P、V、T、CP是流体的最基本性质，是热力学计算基础 P-V-T相图是EOS的基础，必须掌握相图上和点、线、面相
关概念及关系。
单相区（V，G，L，S） 两相共存区（V/L，L/S，G/S） 饱和液相线（泡点线） 饱和汽相线（露点线） 过热蒸汽 过冷液体
复习题
W
蒸汽动力循环中，若将膨胀做功后的乏气直接送入锅 炉中使之吸热变为新蒸汽，从而避免在冷凝器中放热，不 是可大大提高热效率吗? 这种想法对否? 为什么?
答：不合理。蒸汽动力循环以水为工质，只 有在高压下才能提高水温；乏汽的压力过低，不 能直接变成高压蒸汽。与压缩水相比较，压缩蒸 汽消耗的工太大，不仅不会提高热效率，反而会 大大降低热效率。
解：等容过程， QV Ut Ut 2 Ut1
初态：查P=3MPa的饱和水蒸汽的
V1sv 66.68
U1
sv
cm3g-1；
T1=233.90
2604 .1
Jg-1
Vt 14.89g sv V1
初态 T1 P1 V1sv U1sv
冷凝一半 要 V2sl U2 sl
终态 T2 P2 V2sv U2sv
要求： ① 推导过程能看懂会推导，计算方法 要掌握，基本微分方程式必须牢记。 ② 热力学图表要求能认识图，会查找 数据，特别是T—S图。 VLE区来历 三相线来历 M=Mgx+（1-x）Ml 等V线 T—S图 等P线 的变化规律 等H线
P
C
1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体； 2）过冷液体等压加热成过热蒸汽； 3）饱和蒸汽可逆绝热膨胀； 4）饱和液体恒容加热； 5）在临界点进行的恒温膨胀
（2） 提高蒸汽的压力 水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高，故在保持 相同的蒸汽过热温度时，提高水蒸汽压力，平均吸热温度 也会相应提高。从图5-19可以看出，当蒸汽压力提高时， 热效率提高，而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽 的干度下降(5-7)，即湿含量增加，因而会引起透平机相 对内部效率的降低，还会使透平中最后几级的叶片受到磨 蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸 汽压力的提高，不能超过水的临界压力(PC = 22.064MP a)，而且设备制造费用也会大幅上升。这都是不利的方面。
相等
9. 气体混合物的virial系数，如B，C„，是温度和组成的 函数。（对） 10.纯物质的第二virial系数B（virial系数表示了分子间的 相互作用，仅是温度的函数。） 11.指定温度下的纯物质，当压力低于该温度下的饱和蒸汽 压时，则气体的状态为(过热蒸汽，参考P－V图上的亚临 界等温线。) 12.T温度下的过冷纯液体的压力P>Ps（参考P－V图上的亚临 界等温线。） 13.T温度下的过热纯蒸汽的压力P<Ps（参考P－V图上的亚临 界等温线）
Rankine循环与卡诺循环有何区别与联系? 实际动力 循环为什么不采用卡诺循环?
答：两种循环都是由四步组成，二个等压 过程和二个等熵（可逆绝热）过程完成一个循 环。但卡诺循环的二个等压过程是等温的，全 过程完全可逆；Rankine循环的二个等压过程变 温，全过程只有二个等熵过程可逆。 卡诺循环中压缩机压缩的是湿蒸汽，因气 蚀损坏压缩机；且绝热可逆过程难于实现。因 此，实际动力循环不采用卡诺循环。
2、开系稳流平衡式
1 Q Ws mh gmz mu 2 2
1 q w s h gz u 2 2
几种简化形式：
1 p 2 u gz 0 2
1 2 h u 0 2
h q ws
绝热时：
ws h
3.轴功的计算：
5 4 1
3(T降低)
2
V
T 4
C
5
1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体； 2）过冷液体等压加热成过热蒸汽； 3）饱和蒸汽可逆绝热膨胀； 4）饱和液体恒容加热； 5）在临界点进行的恒温膨胀
1
2
3(T降低)
S
T
M
2
(1) (2)
1
N
C
4（T下降）
(1) (2) (2)
习题5-8答案
1
1
(1)
3(T升高) A B
Rankine循环的缺点是什么? 如何对其进行改进?
答：Rankine循环的吸热温度比高温燃气温 度低很多，热效率低下，传热损失极大。 可通过以下途径提高（1）提高蒸汽的平均 吸热温度；（2）提高蒸汽的平均压力；（3） 降低乏汽的压力等方法进行改进。
朗肯循环效率的提高
可逆过程热力学效率最高。在卡诺循环 中，工质在高温热源的温度下吸热，在低温 热源的温度下放热 ( 温差无限小 ) ，都是可逆 过程。但在朗肯循环中，吸热和排热则是在 有一定温差情况下的不可逆过程。整个吸热 过程的平均温度与高温燃气的温度相差很大， 因此要想提高朗肯循环的热效率，主要在于 减小这两者之间的温度差，就必须设法提高 工质在吸热过程中的温度。
图5-18 提高过热蒸汽温度对 热效率的影响
图5-19 提高水蒸汽压力 对热效率的影响
1、提高蒸汽参数 （1）提高蒸汽的出口温度 在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时， 可使平均吸热温度相应地提高。由图5-18 可见，功的 面积随过热温度的升高而增大，循环热效率随之提高， 当然汽耗率也会下降。同时乏气的干度增加(从5点到7 点)，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的 最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高， 一般过热蒸汽的最高温度以不超600℃(873K) 为宜。
1. 纯物质由蒸汽变成固体，必须经过液相。（错。如可以
直接变成固体。） 2. 纯物质由蒸汽变成液体，必须经过冷凝的相变化过程。 （错。可以通过超临界流体区。） 3. 当压力大于临界压力时，纯物质就以液态存在。（错。 若温度也大于临界温度时，则是超临界流体。） 4.纯物质的三相点随着所处的压力或温度的不同而改变。 （错。纯物质的三相平衡时，体系自由度是零，体系的 状态已经确定。） 5.在压力趋于零的极限条件下，所有的流体将成为简单流 体。(错。简单流体系指一类非极性的球形流，如Ar等，
m
Ws Ws R
Ws R Ws
耗功设备：实际功绝对值大于可逆功绝对值
m
m——机械效率
第五章重点内容
概念 1、 热力学第二定律； 2、 熵流、熵产生与封闭、敞开稳定流动系统的熵平衡； 3、 T-S、lnp-H 图点、线、面等，能根据过程特点进行过 程分析和热力学性质计算； 4、可逆卡诺循环及其不能工业应用的原因； 5、绝热节流膨胀、绝热可逆膨胀、绝热不可逆膨胀过程在T -S图上的表示及三者的比较（节流效应，等熵效应）； 6、郎肯循环过程及其提高其热力学效率的方法（在T-S图上 的表示）； 7、逆卡诺循环及单级蒸汽压缩制冷循环过程（在p-h图上的 表示）
与所处的状态无关。）
6.在同一温度下，纯物质的饱和液体与饱和蒸汽的热力学能
相等。（错。它们相差一个汽化热力学能，当在临界状态 时，两者相等，但此时已是汽液不分） 7.纯物质的平衡汽化过程，摩尔体积、焓、热力学能、吉氏 函数的变化值均大于零。（错。只有吉氏函数的变化是 零。） 8.在同一温度下，纯物质的饱和液体与饱和蒸汽的吉氏函数
（3）降低蒸汽透平的出口压力 降低蒸汽透平的出口压力可以提高 Rankine 的 热效率，“背压”指透平机排除的乏气压力，乏气 冷凝时将一部分热量排往冷却介质，其中所含的有 效能无法利用，因而浪费掉了。降低背压可降低乏 气的冷凝温度，从而可降低有效能的损失，使做功 量增加。背压的降低是有限的，其对应的冷凝温度 应高于外界环境温度，以保证传热温差。