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Department of EnergyFundamentals HandbookTHERMODYNAMICS, HEAT TRANSFER,AND FLUID FLOWModule 1Thermodynamics

ThermodynamicsTABLE OF CONTENTSTABLE OF CONTENTSLIST OF FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ivLIST OF TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viiREFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viiiOBJECTIVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xTHERMODYNAMIC PROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Mass and Weight . . . . . . . . . . . .Specific Volume . . . . . . . . . . . .Density . . . . . . . . . . . . . . . . . .Specific Gravity . . . . . . . . . . . .Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . .Intensive and Extensive PropertiesSummary . . . . . . . . . . . . . . . . .1334445TEMPERATURE AND PRESSURE MEASUREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Temperature . . . . .Temperature ScalesPressure . . . . . . . .Pressure Scales . . .Summary . . . . . . .669912ENERGY, WORK, AND HEAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . .Potential Energy . . . . . . . . . . .Kinetic Energy . . . . . . . . . . . .Specific Internal Energy . . . . . .Specific P-V Energy . . . . . . . .Specific Enthalpy . . . . . . . . . .Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . .Energy and Power EquivalencesSummary . . . . . . . . . . . . . . . .Rev. 0.Page i.1414151617181819222325HT-01

TABLE OF CONTENTSThermodynamicsTABLE OF CONTENTS (Cont.)THERMODYNAMIC SYSTEMS AND PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Thermodynamic Systems and SurroundingsTypes of Thermodynamic Systems . . . . . .Thermodynamic Equilibrium . . . . . . . . . . .Control Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Steady State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Thermodynamic Process . . . . . . . . . . . . . .Cyclic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Reversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . . .Irreversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . .Adiabatic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . .Isentropic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . .Polytropic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . .Throttling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . .Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2627272727282828282929292930CHANGE OF PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Classification of Properties . . . . .Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . .Saturated and Subcooled Liquids .Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Moisture Content . . . . . . . . . . . .Saturated and Superheated VaporsConstant Pressure Heat Addition .Critical Point . . . . . . . . . . . . . .Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Sublimation . . . . . . . . . . . . . . .Triple Point . . . . . . . . . . . . . . .Condensation . . . . . . . . . . . . . .Summary . . . . . . . . . . . . . . . . .31333334353535363637373839PROPERTY DIAGRAMS AND STEAM TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Property Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . .Pressure-Temperature (P-T) Diagram . . .Pressure-Specific Volume (P-v) DiagramPressure-Enthalpy (P-h) Diagram . . . . . .Enthalpy-Temperature (h-T) Diagram . . .HT-01.Page ii.4142434445Rev. 0

ThermodynamicsTABLE OF CONTENTSTABLE OF CONTENTS (Cont.)Temperature-Entropy (T-s) Diagram . . . .Enthalpy-Entropy (h-s) or Mollier DiagramSteam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46474752FIRST LAW OF THERMODYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68SECOND LAW OF THERMODYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Second Law of Thermodynamics . . . .Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Carnot’s Principle . . . . . . . . . . . . . .Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . .Diagrams of Ideal and Real ProcessesPower Plant Components . . . . . . . . .Heat Rejection . . . . . . . . . . . . . . . .Typical Steam Cycle . . . . . . . . . . . .Causes of Inefficiency . . . . . . . . . . .Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69707171777885909596COMPRESSION PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Boyle’s and Charles’ Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ideal Gas Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Compressibility of Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Constant Pressure Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Constant Volume Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Effects of Pressure Changes on Fluid Properties . . .Effects of Temperature Changes on Fluid PropertiesSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97989999100100100101102APPENDIX A Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1Rev. 0Page iiiHT-01

LIST OF FIGURESThermodynamicsLIST OF FIGURESFigure 1Comparison of Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Figure 2Pressure Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Figure 3Intensive Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figure 4Piston-Cylinder Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figure 5Vapor Pressure Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figure 6T-V Diagram Showing the Saturation Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figure 7T-V Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figure 8Pressure-Temperature Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figure 9P-T Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figure 10 P-v Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figure 11 P-h Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figure 12 h-T Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figure 13 T-s Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figure 14 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Figure 15 Control Volume Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Figure 16 Open System Control Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figure 17 Open System Control Volumes (Cont.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figure 18 Mulitple Control Volumes in Same System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figure 19 T-s Diagram with Rankine Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61HT-01Page ivRev. 0

ThermodynamicsLIST OF FIGURESLIST OF FIGURES (Cont.)Figure 20 Typical Steam Plant Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figure 21 Carnot Cycle Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Figure 22 Real Process Cycle Compared to Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Figure 23 Control Volume for Second Law Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Figure 24 Expansion and Compression Processes on T-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 78Figure 25 Expansion and Compression Processes on h-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 78Figure 26 Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Figure 27 Comparison of Ideal and Actual Turbine Performances . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Figure 28 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Figure 29 Carnot Cycle vs. Typical Power Cycle Available Energy . . . . . . . . . . . . . . . 86Figure 30 Ideal Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Figure 31 Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Figure 32 Rankine Cycle with Real v.s. Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Figure 33 Rankine Cycle Efficiencies T-s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Figure 34 h-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Figure 35 Typical Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Figure 36 Steam Cycle (Ideal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Figure 37 Steam Cycle (Real) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Figure 38 Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Figure 39 Ideal Gas Constant Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Figure 40 Pressure-Volume Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Rev. 0Page vHT-01

LIST OF FIGURESThermodynamicsLIST OF FIGURES (Cont.)Figure A-1 Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1Figure A-2 Sample Steam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Figure A-3 Thermodynamic Properties of Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5Figure A-4 Thermodynamic Properties of CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .HT-01Page viA-7Rev. 0

ThermodynamicsLIST OF TABLESLIST OF TABLESNONERev. 0Page viiHT-01

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