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1、1第 2 章 湿空气的物理性质及其焓湿图创造满足人类生产、生活和科学实验所要求的空气环境是通风空调工程的任务。湿空气既是空气环境的主体又是通风工程的处理对象，因此熟练掌握湿空气的物理性质及其焓湿图，是通风工程的必要基础。本章主要讲述湿空气的物理性质、状态参数及其焓湿图的应用。2.1 湿空气的物理性质2.1.1 空气的组成通风工程的媒介是空气，空气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，一般称之为湿空气。干空气的成分主要是氮（N 2） 、氧（O 2） 、氩（Ar） 、二氧化碳（CO 2）及其它微量气体；多数成分如氮（N 2） 、氧（ O2） 、氩（Ar）的含量比较稳定，少数成分如二氧化碳（CO 2
2、）的含量随季节变化有所波动，但从总体上可将干空气作为一个稳定的混合物来看待。为统一干空气的物理性质，便于工程计算，一般将海平面高度的清洁干空气成分作为标准组成。目前推荐的干空气标准成分见表 2-1 和图 2-1 所示。表 2-1 干空气标准成分气体成分（分子式） 体积百分比（%） 分子量（C-12 标准） 气体常数 R（J/kg.K）氮（N 2） 78.084 28.013 296.8143氧（O 2） 20.9476 31.9988 259.8429氩（Ar） 0.934 39.934 208.2100二氧化碳（CO 2） 0.0314 44.00995 188.9268氖（Ne） 0.00
3、1818 21.183 392.5157氦（He） 0.000524 4.0026 2077.3150氪（Kr） 0.000114 83.80 99.2203氙（Xe） 0.0000087 131.30 63.3257氢（H 2） 0.00005 2.01594 4124.4580甲烷（CH 4） 0.00015 16.04303 518.2724氧化氮（N 2O） 0.00005 44.0128 188.9146臭氧（O 3） 00.000007 夏季00.000002 冬季 47.9982 173.2286二氧化硫（SO 2） 00.0001 64.0828 129.7487二氧化氮（NO
4、 2） 00.000002 46.0055 180.7319氨（NH 4） 0微量 17.03061 488.2185一氧化碳（CO） 0微量 28.01055 296.8403碘（I 2） 00.000001 253.8088 32.7595氡（Rn） 610-13 *注：该表中气体成分随时间和场所的不同，有较大变化；*氡有放射能，由 Rn220 和n 222 两种同位素构成，因为同位素混合物的原子量变化，所以不作规定。 （Rn 220 半衰图 2 - 1 干 空 气 成 分 组 成 图氧 2 0 . 9 4 7 6 %氮 7 8 . 0 8 4 %氩 0 . 9 3 4 %二 氧 化 碳0
5、 . 0 3 1 4 % 惰 性 气 体0 . 0 0 3 %2期 54s，n 222 半衰期 3.83 日）2.1.2 湿空气的物理性质通风空调的空气成分与人们平时所说的“空气”实际是干空气加水蒸汽的混合物，即湿空气。在湿空气中水蒸汽的含量虽少，但其变化却对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要影响，且使湿空气的物理性质随之改变 4。因此研究湿空气中水蒸汽含量的调节在通风空调中占有重要地位。地球表面的湿空气中，尚有悬浮尘埃、烟雾、微生物及化学排放物等，由于这些物质并不影响湿空气的热力学特性，因此本章不涉及这些内容。1、压力空气分子永不停息、无规则的热运动对容器壁面产生的压强，习惯叫做空气的绝对静压
6、，是气体状态的基本参量之一。海平面的标准大气压为 101325Pa。压力的单位有 Pa、mbar 等，大气压力各单位之间的换算见表 2-2。表 2-2 大气压力单位换算表帕 /Pa 毫米水柱/mmH2O、kg/m 2毫巴 /mbar 毫米汞柱/mmHg 巴 /bar 物理大气压 /atm1 0.101972 10-2 7.5006210-3 10-5 9.8692310-69.80665 1 0.980665 7.3555910-2 9.8066510-5 9.6784110-5102 10.197162 1 7.5006210-1 10-3 9.8692310-4133.3224 13.59
7、51 1.333224 1 1.33322410-3 1.3157910-3105 1.019716104 103 7.50062102 1 9.8692310-1101325 1.033227104 1013.25 760 1.01325 1大气压力随海拔高度而变化，可由以下经验公式计算：，Pa （2-1）259.0)1057.2(HP式中 P0海平面大气压力，Pa；H海拔高度，m。当海平面 P0=101325Pa 时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，大气压力随海拔高度的变化如图 2-2 所示。大气压力值一般在士 5%范围内波动。-102345678456078901 大气压 P/k
8、a海 拔 高 度 /km图 2-2 大气压与海拔高度的关系湿空气各组分气体的分压力遵循道尔顿定律。即：（2-2）iP3对于理想气体遵循的状态方程为：或 （2-3）mRTPVRTP气体的总质量采用 kmol 为单位时，有mol0R0普适气体常数。Vmol 为 1kmol 气体的体积（m 3/kmol） ，由阿伏加德罗定律可知，对于一切具有相同压力、温度值的气体，其 Vmol 相同。当 P=101325Pa、T=273.15K 时，实验测得 kmol 体积Vmol=22.4145 m3/kmol，所以（2-4）KkmolJTPRol ,6594.8310某种气体的气体常数 Ri 为普适气体常数 R
9、0 除以该气体的分子量 Mi，即：（2-5）kgJMii /,0如干空气的平均分子量为 Mg=28.97，则 Rg=287.0093J/（kgK） ；水蒸汽的气体常数为Rq=461.5322J/（kgK） 。在常温常压下干空气可视为理想气体，而湿空气中的水蒸汽一般处于过热状态，且含量很少，可近似地视作理想气体。这样，即可利用理想气体的状态方程式来表示干空气和水蒸汽的主要状态参数压力、温度、比容等的相互关系，即或 TRmVPggTRPgg或 （2-6）qq q式中 Pg、P q干空气及水蒸汽的压力，Pa；V湿空气的总容积，m 3；mg，m q 一一干空气及水蒸汽的质量，kg；Rg， Rq干空气及
10、水蒸汽的气体常数， Rg =287.01J（kgK） ，Rq 461.53J（ kgK） ；T湿空气的热力学温度，K 。2、温度热力学的解释，在物理上，一般考虑能态 N 的自然对数，把这个叫作熵 S。显然，系统内的熵增所对应的能量变化可以用来描述系统的能量特征：dS/dE。这个比值小的时候，说明比较小的熵增对应着比较高的能量变化，系统整体的能量级别很高。这一特征用物理量来描述，叫温度。即：1/T = dS/dE T = 1 / （dS/dE) 物体的温度反映了物体内部分子运动平均动能的大小。分子运动愈快，物体愈热，即温度愈高；分子运动愈慢，物体愈冷，即温度愈低。这种现象被描述为一个物体的热势，
11、或能量效应。当以数值表示温度时，即称之为温度度数。国际上常用的有绝对湿标（又称开氏温标） ，符号为 T，单位为 K；摄氏温标，符号为 t，单位为C；英美等国家也采用华氏温标，符号为 t,单位为 F。温度范围是根据水的冰点和沸点。在摄氏温度计上，水的冰点为零度，沸点为 100 度。在华氏温度计上，水的冰点为 32 度，沸点为 212 度。这三种温标的关系为：4T= t+273.15，Kt=(5/9)(t-32)F，从华氏温度(F)转换成摄氏温度（）：华氏F =1.8 摄氏32， 摄氏=5/9（华氏F -32）温度随海拔高度而变化，可由以下经验公式计算：， （2-1）Ht065.1式中 H海拔高度
12、，m。3、比容单位质量的气体所具有的体积，m 3/kg。，m 3/kg。 （2-7）V4、密度单位体积的气体所具有的质量，kg/m 3。kg/m3。 （2-8）,1RTPV很显然，密度是比容的倒数。如干空气及水蒸汽的密度分别为： 。TRPVmTRPVmqqgg 1,12.1.3 多组分混合气体的基本性质1、 混合气体容积成分 ri 和体积浓度 CV容积成分 ri 是同温同压下某组分气体的容积与混合气体总容积之比；体积浓度 CV 是同温同压下某组分气体的容积占混合气体总容积的百分比。即：（2-9）njiiir1（2-10）%0VCivVi同温同压下某组分气体单独存在时的容积，m 3；混合气体中各
13、组分气体容积成分之和为 1。即：（2-11）niir12、 混合气体质量成分 gi 和质量浓度 Cg质量成分 gi 是同温同压下某组分气体的质量 Gi 与混合气体总质量 G 之比；质量浓度 Cg 是同温同压下某组分气体的质量占混合气体总质量的百分比。即：（2-12 ）njiiiG15（2-13）%10GCig（2-14）nnii113、 气体的密度 单位体积内混合气体的质量，kg/m 3。显然，混合气体的总密度为各组分气体的分密度之和。（2-15 ）niniVG11同温同压同体积下各组分气体单独存在时的密度。i4、 混合气体中 ri 与 gi 的关系（2-16）iiii rVG显然质量浓度与体
14、积浓度的关系为：（2-17）VigC5、 标准状态下某气体的密度 i气体的摩尔体积 )/(541.20molGMVmol式中：M摩尔质量（分子量） ，g/mol；G 气体质量， g；V 0标准状态体积，l。质量为 G 的气体体积为 ；lol 4.2则标准状态下某气体的密度为 。 （2-3/15.kV18）例题：求标准状态下 O2、N 2、CO 2、Ar 的密度。解：根据公式（2-18） ，可得：；3/476.15.98341.22 mkgM；3/2.0.22N；3/965.14.15.22 mkgCO6。3/7816.45.2931. mkgMArr 6、 混合气体中某组分气体的分密度 i3/
15、10%10/%mkgCVGii iiigiQ7、 相对密度 ri相对密度的定义为：某气体单独存在时的密度与某混合气体（通常为空气）的密度之比，即：（2-19）MVimoliiri /相对密度 1，表示该组分气体比空气重，容易积存于底部；相对密度 100%，为过饱和区，即不稳定区，水蒸气凝结，产生雾，又称“有雾区”。2.2.4 水蒸汽分压力线由式（2-28） ，可得14（2-33）dPq62.0因此，当大气压力 P 一定时，水蒸汽分压力 Pq 就是含湿量 d 的单值函数，给定不同的 d 值，即可求得对应的 Pq 值。在 i-d 图上，取一横坐标表示水蒸汽分压力值，则如图 2-3 所示。在已建立起水蒸汽压力坐标的条件下，对应不同温度下的饱和水蒸汽压力可从附录 2-1 中查到，或由 Pq.b=f (t） 的经验式求得（见本章第五节） 。连接不同温度线和其对应的饱和水蒸汽压力线的交点即可得到 的等 线。又根据 或 ，当 =const，%10bqqbP则可求得各不同温度下的 Pq 值，联接各等温线与 Pq 值相交的各点即成等相对湿度 线。这样做出的 i-d 图则包含了 P、t、d、i 、 及 Pq 等
