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工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)水蒸氣第一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日本章基本要求教學(xué)目標(biāo):了解工程實(shí)際中,水蒸氣的產(chǎn)生及使用狀況。知識(shí)點(diǎn):水蒸氣的定壓發(fā)生過(guò)程;水蒸氣表和圖;水蒸氣的基本熱力過(guò)程。重點(diǎn):
水的定壓汽化過(guò)程和學(xué)會(huì)使用水蒸氣的p-v圖及T-s圖、h-s圖難點(diǎn):水蒸氣是實(shí)際氣體,只能通過(guò)查熱力學(xué)性質(zhì)圖表進(jìn)行各種熱力過(guò)程的計(jì)算。第二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日實(shí)際氣體-----水蒸汽水蒸汽在空氣中含量極小,當(dāng)作理想氣體.一般情況下,為實(shí)際氣體,使用圖表.18世紀(jì),蒸汽機(jī)的發(fā)明,是唯一工質(zhì);直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明,才有燃?xì)夤べ|(zhì);目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì)優(yōu)點(diǎn):便宜,易得,無(wú)毒,熱力性能穩(wěn)定,
膨脹性能好,傳熱性能好,流動(dòng)性好。是其它實(shí)際氣體的代表。第三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日第一節(jié)基本概念一、汽化:物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成汽態(tài)的過(guò)程,稱(chēng)為汽化。
在蒸汽循環(huán)中,給水進(jìn)入鍋爐后變成飽和或過(guò)熱蒸汽的過(guò)程就是汽化過(guò)程。汽化方式有兩種:1)蒸發(fā);2)沸騰。使水汽化的方法:1)加熱升溫;2)降壓擴(kuò)容。
如:給水泵入口汽蝕問(wèn)題?第四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日第一節(jié)基本概念1、蒸發(fā)——在液體表面進(jìn)行的汽化現(xiàn)象。特點(diǎn):它能在任何溫度下進(jìn)行;液體的蒸發(fā)速度取決于液體的性質(zhì)、液體的溫度、蒸發(fā)表面積和液面上氣流的流速。如冷卻塔中冷卻水的蒸發(fā)。第五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日冷卻塔中水的蒸發(fā)第六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日2、沸騰沸騰——在液體內(nèi)部進(jìn)行的汽化現(xiàn)象。工業(yè)上大都用此方法獲得蒸汽。特點(diǎn):有汽泡產(chǎn)生;在一定的壓力下,液體沸騰時(shí)的溫度(沸點(diǎn))是一定的。如:在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水的沸點(diǎn)是l00℃,酒精的沸點(diǎn)為78℃;而在1MPa時(shí)水的沸點(diǎn)為179.88℃,在20MPa時(shí)水的沸點(diǎn)為365.71℃。第七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日二、凝結(jié)(液化)概念:物質(zhì)從汽態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)的過(guò)程,稱(chēng)為液化.特點(diǎn):在一定壓力下,蒸汽的溫度(低)等于沸點(diǎn)時(shí),才可能出現(xiàn)凝結(jié)。使凝結(jié)的方法:
1)定壓降溫冷卻;2)升壓
液化和汽化是物質(zhì)相態(tài)變化的兩種相反過(guò)程,實(shí)際上,在密閉容器內(nèi)進(jìn)行的汽化過(guò)程,總是伴隨液化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。第八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日揮發(fā)主要強(qiáng)調(diào)蒸發(fā)的速度快慢,而且是常溫下。比如濃鹽酸具有揮發(fā)性,就是說(shuō)常溫常壓下,濃鹽酸會(huì)迅速大量蒸發(fā)出HCl氣體。蒸發(fā)主要強(qiáng)調(diào)從液體變氣體的過(guò)程,任何液體任何溫度都存在蒸發(fā)現(xiàn)象蒸發(fā)與揮發(fā)第九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日三、飽和狀態(tài)液體分子脫離其表面的汽化速度汽體分子回到液體中的凝結(jié)速度=這時(shí)液體與蒸汽處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),稱(chēng)為飽和狀態(tài)飽和水飽和蒸汽t
sp
s飽和水飽和蒸汽1、飽和狀態(tài):汽、液兩相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。第十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日三、飽和狀態(tài)2、飽和狀態(tài)的特點(diǎn):1)汽液共存,2)汽液同溫,3)飽和壓力ps和飽和溫度ts成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。第十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日3、飽和壓力與飽和溫度飽和壓力:在飽和狀態(tài)下的水和水蒸汽的壓力PS飽和溫度:在飽和狀態(tài)下的水和水蒸汽的溫度tS
ts上升,ps上升;
ps上升,ts上升。結(jié)論:一定的飽和溫度對(duì)應(yīng)于一定的飽和壓力,反之也成立,即兩者間存在單值關(guān)系。psts第十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日3、飽和壓力與飽和溫度青藏ps=0.6barts=85.95℃高壓鍋ps=1.6barts=113.32℃飽和壓力飽和溫度一一對(duì)應(yīng)飽和壓力ps(MPa)飽和溫度ts(℃)0.00532.881179.9210311.0420365.7922.064374第十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日過(guò)熱階段水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程汽化階段預(yù)熱階段未飽和水飽和水濕飽和蒸汽干飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽一、水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程
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vt<tst>tst=tst=ts
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pvx第二節(jié)水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程第十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日水蒸汽的定壓產(chǎn)生過(guò)程參數(shù)變化特點(diǎn)t<tst=tst=tst=tst>tsv0<v’v=v’v=v’’v’<vx<v’’v>v’’未飽和水飽和水濕蒸汽干蒸汽過(guò)熱蒸汽h0<h’h=h’h=h’’h’<hx<h’’h>h’’s0<s’s=s’s=s’’s’<sx<s’’s>s’’水預(yù)熱汽化過(guò)熱v↑h↑s↑
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pvx第十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日五個(gè)狀態(tài):未飽和水a(chǎn)飽和水b濕飽和水蒸汽c干飽和水蒸汽d過(guò)熱水蒸汽e。三個(gè)階段:
預(yù)熱階段a-b:t0未飽和水→ts飽和水。t↑,v↑。汽化階段b-d:ts飽和水→ts干飽和水蒸汽。v↑,t和p均不變。其間為汽液混合的濕飽和蒸汽。過(guò)熱階段d-e:ts干飽和水蒸汽→t過(guò)熱水蒸汽。t↑,v↑。ssxs’ss”Tsvav’v”vxvs0pTabcedebavcd第十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日未飽和水(過(guò)冷水)飽和水注意比較v0和v′的大?。∵@個(gè)階段所需的熱量稱(chēng)為液體熱ql1、預(yù)熱階段過(guò)冷度Δt=t-ts第十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日飽和水注意比較v′和v″的大?。瘢柡停┱羝桑柡停┱羝麨槭裁此钠A段壓力不變,溫度也保持不變呢?這個(gè)階段所需的熱量稱(chēng)為汽化潛熱:r=h"-h'2、汽化階段第十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日干度x:濕蒸汽中飽和蒸汽所占的質(zhì)量百分比。顯然:
x+y=1
飽和水的x=0;干蒸汽的x=1濕度y:濕蒸汽中飽和水所占的質(zhì)量百分比。mvmW濕蒸汽的干度和濕度第十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日干飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽過(guò)熱度:D=t-ts這個(gè)階段所需的熱量稱(chēng)為過(guò)熱熱:qs=h-h"過(guò)熱度:D=t-ts3、過(guò)熱階段第二十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日水的定壓預(yù)熱階段:aTs液體熱飽和水的定壓汽化過(guò)程:汽化潛熱干蒸汽的定壓過(guò)熱過(guò)程:過(guò)熱熱qs=h-h"bcde整個(gè)水蒸汽產(chǎn)生過(guò)程吸熱量(1kg水):4、水蒸汽定壓產(chǎn)生過(guò)程總吸熱量第二十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日二、水蒸汽的p-v與T-s圖第二十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日二、水蒸汽的p-v與T-s圖二線(xiàn)(均為飽和曲線(xiàn))下界線(xiàn)(飽和水線(xiàn))CM上界線(xiàn)(干飽和蒸汽線(xiàn))CN三個(gè)區(qū)域:液態(tài)區(qū)(下界線(xiàn)左側(cè))、濕蒸汽區(qū)(飽和曲線(xiàn)內(nèi))、汽態(tài)區(qū)(上界線(xiàn)右側(cè))。一點(diǎn):臨界點(diǎn)c:上、下界線(xiàn)的交點(diǎn).將各種壓力下水蒸氣的定壓產(chǎn)生過(guò)程線(xiàn)集中表示在p-v圖和T-s圖上而得到。sT第二十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日水、汽差別消失,汽化在瞬間完成,汽化熱為零;在臨界溫度以上,單純壓縮不能使其液化(即tc是最高的飽和溫度);在臨界壓力及以上加熱時(shí),當(dāng)達(dá)到臨界溫度時(shí)汽化在瞬間完成(即水的定壓加熱過(guò)程只有兩個(gè)階段)水蒸氣的臨界參數(shù)為:臨界點(diǎn)的各狀態(tài)參數(shù)臨界點(diǎn)C的特點(diǎn)臨界壓力臨界溫度臨界比容第二十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日水的p-t相圖固-液液體固體三相點(diǎn)蒸汽固-汽液-汽Cpt氣體(汽化曲線(xiàn))(熔解曲線(xiàn))(升華曲線(xiàn))臨界點(diǎn)611.2Pa0.01℃22.115MPa374℃第二十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日小結(jié)T一點(diǎn):臨界點(diǎn);
二線(xiàn):飽和水線(xiàn)、干飽和蒸汽線(xiàn);三區(qū):未飽和水區(qū)、濕飽和蒸汽區(qū)、過(guò)熱蒸汽區(qū);五態(tài):未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽.vpsT第二十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日安德魯試驗(yàn)結(jié)果一點(diǎn)兩線(xiàn)三區(qū)五態(tài)一點(diǎn)物質(zhì)的臨界點(diǎn)兩線(xiàn)飽和蒸汽狀態(tài)連線(xiàn)(上界限線(xiàn))飽和液體狀態(tài)連線(xiàn)(下界限線(xiàn))三區(qū)汽態(tài)區(qū):上界限線(xiàn)與臨界等溫線(xiàn)上段右側(cè)區(qū)域液態(tài)區(qū):下界限線(xiàn)與臨界等溫線(xiàn)上段左側(cè)區(qū)域濕蒸汽區(qū):上、下界限線(xiàn)之間的鍾罩形區(qū)域第二十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日五態(tài)過(guò)熱蒸汽:一定壓力下,溫度高于對(duì)應(yīng)飽和溫度的蒸汽。或者說(shuō):一定溫度下,壓力低于飽和蒸汽壓的蒸汽。飽和蒸汽:一定壓力下,溫度等于對(duì)應(yīng)飽和溫度的蒸汽?;蛘哒f(shuō):一定溫度下,壓力等于飽和蒸汽壓的蒸汽。濕蒸汽:飽和蒸汽與飽和液體的機(jī)械混合物。飽和液體:一定壓力下,溫度等于對(duì)應(yīng)飽和溫度的液體。或者說(shuō):一定溫度下,壓力等于飽和蒸汽壓的液體。未飽和液體:一定壓力下,溫度低于對(duì)應(yīng)飽和溫度的液體?;蛘哒f(shuō):一定溫度下,壓力高于飽和蒸汽壓的液體。第二十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日飽和線(xiàn)、三相線(xiàn)和臨界點(diǎn)pv飽和氣線(xiàn)三相線(xiàn)飽和液線(xiàn)飽和固線(xiàn)T臨界點(diǎn)一點(diǎn)兩線(xiàn)三區(qū)五態(tài)第二十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日思考題1.
有沒(méi)有400℃的水?2.有沒(méi)有0℃的水蒸汽?3.有沒(méi)有1℃的冰?4.會(huì)有600Pa的液態(tài)水存在嗎?答案:1.沒(méi)有;2.有;3.沒(méi)有;4.沒(méi)有.第三十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日思考題沒(méi)有。t>374.16℃有2.有沒(méi)有500oC的水?1.北方冬天晾在外邊的衣服,是否經(jīng)過(guò)液相3.有沒(méi)有-3℃的水蒸氣?4.一密閉容器內(nèi)有水的汽液混合物,對(duì)其加熱,是否一定能變成水蒸氣?第三十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日第三節(jié)水蒸氣表和h-s圖常用的水蒸氣熱力性質(zhì)表有兩種:①飽和水與飽和水蒸汽表以溫度為序,附表3
以壓力為序,附表4
②未飽和水與過(guò)熱蒸汽表,附表5第三十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)確定的原則3、未飽和水及過(guò)熱蒸汽確定任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù),如:p、T1、飽和水和干飽和蒸汽確定p或T2、濕飽和蒸汽除p或T外,其它參數(shù)與兩相比例(干度)有關(guān)第三十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日飽和參數(shù)的確定已知溫度飽和壓力ps比體積:v'v"焓:h'h"熵:s's"汽化潛熱:r=h"-h'查附表三已知壓力飽和溫度ts比體積:v'v"焓:h'h"熵:s's"汽化潛熱:r=h"-h'
查附表四飽和水飽和水干蒸汽干蒸汽第三十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日飽和水和飽和蒸汽溫度t(℃)壓力P(MPa)比容焓汽化潛熱r(kJ/kg)熵v’(m3/kg)v”(m3/kg)h’(kJ/kg)h”(kJ/kg)s’(kJ/kg·K)s”(kJ/kg·K)00.0006110.0010002206.312-0.042501.02501.0-0.00029.15650.010.0006120.00100022206.1750.000612501.02501.00.00009.156210.0006570.0010001192.6114.172502.82498.60.01529.129840.0008140.0010000157.26716.802508.32491.50.06009.0514500.0123450.001012112.048209.262591.82382.50.70358.077135016.5210.00174070.0088221672.92566.1893.23.78165.214937021.0330.0022310.0049581896.22335.7439.54.11984.8031373.9922.0640.0031060.0031062085.92085.870.04.40924.4092P168附表3(按溫度排列)第三十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日飽和水和飽和蒸汽P171附表4(按壓力排列)壓力P(MPa)溫度t(℃)比容焓汽化潛熱r(kJ/kg)熵v’(m3/kg)v”(m3/kg)h’(kJ/kg)h”(kJ/kg)s’(kJ/kg·K)s”(kJ/kg·K)0.0016.94910.0010001129.18529.212513.292484.10.10568.97350.00532.87930.001005328.191137.722560.552422.80.47618.39300.10099.6340.00104321.6943417.522675.142257.61.30287.35891.00179.9160.00112720.19438762.842777.672014.82.13886.585910.0311.0370.00145220.0180261407.22724.461317.23.35915.613918.0357.0340.00180420.0075031732.22509.45777.43.87155.105120.0365.7890.00203790.0058701827.22413.05585.94.01534.932222.064373.0990.0031060.0031062085.92085.870.04.40924.4092第三十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日濕蒸汽參數(shù)的確定
由于濕飽和蒸汽實(shí)質(zhì)上是干飽和蒸汽與飽和水的混合物,因此其熱力學(xué)能、焓、熵及容積可表示為引入干度的關(guān)系式,可得
即,如已知濕飽和蒸汽干度x,即可利用飽和水及干飽和蒸汽的狀態(tài)參數(shù),求得濕飽和蒸汽的相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值。
第三十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日未飽和水和過(guò)熱蒸汽表的應(yīng)用已知壓力和溫度查其它狀態(tài)參數(shù)。注意:粗黑線(xiàn)上方為未飽和水的參數(shù),粗黑線(xiàn)下方為過(guò)熱蒸汽的參數(shù)。已知壓力和溫度比體積:v焓:h熵:s汽化潛熱:r查附表五未飽和水或過(guò)熱蒸汽的參數(shù)第三十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日未飽和水和過(guò)熱蒸汽表(節(jié)錄)飽和參數(shù)第三十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日三、計(jì)算步驟1、先確定狀態(tài)已知(p,t)tst>ts過(guò)熱蒸汽
t<ts未飽和水
已知(p,v)v’,v”v’<v<v”
濕蒸汽
v<v’
未飽和水
v>v”
過(guò)熱蒸汽
xSx,hx2、根據(jù)狀態(tài)查相應(yīng)的圖或表,濕蒸汽查飽和水與飽和蒸汽表,再利用干度公式求出。3、熱力學(xué)能利用公式u=h-pv求得。t=ts飽和水、飽和蒸氣第四十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日(x1,y1)(x,y)(x2,y2)XY熱力學(xué)性質(zhì)表很簡(jiǎn)單,它是把熱力學(xué)性質(zhì)以一一對(duì)應(yīng)的表格形式表示出來(lái),其特點(diǎn)表現(xiàn)在:對(duì)確定點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,但對(duì)非確定點(diǎn)需要內(nèi)插計(jì)算,一般用直線(xiàn)內(nèi)插。
直線(xiàn)內(nèi)插法第四十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日例P=0.5Mpa,v=0.36m3/kg,確定狀態(tài),并求出溫度、比焓、比熱力學(xué)能和比熵。
查飽和水與飽和蒸汽表ts=151.867C,v’=0.0010925m3/kg,v”=0.37486m3/kg解:濕蒸汽h’=640.35kJ/kg,h”=2748.59kJ/kgs’=1.8610kJ/(kgK),s”=6.8214kJ/(kgK)第四十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日例題分析例:已知:水泵進(jìn)口pg=0.05MPa,t=115℃,設(shè)pb=0.1MPa.試判斷水泵進(jìn)口水汽化沒(méi)有?解:根據(jù)p=pg+pb=0.15MPa,查得ts=111.378℃.而t=115℃>ts,表明水泵進(jìn)口水已沸騰汽化,還稍為有點(diǎn)過(guò)熱。(汽蝕現(xiàn)象)第四十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日例題分析例:已知鍋爐壓力為p=10MPa,進(jìn)口工質(zhì)溫度為t1=240℃,出口t2=500℃,試確定進(jìn)、出口工質(zhì)狀態(tài)和v、h、s。解:根據(jù)p=10MPa,查得ts=311.037℃.(1)進(jìn)口:t1=240℃<ts,為未飽和水狀態(tài)。(2)出口:t2=500℃>ts,為過(guò)熱蒸汽狀態(tài)。查附表,得第四十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日二、焓熵圖(h-s圖)
1、h-s圖的結(jié)構(gòu):C—臨界點(diǎn),x=0線(xiàn),x=1線(xiàn);定壓線(xiàn)、定溫線(xiàn)和定容線(xiàn),在飽和區(qū)內(nèi)還有定干度線(xiàn)。定焓線(xiàn)群——一一組水平線(xiàn)定熵線(xiàn)群——一一組垂直線(xiàn)定壓線(xiàn)群——在h-s圖上呈發(fā)散分布。濕蒸汽區(qū)內(nèi),定壓線(xiàn)為一簇斜率不同的直線(xiàn);在過(guò)熱蒸汽區(qū),定壓線(xiàn)趨于陡峭定溫線(xiàn)群——濕蒸汽區(qū)內(nèi),與定壓線(xiàn)重合;在過(guò)熱蒸汽區(qū),與定壓線(xiàn)自干蒸汽線(xiàn)處分開(kāi)后逐漸趨于平坦定容線(xiàn)群——走向與定壓線(xiàn)相似,但比定壓線(xiàn)稍陡。定干度線(xiàn)群——一組干度等于常數(shù)的曲線(xiàn)x=1pvThsx第四十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日焓熵圖hsCx=1x=0pvTx第四十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日h-s圖第四十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日h軸——1小格代表5kJ/kg;s軸——1小格代表0.01kJ/(kg.K).(1)查取狀態(tài)參數(shù):①查干蒸汽參數(shù):如p與x=1相交;②查濕蒸汽參數(shù):如p與x相交;③查過(guò)熱蒸汽參數(shù):如p與t相交。(2)分析并計(jì)算水蒸氣的熱力過(guò)程2、h-s圖使用第四十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日例題分析例:應(yīng)用h-s圖確定下列水蒸氣的h、s、v:(1)p1=1MPa,x1=0.95;(2)t2=250℃的干蒸汽;(3)p3=13MPa,t3=535℃.解:查h-s圖,得(1)h1=2675kJ/kg,s1=6.36kJ/(kg.K),v1=0.185m3/kg;(2)h2=2800kJ/kg,s2=6.07kJ/(kg.K),v2=0.05m3/kg;(3)h3=3435kJ/kg,s3=6.56kJ/(kg.K),v3=0.026m3/kg.第四十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日第四節(jié)水蒸氣的熱力過(guò)程
分析水蒸氣熱力過(guò)程的目的—確定過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,包括w、q以及Δu和Δh等。因此,需確定狀態(tài)參數(shù)的變化。確定過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的依據(jù)為熱力學(xué)第一、二定律:可用水蒸氣表及圖,依照過(guò)程的特點(diǎn)來(lái)確定各狀態(tài)的參數(shù)。
一、定容過(guò)程
v1=v2,于是可得:
第五十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日
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