《高等工程热力学》研究生课程教学资源（课件讲稿，完整合并版，共八讲，主讲人：何茂刚）.pdf_大学文库

1 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 1 高等工程热力学主讲人：何茂刚办公地点: 能动学院(东三楼) - 甲223 创新港敏行楼(1号楼) 1-3090 Email: mghe@mail.xjtu.edu.cn Tel: 029-82663863 2022年9月 XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY 西安交通大学 KEY LABORATORY OF THERMO-FLUID SCIENCE & ENGINEERING, MINISTRY OF EDUCATION 热流科学与工程教育部重点实验室先进热物性测试与表征平台 Advanced Thermophysical Properties Measurement and Characterization Group (TPMC) Advanced Engineering Thermodynamics 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 2 Chapter 0 绪论工程热力学 (Engineering Thermodynamics) 是一门技术基础课程，是一门研究与热有关的物理现象的基础理论课程(课程设置：通识教育课、大类平台课、专业课)。能动学院主要从事热能开发和利用的教学科研，主干课程。课程体系简介化石燃料热能动力(电力) 制造业交通运输日常生活医疗卫生 etc. 燃烧热机燃烧学、流体力学、工程热力学、传热学直接：燃料电池 Combustion、 Fluid Mechanics Engineering Thermodynamics、Heat Transfer; Advanced one 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 3 工程热力学是研究工质的性质和热能与机械能转换规律的一门学科。工程热力学能量转换规律工质的性质 0.1 工程热力学及其应用热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 4 0.1 工程热力学及其应用应用示例：制冷循环（空调、冰箱等）制冷性能 C 1 4 C 2 1 C 1 4 C 2 1 q h h w h h q h h w h h          制冷量：循环耗功：制冷系数：确定状态：已知条件 1点：T1 ，Sat. p(t0 ) → p1 ，h1 ，s1 查图表 2点： Sat. p(tc )，s2 = s1 → h2 3点：t3 ，Sat. p(tc ) → p3 ，h3 ，s3 4点：Sat. p(t0 ) ，h4 = h3 → s4 lg p h 1 3 2 4 0 t0 tc 冰箱工况 C 0 1 3 54.4 C 23.3 C 32 C 32 C t t t t          空调工况 C 0 1 3 43 C 7.2 C 35 C 46.1 C t t t t         何茂刚*，刘志刚等. 西安交通大学学报，2000，34(11)：17-22

平季业意大进大电0.2美力学发展简史0.2美力学发服简史热现放是人类量早，录广泛接触的向然现象之一。人美对热现象的不断在热力学发腰史上，若干历史性事件：研究和认识构成热力学发股史，最基本的问脚恭的认识1724蒋兰物温学华伦海特（DGFahronheit）路立华氏黑标口化学家的款姆贝歌尔(J.J.Becher）漫施赠尔（GeorgErnstStahi）在17世纪1742年现典物惠学家摄尔你防（ACelsius）电立婴无服标超出签定说（认为做确量一种分课过租，物顾操确时放出做家）。中国和歌英服发明家更格Wa比）改设研制出带一台净款工作的蒸汽机，发明洲文史上有萌芽（金、木、水、火、土）1769年自柳连杆凯构口热量造量由的服夫警特所特量（JosephPristley，英国化学家提出。总膜法圆科季家卡诺(NLsCanot）握出卡班热机、卡通环和卡做定蒙1824年举微（CaloricTheory：热是一种无量连体，可以选入一切物膜，不生不风。一个物体是“热”还是“冲”，由它所含热质的多少纯定1842年微圆物通学家运现（JRMayer）授出管量中凯电排井计算出热功尚量、光和光的复会》论文中，指出热质不存在的口1799年时汉剪盟·减准在论绝1847年德国物湖学家京烘爱（HHelmhoiz）限出能温守便定的欢学有达式始论，并认为热量物体微验的扭动，英图物学家物耳（JPJoule）赠立烘功尚带的营1kca423.85kgm口需耳热功尚量实验：热量能量格一种形式1850年4154鸡立面口热运动学脱：热量强动的电滑家享界eRFCaiu出美力蒙#加率集生，热是大量分于不规则遥始的能量1850年超出热力学健服做U提出期品最、宽剪修新不等式、烟至（1857年）工力场地，工作力部手老意进手4发业0.2美力学发暖纯史0.2美力学发服筒史热力学史上获得诺贝尔莫科学家：在热力学发履史上，若干历史性事件：蒙蒙更尔斯JohannesvanderWaals1837-1923兰）提出分于屑作用力换通和实际气休状态方膜门910警国尔：常1851年英国物通学家开尔文LKeivin）耀出热力学第一京峰（另一净家达）用丽HeikeKamernghOnnes1853-1926，滑兰）液化假气，爱现低摄烟英阴物温甲家安能备（TAndrews）发票气流据变的换界点1869年导装象（1913年搬贝尔检温学奖爸期克（MaxPlanck1858-1947锋图）北现能量于（量子）热二物1873年美丽物西华家家吉布新（JwGibbs）发翠吉市新相款根出化务版食（1918年游贝尔怡国学奖）地饼tzmann）蒸于能计力单提出难尔菜KLERO1877斯特（WaitherHemannNernst，1864-1941,栋国）提出热力华三定荐，曼购公式，离立了家尔益业方量燃化学美店（1920年贝尔化学奖1931元美国业国学农香动RHFowler出热力学缩零定神德师（PeterJosephWihclmDebye，1884-1966)出供报矩的雅冷和象举专达北1936年东学营1953:年通举家塑特（KRant）超出火用E的便会開新拉夫的家LKdno学出版不安性购1966年购立靠界物做之四的美系WHNefinghOnns2

2 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 5 0.2 热力学发展简史热现象是人类最早、最广泛接触到的自然现象之一。人类对热现象的不断研究和认识构成热力学发展史。最基本的问题——热的认识。  化学家约钦姆·贝歇尔(J. J. Becher)及施塔尔(Georg Ernst Stahl)在17世纪提出燃素说 (认为燃烧是一种分解过程，物质燃烧时释放出燃素)。中国和欧洲文明史上有萌芽（金、木、水、火、土）。  热质说是由约瑟夫·普利斯特里(Joseph Priestley，英国化学家)提出。热质学说(Caloric Theory)：热是一种无质量流体，可以进入一切物质，不生不灭。一个物体是“热”还是“冷”，由它所含热质的多少决定。  1799年时汉弗里·戴维在《论热、光和光的复合》论文中，指出热质不存在的结论，并认为热是物体微粒的振动。  焦耳热功当量实验：热是能量的一种形式  热运动学说：热是运动的表观如摩擦生热，热是大量分子不规则运动的能量热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 6 0.2 热力学发展简史在热力学发展史上，若干历史性事件： 1724年荷兰物理学家华伦海特(D G Fahrenheit)建立华氏温标 1742年瑞典物理学家摄尔修斯(A Celsius)建立摄氏温标 1769年英国发明家瓦特(J Watt)改进研制出第一台连续工作的蒸汽机，发明曲柄连杆机构 1824年法国科学家卡诺(N L S Carnot)提出卡诺热机、卡诺循环和卡诺定律 1842年德国物理学家迈耶(J RMayer)提出能量守恒定律并计算出热功当量 1847年德国物理学家亥姆霍兹(H Helmholz)提出能量守恒定律的数学表达式 1850年英国物理学家焦耳(J P Joule)确立热功当量的值1 kcal=423.85 kg·m (4.1554 kJ)，确立热力学第一定律 1850年德国物理学家克劳修斯(R J E Clausius)提出热力学第一定律和热力学第二定律，提出热力学能函数U，提出熵函数S、克劳修斯不等式、熵增原理（1857年）热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 7 0.2 热力学发展简史在热力学发展史上，若干历史性事件： 1851年英国物理学家开尔文(L Kelvin)提出热力学第二定律（另一种表述） 1869年英国物理学家安德鲁 (T Andrews)发现气液相变的临界点 1873年美国物理学家吉布斯(J W Gibbs)发现吉布斯相律，提出化学势概念 1877年奥地利物理学家玻尔兹曼(L E Boltzmann)基于统计力学提出玻尔兹曼熵公式，建立了玻尔兹曼方程 1931年英国物理学家否勒(R H Fowler)提出热力学第零定律 1953年南斯拉夫物理学家朗特(K Rant)提出火用Ex 的概念 1966年美国物理学家卡丹诺夫(L Kadanoff) 提出标度不变性的标度理论，建立临界指数之间的关系式热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 8 0.2 热力学发展简史热力学史上获得诺贝尔奖科学家： van der Waals Max Planck  范德瓦尔斯(Johannes van der Waals, 1837-1923, 荷兰) 提出分子间作用力模型和实际气体状态方程 (1910年诺贝尔物理学奖)  昂纳斯(Heike Kamerlingh Onnes, 1853-1926, 荷兰)液化氦气，发现低温超导现象 (1913年诺贝尔物理学奖)  普朗克(Max Planck, 1858-1947, 德国) 发现能量子(量子理论)热二律 (1918年诺贝尔物理学奖)  能斯特(Walther Hermann Nernst, 1864-1941, 德国)提出热力学第三定律，热化学熵基准 (1920年诺贝尔化学奖)  德拜(Peter Joseph Wilhelm Debye，1884-1966)提出偶极矩的理论和数学表达式(获得1936年诺贝尔化学奖) Kamerlingh Onnes W H Nernst P J W Debye

务事业大理欢电0.2始力发晨简史Today：美力学发丽面临的新问通热力学史上肤得谐贝尔奖科学家国家战略：破达峰碳中和3060计划布显寄量（PWBridgman）妆明高压美罩，现充物民的高压性膜2020年9月21日习近平主席在第75属联（良得1946年贝尔物国带奖）即严格（LarsOnsager,1903-1976，美）不可搬过摄热力学论合国大会上郑重直布：中国将提高国（蒙得1968年增贝尔化学奖）家自主再献力度，二氧化碳排放力争替量戈金lyaPrigogine,1917-20c3，比利时）热力单的解款物耀心于2030年前达到峰值，争取2060年前（美得1977年谱贝尔化学美成尔题（KennothG.Wison，1936，美圆）相变的临界黑象量（重正实现碳中和。化祥滑轮（1982年路贝尔物通学酱）微达峰：二氮化破的排放不再增长，达副够值之后渴步降低中和：企业、国件或个人测在一定时国内宣换哦阅疫产生的通金气体择放总量，通过视道树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化豪排放量，实现二氧化豪“零排放”工力站工止手老康大进手4发业Today：热力学发量丽收物奢间量Today：美力华发厚丽临的新问酒2021年5月26日副总理韩正主持召开碳达峰碳中和工作领导小Why?组第一次全体会议，调：全面贡彻落实习近平生态文明恩想确保如期实现碳达峰碳中和目标3060计划：“十四五”退直气体排放控制目标（十九周五中全会）《“十四五”规游解要（单离）》：加快推进露要生态服遗设，构避以家公图为主体的自热保护地体系，泰林覆垫率达24.1%，持饮改格化石燃料使用导致CO，排环境质量，基本消除量污染天气和城市鼠真水体放增加，进一步引起全球落实2030年座对气最变化周源主资献就国标气模变化：温效应、海加快发展方式源色转型，协同推进经济高质量发1展和生态环境高水平保护，单位围内生产总做能平面上升、呕风频发等。耗和二复化排放分别降能13.5%，18%，t3

3 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 9 0.2 热力学发展简史热力学史上获得诺贝尔奖科学家： L Onsager I Prigogine K G Wilson  布里奇曼(P W Bridgman)发明超高压装置，研究物质的高压性质 (获得1946年诺贝尔物理学奖)  昂萨格(Lars Onsager, 1903-1976, 美国) 不可逆过程热力学理论 (获得1968年诺贝尔化学奖)  普里戈金(Ilya Prigogine, 1917-2003, 比利时) 热力学的耗散结构理论 (获得1977年诺贝尔化学奖)  威尔逊(Kenneth G. Wilson, 1936-, 美国) 相变的临界现象理论(重正化群理论) (1982年诺贝尔物理学奖) P W Bridgman 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 10 Today：热力学发展面临的新问题国家战略：碳达峰碳中和 3060计划碳达峰：二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。碳中和：企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。 CO2 温室气体 2020年9月21日习近平主席在第75届联合国大会上郑重宣布：中国将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取2060年前实现碳中和。热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 11 Today：热力学发展面临的新问题 Why? 化石燃料使用导致CO2 排放增加，进一步引起全球气候变化：温室效应、海平面上升、飓风频发等。热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 12 Today：热力学发展面临的新问题 3060计划：“十四五”温室气体排放控制目标（十九届五中全会）《“十四五”规划纲要（草案）》：加快推进重要生态屏障建设，构建以国家公园为主体的自然保护地体系，森林覆盖率达到24.1%。持续改善环境质量，基本消除重污染天气和城市黑臭水体。落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标。加快发展方式绿色转型，协同推进经济高质量发展和生态环境高水平保护，单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%。 2021年5月26日副总理韩正主持召开碳达峰碳中和工作领导小组第一次全体会议。强调：全面贯彻落实习近平生态文明思想确保如期实现碳达峰碳中和目标

S工版务部为号平业进欢电Today：燕力学发面薯链Today：热力学发量面快的3060计划：中国方案3060计划：中国方案HM工调整经济结构与产业结构3.构建低碳能源体系>加快发展服务业》积极发展非化石能源>促进工业内部神型升级推动天能气发膜国#健#####街#医商##商商机#时#培商发限高控术产业和战略性新兴产业严格控制媒炎消费2.节约能源和提高能源效率4.增加碳汇、控制非二温直气体排放>开节能置点工>势力增加碳汇>光格节能法做法规将实节能经济激助改录1>进一步完节能法规体系，烟布！控非能更活动温宣气体排放储全节能标准标识了（工业节跑管理办法》5.体制与机制建设>目标控制分解考机制及区域加强直点银城节>制定、修订发布了（节能监察办>2011年排放交易试点车先达峰强化节能技术变挥和票法等法推规定通直气体统计族算体系建设>2017年自动全国限#放文易市场务体系建设>张化节能目标贵年考桃工力站工止力康大进手4公生Today：热力学发量丽收的餐间量Today：力华发丽临的新问通美国（Science）创刊25周年（2018年1月），公口新型热力系能布了125个最具抗放性的科学其中前25个日海超监界馨环、CO动力系能、H动力系策、被认为是量（涉及多学科）甲晚动力承统、co.与扩触机通1.通室气体23Ea合学以政务温直气体产生的热化、化购力学原通：减少排放Supereriticatco,ratnata气体护散和理2.能原用效车提高原单及方送传航火力漫电效高业收、新留环-高压共款，余能回收汽车瓶用和油网的降保传能助力别用效事高高效压滤机，高能数空调冰照用和警代3.摄直气体的换通直教座口新型物环工厂生格做、生物服传就动力限科的警代！超放界CO,、管代端料、管代制冷剂、高于流体、流态金属、吸热国源带料窗然工属、大分于物服、商于修件传装制冷制的警代：焕融、额低通H、HeXo

4 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 13 Today：热力学发展面临的新问题 3060计划：中国方案 1. 调整经济结构与产业结构  加快发展服务业  促进工业内部转型升级  培育发展高技术产业和战略性新兴产业 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 Primary Industry 2. 节约能源和提高能源效率  完善节能法律法规  进一步完善节能法规体系，颁布了《工业节能管理办法》  制定、修订发布了《节能监察办法等法律规定  强化节能目标责任考核  开展节能重点工程  落实节能经济激励政策  健全节能标准标识  加强重点领域节能  强化节能技术支撑和服务体系建设热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 14 Today：热力学发展面临的新问题 3060计划：中国方案 3. 构建低碳能源体系  积极发展非化石能源  推动天然气发展  严格控制煤炭消费 4. 增加碳汇、控制非二温室气体排放  努力增加碳汇  控制非能源活动温室气体排放 5. 体制与机制建设  2011年排放交易试点  2017年启动全国碳排放交易市场  目标控制分解考核机制及区域率先达峰  温室气体统计核算体系建设  低碳试点热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 1. 温室气体产生与扩散机理温室气体产生的热化学、化学动力学原理：减少排放气体扩散和运动规律：雾霾形成 2. 能源利用效率提高原理及方法传统火力发电效率提高：高参数、新循环汽车能耗和油耗的降低：高压共轨、余能回收传统动力利用效率提高：高效压缩机、高能效空调冰箱 3. 温室气体的禁用和替代传统动力燃料的替代：生物燃料、生物质传统制冷剂的替代：自然工质、大分子物质、离子液体美国《Science》创刊25周年（2018年1月），公布了125个最具挑战性的科学问题，其中前25个被认为是最重要的问题。（涉及多学科）温室效应 Today：热力学发展面临的新问题热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 16 Today：热力学发展面临的新问题  新型热力系统超临界循环、CO2 动力系统、H2 动力系统、甲醇动力系统、燃料电池、CO2 捕集  新型循环工质超临界CO2 、替代燃料、替代制冷剂、离子液体、液态金属、吸热型碳氢燃料熔融盐、极低温H2 、He/Xe 美国桑迪亚国家实验室

5 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 17 Today：热力学发展面临的新问题  热力系统的热管理车载动力系统、数据中心、大型机房  分布式电源区域能源、能源站、多能源互补系统新能源汽车  储能系统电站储能、冰蓄冷、压缩气体储能(空气、CO2 )、蓄电池、大电容储能某城区能源站热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 能量转换规律第一定律第二定律守恒性：方向性：品质性：第二类永动机不可能实现。能量系统分析第一类永动机不可能实现。 J.R. Mayer (1814－1878) H.L. Helmholtz (1821~1894) James P. Joule (1818~1889) N.L.S. Carnot (1796~1832) R.J. E. Clausius (1822~1888) L. Kelvin (1824~1907) 研究对象 0.3 热力学基本定律及其应用热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 19 数学表达式闭口系：稳流系： q  u  w t q h w    卡诺定理： c 2 1    1 T T 克氏表达：过程循环 q s T      0  T q 熵增原理：能量贬值： iso ad ds ds   0 ( 0) ,iso 0 x de  第一定律第二定律 0.3 热力学基本定律及其应用热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 20 能量系统分析守恒分析：熵分析：有效能分析： q、w、△e (u,h) 的关系控制质量CM 控制体积CV 判断热力过程或循环是否可以实现热力过程或循环实现的条件热力过程或循环进行的深度 q u w    t q h w    c 2 1    1 T T q s T     0 q T    iso ad ds ds   0( 0) 0.3 热力学基本定律及其应用能量系统的火用分析？  高等工程热力学的重点内容

6 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 21 研究对象热力系统过程循环闭口系稳定流动系等孤立系基本过程：定压、定容、定温、定熵气体和蒸气的流动过程压气机工作过程气体动力循环蒸汽动力循环制冷循环装置图、p-v图、T-s 图热效率提高热效率的方法 0.3 热力学基本定律及其应用热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 22 0.3 热力学基本定律及其应用此外：第零定律如果两个热力系统分别与第三个热力系统处于热平衡，则这两个热力系统也必然处于热平衡。意义：为温度测量奠定了理论基础。就如同尺子量长度一样，不需要直接比较，只要用尺子分别测量。在温度测量中的“尺子”就是温度计。温度是确定一个系统是否与其他系统处于热平衡的状态函数。判据第三定律不可能用现有手段和程序使得一个物体冷却到绝对温度零度。意义：当绝对温度趋于零时，物质的熵等于零，完善了熵的统计力学概念。科学上鼓励人们想尽办法尽可能接近绝对零温度。5×10-10 K 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 23 工质的性质理想气体实际气体纯质 (如O2 、CO2 等) 混合物 (如空气等) 指工质的p、v、T、u、h、s等纯质 (如H2O、NH3 等) 混合物 (如湿空气等) 0.4 流体热物理性质工程热力学中工质性质部分的回顾：热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 290 295 300 305 310 315 320 325 R22 R152a R143a R290 T (K) cp0 (kJ/kg·K) 几种制冷剂cp 0 何茂刚. 博士论文，1999.524 理想气体性质计算状态方程：比热方程： pv RT  const ( ) p p c c f T   ，热力学能： v    u c T 焓方程： p    h c T 熵方程： 2 2 1 1 ln ln p T p s c R T p                道尔顿分压力定理： i i i p p p x p    亚麦加特分体积定理： i i i V V V x V    0.4 流体热物理性质

千#业欢您欢中0.4流体能物理器0.4流体能物温性质地和性质表研究对象：能源、动力和化工领域中涉及到的工股热物性计算，专业传饺工具断虹工贸过冷液体和过热燕气性质爽高疆高压水游气、高压温锁气、烟施实际气体电、水和水燕气、燃气#CO、有机工、CO,H0高压通空气HAT）、超监界CO性质计算旺空气、二帆化漆始一精图、温一筛图CO、HFO物底、自能工厂E家照昂、机气甲路、乙摩、二压一结图内爆机燃气（油）业物料水、置水放销、相锈合金、红包气、CO酒合物始一湿图RT经捷新型工股中网合成产物、重保实际气体的性质图表如何得到？或者说，计算公式？1.达能工腻都是实际气体，工租皮用器要知造特商的性质，2.新工质性图缺，需要解究性质计算，高等工租热力学的益点内客3.计靠机整及和计莫方洗选发，摄了技术支持工力场工证力部手老意进手发4发业0.4流体物理性膜0.4流体能物理性质几个“常恶”的最念流体热物性：一、注体热物性流体(Fluid)：气体和液体的能称。热物温性质：与热有关的物理性质。Thermophyslcal Property远增可分为：平衡性质、非平衔性照、其他性照气体(Gas)诞高于始界滋度、压力低于物界压力。液体(Liquid）温度低于临界照度、压力能于临界压力1.平智性翼EquwbriemProperty压力于能界压力，薄气/Vaper)座隆或雅热力学性活dymamic Property液你和国体的续称燕康态(CondemationprT性胶、界性质（CriscaiPropertyh密度(Density)、压糖围子经临界速体（5度高于临界通度、压力高于临界压力。(Supereritical fuid(CompressibiwryFactor）、蒙服系cVWinialCoefficient，音湾Speedot湖Entropy，请心国子于AcenticFactior）、爽面Sound)、始（Enthalpy)、气体、潜体、超单界洗件性腰对比通临界连体：聚力(SurfaceTension等性膜温监界流体件密座比气体大做百修加票物服处于务幅高，招平寄性服：化半势ChemicalPotentian，选度密度/g.cm(0.6~2)X10r)0.2~0.90.6~1.6与波体相尚，随度与（Fupucity]、肩鹿/Solubllity]、度Activity）等数度/e.smrlg!(1~3)X104(1-3)X104(0.2~3)X102比康排小？体物尚，(0.2~0.7)X10(0.2~3)×105散乐大s研究和工租皮用示例：1断照环保节做工队开发和皮用（射冷和内做工质）体小2个款量，2.天然气西气东缝工锁压力地舞阅临界连体：既具有液体对请风解度大的特点，又具体大2个量量级3盟化传垫工原逸挥等有气体易运动和扩做的特性，传质速率大大高于滚相，8

8 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 29 实际气体性质计算查表查图饱和性质表过冷液体和过热蒸气性质表焓—熵图、温— 熵图压—焓图焓—湿图 0.4 流体热物理性质实际气体的性质图表如何得到？或者说，计算公式？  高等工程热力学的重点内容热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 30 研究对象：能源、动力和化工领域中涉及到的工质热物性计算。 0.4 流体热物理性质专业传统工质新型工质电厂、锅炉水和水蒸气、燃气高温高压水蒸气、高压湿燃气、超临界CO2 、有机工质、CO2 /H2O 压缩机空气、二氧化碳高压湿空气(HAT)、超临界CO2 制冷氟里昂、氨气 CO2 、HFOs物质、自然工质内燃机燃气（油）甲醇、乙醇、二甲醚、燃料添加剂、生物燃料核能水、重水钠、铅铋合金、氦氙气、CO2 混合物化工烃类新型工质中间合成产物、氢氟醚 1. 这些工质都是实际气体，工程应用需要知道精确的性质。 2. 新工质性质图表缺乏，需要研究性质计算。 3. 计算机普及和计算方法进步，提供了技术支持。热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 31 一、流体热物性 0.4 流体热物理性质几个“熟悉” 的概念流体(Fluid)：气体和液体的统称。气体(Gas)：温度高于临界温度、压力低于临界压力。液体(Liquid)：温度低于临界温度、压力低于临界压力。蒸气(Vapor)：温度低于临界温度、压力低于临界压力。凝聚态(Condensation)：液体和固体的统称。超临界流体(Supercritical fluid)：温度高于临界温度、压力高于临界压力。气体、液体、超临界流体性质对比性质气体超临界流体液体密度/g·cm-3 (0.6~2)×10-3 0.2~0.9 0.6~1.6 黏度/g·cm-1·s-1 (1~3)×10-4 (1~3)×10-4 (0.2~3)×10-2 扩散系数/cm2 ·s-1 0.1~0.4 (0.2~0.7)×10-3 (0.2~3)×10-5 超临界流体：密度比气体大数百倍，与液体相当；黏度与气体相当，比液体小2 个数量级；扩散比气体小2个数量级，比液体大2个数量级。超临界流体：既具有液体对溶质溶解度大的特点，又具有气体易运动和扩散的特性，传质速率大大高于液相。 p v TC C 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 32 一、流体热物性：热物理性质：与热有关的物理性质。 Thermophysical Property 通常可分为：平衡性质、非平衡性质、其他性质 0.4 流体热物理性质 1. 平衡性质 Equilibrium Property 或称热力学性质 Thermodynamic Property pvT性质、临界性质(Critical Property)、密度(Density) 、压缩因子 (Compressibility Factor) 、维里系数(Virial Coefficient) 、音速(Speed of Sound) 、焓(Enthalpy) 、熵(Entropy) 、偏心因子(Acentric Factor ) 、表面张力(Surface Tension)等。如果物质处于多相系，相平衡性质：化学势(Chemical Potential) 、逸度 (Fugacity)、溶解度(Solubility) 、活度(Activity)等。研究和工程应用示例：1. 新型环保节能工质开发和应用（制冷和内燃工质） 2. 天然气西气东输工质压力选择 3. 强化传热、相变工质选择等

9 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 33 0.4 流体热物理性质 2. 非平衡性质 Non-equilibrium Property 或称迁移性质 Transport Property 黏度(Viscosity)、导热系数(Thermal Conductivity) 、扩散系数 (Diffusion Coefficient) 等。研究和工程应用示例：1. 工质的流动性能 2. 工质的传热性能 3. 工质的扩散性能 y d j k dy    动量P 粘度速度梯度 dv/dy 热量Q 导温系数 a（λ）温度梯度 dt/dy 质量M 质扩散系数 D 浓度梯度 dρ/dy 电量Q 导电系数 ρ0 电压梯度 du/dy  3. 其他性质光学性质 Optical Property 光反射、衍射、吸收性质辐射性质 Radiative Property 辐射能的吸收、反射、穿透性质热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 34 二、流体热物性研究概况与科学发展相伴而生。水的蒸发、凝结等 0.4 流体热物理性质 1. 研究对象六十年代之前：水、化工原料（烃类、氟利昂、燃料等便捷物质）七十年代：代用燃料（石油危机）八十年代：代用氟利昂、环保材料（环境问题）二十一世纪：新型环保节能材料（环保、节能问题） 2. 研究思路实验测量：pvT性质、临界性质、密度、音速、表面张力、蒸气压比热、黏度、导热系数、扩散系数理论研究：经验公式：状态描述压差描述理论公式：半经验半理论：——主要方法 f p v t ( , , ) 0  ( ) s p f T  Δp f l d  ( , ) f p v T ( , , ) 0  h f p T  ( , ) s f p T  ( , ) ( ) s p f T  热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 35 0.4 流体热物理性质 PVTx性质研究示例：高精度PVTx测试系统 By：谭连城教授阴建民教授刘志刚教授吴江涛教授等 R152a方程EOS： CO2 方程：               r r 1.6 2 4 2 2 3 r 1 r 2 3 r 4 r r 5 r 6 7 r r c 2 4 2 5 8 r 9 10 r r 11 r 12 13 r r 2 6 2 7 14 r 15 16 r r 17 18 r r 19 20 r 21 22 / / / + / / + / / + / / T p AT A A T A T A T A A T Z A T A A T A T A A T A T A A T A A T A A T A A T                                2 r 2 2 3 2 r r r r r 1 / e T                   , , , , A T o r RT                      8 1 2 3 4 , ln ln ln 1 exp o o o o o o i i i       a a a a                  2 2 7 34 39 42 1 8 35 40 ci i i i i i i i i i i i r d t d t d t b i i i i i i i i n n e n e n                                  阴建民，谭连城，陈学俊. 工程热物理学报，1993, 14(4): 349-352 R. Span and W. Wagner. J. Phys. Chern. Ref. Data, 1996, 25(6): 1509-1596 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 36 0.4 流体热物理性质临界性质研究示例：临界乳光流动法临界性质测量系统图 cT c ref j j i j ij j i j T y T y y τ      T cT c ref j j i j ij j i j p y p y y k p      2 3 4 ψ A Bδ Cδ Dδ E      δ c c ij i j m ψ b b   2 c c c c i j i j b b δ b b    m=τ或k b=T或p 预测模型 Method Li Chueh- Prausnitz This work AARD/% 2.73 1.02 1.29 需要临界密度值与文献精度相当 Liu Yang, Zhang Ying, He Maogang*, Xin Nan. Journal of Chemical & Engineering Data, 2014, 59(11): 3852- 3857 Maogang He*, Yang Liu, Xiangyang Liu. Fluid Phase Equilibria, 2017, 441(6):2-8

10 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 37 0.4 流体热物理性质 ? ? ? 毛细管法黏度测量系统实验本体黏度研究示例： Eyring模型   *, l l s l l ln p V G V RT             * exp hN F V RT          2 0 1 2 1 ( ) ( ) exp R A B T P B T P RT                   s s vap l vap l s l exp exp RT H Z Z V RT                     压力对活化能影响改进方向 Martins模型 Li 模型 Ricardo 模型活化能空穴的形成能引入参考态 p0    c r l 2 c l 1 2 r l l l r exp p Z c b a a T Z Z Z d T                    0 l r ln c b d T          *, 2 s s 1 2 r l l l l s l l ln p V G a a T pV p V V RT                1 11 12 a a a n   a a a n 2 21 22   11 12 b b b n   11 12 c c c n   11 12 d d d n   普适化参数碳原子数 Chenyang Zhu, Feng Yang, Xiangyang Liu, Waheed Afzal, Maogang He*. Fuel, 2019, 241(4): 218-226 XiangYang Liu, Mao Gang He*, Ying Zhang. Journal of Supercritical Fluids, 2012, 63(3): 150-154 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 38 0.4 流体热物理性质动态光散射法导热系数测量光路图导热系数实验装置： Sheng Wang, Ying Zhang, Maogang He*, Shi Zhang, Xiong Zheng. Fluid Phase Equilibria, 2014, 376: 202-209 1 d 1 1 dln d 3 d ln p p p dV T V dT V                                     = / 0 b b c  A T T p p  , 0 ,   1 1 = sign - n n i T i j p j i j A n p p n        引入压力影响集团贡献大小序列 Liu Xiangyang, Wang Chengjie, Lan Tian, He Maogang*, Zhang Ying. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(15): 6022-6032 热导率预测结果热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 39 0.4 流体热物理性质比热容测量装置比热容实验装置： Maogang He*, Chao Su, Xiangyang Liu, Xuetao Qi. Journal of Chemical & Engineering Data, 2014, 59(12): 4200-4204 res SRK assoc dd A A A A = + + Polar CPA (PCPA)： dd dd 2 dd dd 3 2 1 A A A A   (Jog and Chapman极性项) 1 T T p k             2 res id 2 v p + v F C T C R T            2 v p v T T C C k     2 T A p            Chenyang Zhu, Maogang He, Xiangyang Liu*, Georgios M. Kontogeorgis, Xiaodong Liang. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2021, 9(22): 7602-7619 热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE Advanced Engineering Thermodynamics 40 0.4 流体热物理性质全息干涉法扩散系数测量系统质扩散系数实验装置：先进热物性测试与表征平台TPMC Yuqi Su, Taotao Zhan, Xiangyang Liu, Maogang He, Zhang Ying*. The Journal of Chemical Thermodynamics, 2021, 157(6): 106401               2 3 D 2 e real 2 3 * 1 1 3 * * *2 2 3 4 A * 1 2 3 8 1 1 exp A 1 A 1 exp 3 4 A exp 1 B a k T A n m D a T a a T                                                             0C LJC * * * * * * *1.5 ( ) / ( , ) ( , , ) ( , , ) / D D g F T G N T H N T T       自由体积理论扩散系数计算模型分子形状和尺寸修正纯质计算结果优于现有模型混合物计算结果优于现有模型 He Maogang*, Guo Ying, Zhong Qiu, Zhang Ying. Fluid Phase Equilibria, 2010, 291(2): 166-173