工程热力学/应用

单组分系统

所有物质都可以存在三种状态：固体，液体，和气体。所有单组分系统都具有某些共同特征，因此研究一个典型的单组分系统将非常有用。

在本分析中，我们考虑在恒定压力下传递给物质的热量。上图显示了在三个不同的恒定压力下的温度与比容（1/密度）曲线。上面标记为 p₁、p₂ 和 p_c 的三条线曲线是等压线，显示了恒定压力下的条件。当液体和蒸汽共存时，称为饱和状态。当液体和蒸汽处于平衡状态时，温度和压力没有变化，因此温度称为饱和温度，压力称为饱和压力。饱和状态由图表中的水平线表示。在液体和蒸汽的纯物质可以平衡共存的温度范围内，对于每个饱和温度值，只有一个对应的饱和压力值。如果液体的温度低于饱和温度，则称为过冷液体。如果蒸汽或气体的温度高于饱和温度，则称为过热蒸汽。

饱和混合物中液体和蒸汽的量由其品质 x 指定，它是混合物中蒸汽的比例。因此，表示流体汽化的水平线在其左端点（100% 液体）处具有x=0 的品质，在其右端点（100% 蒸汽）处具有x=1 的品质。前面图中蓝色曲线显示了饱和液体的饱和温度，即 x=0。图中绿色曲线显示了饱和蒸汽的饱和温度，即 x=1。这些曲线不是等压线。

$x={\frac {m_{g}}{m_{f}+m_{g}}}$

$v_{x}=\left(1-x\right)v_{f}+xv_{g}$

$v_{fg}=v_{g}-v_{f}$

如果您还考虑固态，那么我们得到该物质的相图。固态、液态和气态平衡共存的点称为
三相点。请注意，随着饱和温度的升高，液体和蒸汽的比容相互接近，直到蓝色和绿色曲线相遇并在 p_c 等压线上的点 C 处相遇。在那个点 C，称为临界点，液体和蒸汽状态合并在一起，它们的所有热力学性质都变得相同。临界点具有特定的温度 T_c 和压力 p_c，它们取决于所讨论的物质。在临界点以上的温度下，该物质被认为是过热气体。

该图基于水的图。其他纯（单组分）物质具有相应的温度与比容图，形状相当相似，但温度、压力和比容会不同。

物质的热力学性质在图表中给出。一个常用的图表是莫利埃图，它是焓与熵的图。压力焓图经常用于制冷应用。这些图表很有用，因为许多过程是等焓的，因此获取值就像在图表上画一条直线并读出数据一样简单。

蒸汽表给出了水在不同温度下的比容、焓、熵和内能的值。它们对工程师非常有用，在蒸汽轮机、蒸汽机和空调等应用中都有应用。

气体表给出像空气这样的常见气体的相同方程。虽然大多数气体大致遵循理想气体方程，但气体表记录了实际值，在许多情况下更准确。它们不像蒸汽表那么重要，但在许多情况下，从表格中查找值比计算答案要容易得多。

吉布斯相律

吉布斯相律指出，对于具有C个组分和P个相的处于平衡状态的非均相系统，自由度F = C - P + 2。因此，对于具有两个相的单组分系统，只有一个自由度。F=1-2+2 F =1 也就是说，如果您给定湿蒸汽的压力或温度，您就可以获得所有性质，而对于过热蒸汽（只有一相），您将需要压力和温度。

湿度学

湿度学是研究空气和水蒸汽混合物的学科，用于空调。对于此应用，空气被认为是氮气和氧气的混合物，其他气体的含量足够少，因此可以近似为更多的氮气和氧气，而不会产生太多误差。在本湿度学部分中，蒸汽指的是水蒸汽。对于正常（大气）压力的空气，蒸汽的饱和压力非常低。此外，在这些条件下，空气距离其临界点很远。因此，空气蒸汽混合物表现为理想气体混合物。如果蒸汽的分压小于该温度下水的饱和压力，则该混合物称为不饱和。空气蒸汽混合物中的水分含量由其湿度来量化。

绝对湿度ω 是蒸汽和空气质量之比，即，ω = m_v/m_a。现在，应用理想气体方程pV = mRT 对于水蒸汽和空气，我们有，由于体积和温度相同，ω = 0.622 p_v/p_a。水蒸汽与空气的比气体常数（前面方程中的 R）之比等于 0.622。

相对湿度φ 是蒸汽压与该温度下饱和蒸汽压之比，即，φ = p_v/p_v,sat。

饱和比是绝对湿度与饱和状态下的绝对湿度之比，即ψ = ω/ω_sat。很容易看出，饱和比非常接近相对湿度的值。

上图显示了绝对湿度与温度的关系。混合物的初始状态为 1，它在等压和恒定绝对湿度下被冷却。当它到达 2 时，它达到饱和状态，其绝对湿度为 ω_a。进一步冷却会导致冷凝，系统移动到点 3，其绝对湿度为 ω_b。2 处的温度称为露点。

习惯上，将所有湿度学量按每单位质量的干空气表示。因此，上图中从 2 到 3 移动时冷凝的空气量为 ω_b − ω_a。

绝热饱和

考虑一个未饱和的混合物进入一个腔室。假设向气流中喷洒水，使湿度增加，并以饱和混合物离开。这伴随着温度的降低，因为从空气中移除了用于汽化的热量。如果供应的水处于气流出口的温度，则没有热量从水转移到混合物。混合物的最终温度称为绝热饱和温度。

湿球温度

空气蒸汽混合物的相对湿度是通过使用干球和湿球温度计来测量的。干球温度计是普通温度计，而湿球温度计的球体被潮湿的灯芯覆盖。当混合物流过两个温度计时，干球温度计显示气流的温度，而水从灯芯蒸发，其温度下降。如果忽略由于对流造成的热传递，则该温度非常接近绝热饱和温度。

湿度图

该图给出了绝对湿度与温度的关系，以及焓。从该图中，您可以根据干球和湿球温度确定相对湿度。根据第一定律，对于没有热传递的流动系统，焓为常数。现在，对于绝热饱和过程，没有热量传递，因此绝热饱和线与湿球温度和等焓线相同。

问题

1.凤凰城的温度为 35 °C，相对湿度为 40%。可以用传统的空气冷却器冷却房间吗？

我们需要找到点T = 35°C 和 φ = 40% 的湿球温度。从湿度图可以看出，湿球温度在 20 到 25°C 之间。因此，您可以使用蒸发式冷却器将房间冷却到舒适的温度。

2.洛杉矶的温度为 37 °C，相对湿度为 83%。可以用传统的空气冷却器将房间冷却到什么温度？

在这种情况下，湿球温度约为 34.2°C。因此，在这种情况下，您不能使用普通的冷却器来降低房间温度。您需要使用空调。

空调

人体只能在狭窄的条件范围内有效地工作。此外，它不断地向周围环境释放约 60 瓦的热量，在剧烈运动时释放更多。人体的温度通过汗液从身体蒸发来维持。因此，为了舒适，温度和相对湿度都应该较低。

传统的空调包括将湿度设定在可接受的水平，同时降低温度。将湿度降低到零不是理想的目标。例如，低湿度会导致诸如静电积聚机会增加等问题，从而导致敏感电子设备损坏。在这种情况下，50% 的湿度水平更可取。

最常见的降低湿度的方法是使用基于反向卡诺循环工作的传统空调来冷却空气。冷凝的蒸汽被去除。现在，产生的空气非常冷，需要在释放回空调区域之前将其加热回室温。

进一步阅读

维基百科上的空调

常见的热力学循环

机器中使用的几种热力学循环可以用理想循环来近似。之前已经表明，卡诺发动机是在两个热库之间运行的最有效的发动机。但是，由于实际困难，卡诺循环不能在所有情况下实现。以下部分将讨论实践中发现的理想化（非卡诺）系统。

朗肯循环

在朗肯循环中，也称为标准蒸汽动力循环，工作流体遵循一个闭合循环。我们将考虑水作为工作物质。也可以使用其他材料，例如有机材料（参见有机朗肯循环）；工作流体的特性对实际过程有很大影响。在朗肯循环中，水使用液体泵从低压泵送到高压。然后在恒压下在锅炉中加热此水，其温度升高，并被转换为过热蒸汽。然后，这种蒸汽在膨胀机中膨胀以产生功。该膨胀机可以是涡轮机或往复式（即活塞）机器，例如较旧的蒸汽机车或船舶中使用的机器。膨胀机的输出在冷凝器中冷却至液态，然后送入泵。朗肯循环与卡诺循环的不同之处在于，泵的输入是液体（它在冷凝器中冷却更多）。由于液体的比容比蒸汽小，因此这使得可以使用小型低功率泵。此外，锅炉中的热传递主要发生在相变过程中，而不是卡诺循环中理想气体的等温加热，因此效率相当高（尽管它仍然低于卡诺效率）。将液体加热到沸点的热传递量与相变期间的热传递量相比非常小。蒸汽过热，因此涡轮机内部不存在液态。涡轮机中的冷凝可能是灾难性的，因为它会导致叶片的腐蚀和侵蚀。

朗肯循环有几种改进，可以带来更好的实际设计。在再热循环中，有两个串联工作的膨胀机，高压级产生的蒸汽在进入低压膨胀机之前再次在锅炉中加热。这避免了涡轮机中出现水分的问题，并提高了效率。再生循环是朗肯循环的另一种改进，旨在提高效率。在许多朗肯循环实施中，水以过冷状态进入锅炉，并且，锅炉供热温度与流体温度之间的较大温差会导致不可逆性，从而导致效率下降。在再生循环中，冷凝器的输出由从膨胀机抽取的一些蒸汽加热。由于上述原因，这会导致整体效率提高。

奥托循环

奥托循环是大多数汽车使用的往复式内燃机中发现的过程的理想化。虽然在实际发动机中，气体以废气形式排出，但事实证明，这是一种分析该过程的好方法。当然，实际发动机中还有其他损失。例如，高速发动机的部分燃烧和进气问题。理想循环中的工作物质是理想气体，而不是发动机中的空气燃料混合物。

热量在 1-2 期间以恒定体积传递。
气体在 2-3 期间可逆绝热膨胀，在此期间完成功。
热量在 3-4 期间在低温下以恒定体积排出。
气体在 4-1 期间可逆绝热压缩。

分析

热量在 1-2 期间以恒定体积传递，因此 Q_1-2 = m c_v(T₂ − T₁)。类似地，在 3-4 期间排出的热量为 Q_3-4 = m c_v (T₃ − T₄)。因此，奥托循环的热效率为

η_th = (Q_1-2 − Q_3-4)/Q_1-2

η_th = 1 − Q_3-4/Q_1-2

η_th = 1 − (T₃ − T₄)/(T₂ − T₁)

由于 2-3 和 4-1 是涉及理想气体的可逆绝热过程，我们有：

T₂/T₃ = (V₃/V₂)^{γ − 1}

以及

T₄/T₁ = (V₁/V₄)^{γ − 1}

但是，

V₁ = V₂

以及

V₃ = V₄

因此，我们有

T₂/T₃ = T₁/T₄

所以，

η_th = 1 − (T₃/T₂)(1 − T₄/T₃)/(1 − T₁/T₂)

或者

η_th = 1 − T₃/T₂

如果我们引入压缩比 r_c = V₃/V₂，那么我们有：

η_th = 1 − r_c^{1 − γ}

可以看出，增加压缩比会提高热效率。然而，增加压缩比会导致峰值温度升高，这可能会导致燃料自燃，不受控制的点火，从而导致冲击波穿过汽缸，被称为爆震。

柴油循环

柴油循环是压缩点火发动机（不使用火花塞的发动机）的理想循环。柴油循环和奥托循环之间的区别在于热量在恒压下供应。

热量在 1-2 中以恒定压力可逆地供应。
在 2-3 中进行可逆绝热膨胀，在此过程中进行功。
热量在 3-4 中以恒定体积可逆地排出。
气体在 4-1 中可逆绝热压缩。

分析

在 1-2 期间，热量以恒定压力传递给系统，因此

Q_in = m c_p (T₂ − T₁)

在 3-4 期间，系统以恒定体积排出热量

Q_out = m c_v (T₃ − T₄)

因此，柴油循环的效率为

η_th = (Q_in − Q_out)/Q_in

η_th = 1 − Q_out/Q_in

η_th = 1 − (c_v (T₃ − T₄))/(c_p (T₂ − T₁))

η_th = 1 − (1/γ) (T₃ − T₄)/(T₂ − T₁)

$\eta _{th}=1-{\frac {1}{\gamma }}{\frac {T_{4}}{T_{1}}}\left({\frac {{\frac {T_{3}}{T_{4}}}-1}{{\frac {T_{2}}{T_{1}}}-1}}\right)$

我们将截止比定义为 r_t = V₂/V₁，由于 1 和 2 处的压力相等，我们有，应用理想气体方程，T₂/T₁ = r_t。现在，对于绝热过程 2-3 和 4-1，我们有：

${\frac {T_{2}}{T_{3}}}=\left({\frac {V_{3}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}$

${\frac {T_{1}}{T_{4}}}=\left({\frac {V_{4}}{V_{1}}}\right)^{\gamma -1}$

由于 V₃ = V₄，我们有

${\frac {T_{2}}{T_{1}}}{\frac {T_{4}}{T_{3}}}=\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}$

${\frac {T_{4}}{T_{3}}}=\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma }$

$\eta _{th}=1-{\frac {1}{\gamma }}{\frac {1}{r_{c}^{\gamma -1}}}\left({\frac {r_{t}^{\gamma }-1}{r_{t}-1}}\right)$

双循环

双循环有时用于近似实际循环，因为发动机中热传递所需的时间对于奥托循环而言并非为零（因此并非恒定体积）。在柴油循环中，由于燃烧过程的性质，热量输入并非在恒定压力下发生。

燃气轮机循环（或焦耳-布雷顿循环）

燃气轮机是旋转内燃机。在第一阶段，从外部吸入空气，并使用压缩机进行压缩。然后引入燃料，混合物在燃烧室中点燃。热气体使用涡轮机进行膨胀，涡轮机产生功。涡轮机的输出作为废气排出到外部。

理想的燃气轮机循环如上所示。四个阶段是

在 1-2 期间，热量以恒定压力输入。
在 2-3 期间进行可逆绝热膨胀，在此过程中进行功。
在 3-4 期间，热量以恒定压力排出。
在 4-1 期间进行可逆绝热压缩，在此过程中消耗功。

在燃气轮机循环中，在过程 4-1 中消耗了大量的功，因为工作物质（气体）具有很高的压缩性。压缩机需要处理大量的体积并实现较高的压缩比。

分析

燃气轮机循环中的热量输入由 *Q_in = m c_p (T₂ - T₁)*给出，排出的热量 *Q_out = m c_p (T₃ - T₄)*。因此，热效率由下式给出：

$\eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}$

$\eta _{th}=1-\left({\frac {T_{3}-T_{4}}{T_{2}-T_{1}}}\right)$

$\eta _{th}=1-{\frac {T_{4}}{T_{1}}}\left({\frac {{\frac {T_{3}}{T_{4}}}-1}{{\frac {T_{2}}{T_{1}}}-1}}\right)$

由于绝热过程发生在相同的压力之间，因此温度比相同

$\eta _{th}=1-{\frac {T_{4}}{T_{1}}}=1-{\frac {1}{\left({\frac {p_{1}}{p_{4}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}}}$

或者

$\eta _{th}=1-{\frac {1}{r_{p}^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}}}$

其中 *r_p* 是压力比，是燃气轮机循环的基本量。

制冷循环

理想制冷循环是卡诺循环的逆循环，作为热泵而不是热机运行。但是，使这种系统工作的实际操作方面存在困难。

气体制冷循环用于飞机中冷却机舱空气。周围空气被压缩，然后使用涡轮机的工作进行冷却。涡轮机本身使用压缩空气的工作，使其进一步冷却。涡轮机的输出以及用于冷却压缩机输出的空气混合在一起并发送到机舱。

朗肯蒸气压缩循环是理想卡诺循环的常见替代方案。一种工作物质，例如氟利昂或 R-134a，称为制冷剂，根据其沸点和汽化热来选择。蒸气压缩制冷系统的组件包括压缩机、冷凝器、膨胀（或节流）阀和蒸发器。工作物质（以气态形式）由压缩机压缩，其输出在冷凝器中冷却为液体。冷凝器的输出在节流阀中节流到较低压力，并发送到吸收热量的蒸发器。来自蒸发器的气体被送入压缩机，完成循环。

标准制冷机使用节流阀而不是涡轮机来膨胀气体，因为产生的功输出不足以证明涡轮机的成本。这种膨胀与不可逆性相关联，但在考虑建设成本时，它是具有成本效益的。

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