《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）

工部平业进大中0.3热力学茗本定律盈其座用0.3热力学基本定律及其皮用此外：闭口系热力系统稳定流动系第零定律如果两个热力系分别与第三个热力系能处于热平者，孤立系则达两个热力系能必然外于热平研充对拿富：为摄度期筑定了理论基抽，故加胃尺于量长座一样，不国买直描比收，基本过程：定压、定客、定温、定只要用尺子分别质量，在温度用量中的“尺子”就是退度计过气体和蒸气的流动过程温度是难定一个系族是香与其做系旋处于热平物的快事面做。判提压气机工作过视第三定律不可能用现有手股和租序使得一个物体冷却刷换对温度零度。气体动力摄环环装量图、-图、T-s图燕汽动力德环热效本意文：尚始对现应物于零时，物的情等于学，兜带了随的能计力学看备，捷高热效率的方法游婚环科举上能随人行超尽办法尽可管接近的对零道度，5×101K工理业力号版工场分号手老意进手4发业0.4盗体热物理性服0.4流体热物理性质国中状态方程：PV=RT工程热力学中工质性质部分的回顾：=F(7)≤const:比热方程：指工质的、V、T、、h、等有原厚得土大，19号热力学能：AW=CA理想气体工质的性质纯质（如OCO，等）结方程：理想气体M=C,AT几0性质计算混合物（如空气等）()(A)方程：aC.AP-ZA道尔频分压力定理A=XP纯质（如HO、NH等）实际气体亚变加特分体积定理：YEKV-x混合物（如温空气等）6

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

平业进欢电0.4流体能物理性露0.4流体物理性质饱和水和饱和水蒸气热力性质表（按温度排列地和性质衰RkLVkkLk过冷液体和过热气性质表0.00061120.00100022206.1542500.512500.6-9.1544实际气体-0.050.00020.00122790.00100034106.3442.002518.902476,90.15108.8988性质计算结一铺围、温一满图0.00233852537,202453,30.29638.66520.0010018557.78683.86压一炫图0.004245125.682555.358.45143001004422429.70.43668.25512573.362405,90.57230.00738167.50温图0.01234460.0010121612.036209,332591,192381.90.70388.074工力，工程作力部手4发业大0.4盗体热物理性膜0.4凉体换物理性未饱和水和过热水蒸气热力性质表烙一端图0.1MPa(099.634°C)tPC0.0010431mzN41752kgs1302sukgky=1.6943mkgw2675.1k/kgs7.3589k/kg.K烟0.00100020.05-0.00020.0010078167.590.5723D-KT800.0010290334.971.0753冷湿1201.79312716.37.4661601,98382795.87.65902002.17232874.87.83342402.35942953.97.9940

7 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 25 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 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 26 t℃ p MPa v' m3 /kg v" m3 /kg h' kJ/kg h" kJ/kg r kJ/kg s' kJ/kg·K s" kJ/kg·K 0 0.0006112 0.00100022 206.154 -0.05 2500.51 2500.6 0.0002 -9.1544 10 0.0012279 0.00100034 106.341 42.00 2518.90 2476.9 0.1510 8.8988 20 0.0023385 0.00100185 57.786 83.86 2537.20 2453.3 0.2963 8.6652 30 0.0042451 0.00100442 32.899 125.68 2555.35 2429.7 0.4366 8.4514 40 0.0073811 0.00100789 19.529 167.50 2573.36 2405.9 0.5723 8.2551 50 0.0123446 0.00101216 12.036 209.33 2591.19 2381.9 0.7038 8.074 饱和水和饱和水蒸气热力性质表(按温度排列) 0.4 流体热物理性质 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 27 p 0.1 MPa (ts=99.634℃) t /℃ v' 0.0010431 m3 /kg v" 1.6943 m3 /kg h' 417.52 kJ/kg h" 2675.1 kJ/kg s' 1.3028 kJ/kg·K s" 7.3589 kJ/kg·K 0 0.0010002 0.05 -0.0002 40 0.0010078 167.59 0.5723 80 0.0010290 334.97 1.0753 120 1.7931 2716.3 7.466 160 1.9838 2795.8 7.6590 200 2.1723 2874.8 7.8334 240 2.3594 2953.9 7.9940 未饱和水和过热水蒸气热力性质表 0.4 流体热物理性质 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 28 焓—熵图 温—熵图 压—焓图 焓—湿图 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

大电事业大理0.4流体能物理性器0.4流体能物理性质2.非平者性质No0-whrlumProperty二、流体热物性研究况迁等性量TransportProperty与科学发展相伴而生，水的源发，温盐器度用热高路ThemalConduetiwry），扩教教Wscosityh1.研究对款动量户粘度施度排座小小大十年代之首：水，化工原料（经类、氧利园、驱料等便物销膜）I热量Q导盟系放。（2)温度排皮diy七十年代：代用解料（石油意机）欣量M扩数系做D净度排皮dly八十年代：代用靠物耶，环象材料（环境网题）电压物度d/ity做纪：新量环保节能材料（环保、节管网量）电量Q导电系微A爵究物工程皮用示例：1工时童动性放2.研究思路之工质的传热性整实验测量：Pv7性膜、防界性量、寄度、窗速、表面张力、蒸气压主工质的扩散性能比热、散度、导热系放、扩散系放温抢研究：验公式：状高指速prn0P-)压热指述4p-Ady3其他性质通抢公式：A-0R-JT)光学性队f)光反射、街射、眼收性膜Optical Property半新验论：主要方法钢封性取驱射能的眼收、更射、享退性质RadiatnveProperty工力站地，工作力部手老意进手4发业0.4凉体养物理健膜0.4流体能物理性电视：承热址陈华使工热物ngLiRea监界性质研究示例：NPVT+性服研究示例R152a方智EOS:电1991144:39-35R-50+(4-+4+4+42+4+4+4)m-ER-EEOE4(+4+(+4+4L--E-4-ah+mm+-.+rmMgnSoll.nrpeCO,方量：re(a,r)-a()-+-a()-[1--ar))盗电前学用检R温胶器iaSa高物充PIT测试系装净R物FAARD%231.011.29B.SranadW.wurmr.nsCheraBrDatl1996,258c1508-卓大做的家物#9

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

电平业进0.4植体热物摄性器0.4流体能物温性质贴度研究示例：导热系数实验装量：新()( ()an.m(TIT'(P+A)sge(pa)2nk,1K-n1B上阳量黄大小BAbah.+haaglaneLiMeGangiY路导#63(31: 15-15.4CLALA248(4: 218-228工力站手4发业大0.4体热物理性服0.4体修费性质扩放系微实验装置：自由体国轮护散系服计算换器比热客实验装置：Polar CPA(PCPA)e分子民中品p--A"C.Ta5*TuaiSeTet82115716166BeManyYing, Zhong Qin,Zhuag Vie光设染物快城TP10

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