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1、工程热力学 Engineering Thermodynamics,北京航空航天大学,第七章 水蒸气,水的相变及相图 水蒸气的定压发生过程 水蒸气表和焓熵图 水蒸气的基本热力过程,为什么研究水蒸气？,水蒸气是各种热力过程中广泛应用的重要工质。1. 水蒸气容易获得，经济性好2. 热力参数适宜（膨胀性、传热性好）3. 不污染环境,应用广泛1. 18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质。2. 直到内燃机发明，才有燃气工质3. 目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质,水蒸气在空气中含量极少时，当作理想气体 一般情况下，为实际气体，是实际气体的典型代表。,研究内容,工程热力学研究的主要内容：1. 能量转换的基
2、本定律2. 工质的基本性质与热力过程3. 热功转换设备、工作原理,基本性质,热力过程,水蒸气的基本热力过程,水蒸气的产生与变化规律,定压、定容 定温、定熵,水蒸气热力状态计算,相变及相图 定压发生过程,水蒸气表 焓熵图,水的相变,沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化,汽化：由液相转变成气相的物理过程 凝结：与汽化相反的过程。,蒸发：汽液表面上的汽化,汽化,升华：由固态直接转变成气态的物理过程 凝华：与升华相反的过程。,物质有三种聚集状态：固相、液相、气相,水的三态：冰、水、蒸汽,水的相图,三相点与临界点,水的临界点,水的三相点,三相态：固、液、汽三相共存的状态。三相态是汽液共存的曲线的最低点，也
3、称三相点。,临界点：汽化曲线的上方端点，此时饱和汽和饱和液具有完全相同的性质，呈现为均匀的单相。,临界点：气液两相共存的最大压力和最大温度。 高于临界压力时，液汽两相的转变不经历两相平衡共存的饱和状态，变化中物质总是呈现出均匀的单相。,饱和状态,饱和状态：汽化与凝结的动态平衡,饱和温度Ts,饱和压力ps,一一对应,放掉一些水，Ts不变， ps？,Ts,ps,ps=1.01325bar,Ts=100 ,青藏 ps=0.6bar,Ts=85.95 ,高压锅ps=1.6bar,Ts=113.32 ,水蒸气的定压发生过程,t ts,v v,v = v,v = v,v v v,未饱和水,饱和水,饱和湿蒸
4、汽,饱和干蒸汽,过热蒸汽,h h,h = h,h = h,h h h,s s,s = s,s = s,s s s,水蒸气的pv图和Ts图,s,一点，二线，三区，五态,饱和液相线与饱和气相线相交的说明,p,ts,v,(bar),v,s,s,kJ/(kg.K),0.006112 1.0 5.0 50.0 221.29,0.01 99.63 151.85 263.92 374.15,0.00100022 0.0010434 0.0010928 0.0012858 0.00326,206.175 1.6946 0.37481 0.03941 0.00326,0.0 1.3027 1.8604 2.92
5、09 4.429,9.1562 7.3608 6.8215 5.9712 4.429,(bar),(),b,d,b,d,压力增大，饱和温度升高，水体积增加（液态水不可压） 压力增大，饱和温度升高，蒸汽比容减小（p比T影响大）,定压加热线与饱和液相线接近的说明,当忽略液体cp变化，,不同的p，液体近似不可压，v不变,对每个不变的T,湿蒸汽的描述干度,湿蒸汽：饱和温度下形成的饱和液体与饱和蒸汽的混合物,干度 x ,湿蒸汽中含干蒸汽的质量 湿蒸汽的总质量,（1-x）称为湿度，表示湿蒸汽中饱和水的含量。,特殊情况 x0：干蒸汽含量为0，饱和液体（饱和液体线） x1：饱和水含量为0，干饱和蒸汽（饱和蒸汽
6、线）在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义,水蒸汽参数计算独立参数,状态公理：简单可压缩系统，两个独立参数 未饱和水及过热蒸汽：2个独立参数，p，T 饱和水及饱和蒸汽：pf（T），1个独立参数，p或T 湿饱和蒸汽：p，T不独立，参数与两相比例有关，p或T，干度x,需要几个已知条件才能确定水和水蒸气的状态？,克拉贝龙方程：,水蒸气参数计算零点的规定,计算变化量，原则上可任取零点，国际上统一规定。 1963，国际水蒸气会议规定：以水物质在三相（纯水的冰、水和汽）平衡共存状态下的饱和水作为基准点，基准点的热力学能和熵为0。,但 原则上不为0， 对水：,水的三相点,水蒸气参数计算,1. 温度为0.01，压力
7、为p的未饱和水,水的压缩性小， 变化时， ， ，,2. 温度为ts，压力为p的饱和水,0.01,ts,定p,ql,液体热,水蒸气参数计算,3. 压力为p的干饱和蒸汽,4. 压力为p的湿饱和蒸汽,水蒸气表,两类，三种 1.饱和水与饱和蒸汽表 2.未饱和水和过热蒸汽表按压力和温度排列,按温度排列 按压力排列,饱和水和饱和水蒸气表,按温度排列,按压力排列,未饱和水与过热蒸汽表,焓熵图,1、零点：h=0，s=0；,2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）,3、等压线群：,斜直线,向上翘的 发散的形线,C点为分界点，不在极值点上,焓熵图,h,s,C,x=1,x=0,焓熵图,气相区：离饱和态越远，越接近
8、于理想气体,两相区：T、p一一对应， T 线即 p 线,在x=0, x=1之间，从C点出发的等分线,同理想气体一样， v 线比 p 线陡,4、定温线,T,5、等容线,v,6、等干度线,x,大于0,热蒸汽区小于0,焓熵图,h,s,C,x=1,x=0,水蒸气的基本热力过程,分析热力过程的任务：揭示状态变化规律与能量传递之间的关系，从而计算热力过程中工质状态参数的变化以及与外界交换的热量与功量。,分析蒸汽热力过程的一般步骤： 1.根据已知的初态参数求得其它状态参数蒸汽图表 2.根据过程特点和终态部分参数确定终态参数 3.在热力状态图中表示初终态和过程线hs，Ts，pv 4.计算热量、功和热力学能变化
9、量。,计算方法,水蒸气与理想气体的不同之处 理想气体状态方程不能应用于水蒸气的计算，水蒸气是实际气体，没有适当且简单的状态方程式。 水蒸气的Cp，Cv，h，u都不是温度的单值函数，而是p或v和T的复杂函数。,不能采用分析方法计算求解状态参数,应用蒸汽性质图表，结合热力学基本关系式、热力学第一定律,水蒸气与理想气体的不同,第一定律与第二定律表达式均成立,理想气体特有的性质和表达式不能用,可逆过程功及热的表达式成立,定压过程,1,2,锅炉中水的加热过程，水蒸气冷凝过程均可视为定压过程,定容过程,1,2,定温过程,1,2,绝热过程,1,2,蒸汽在汽轮机中膨胀，水蒸气或制冷剂的压缩均可视为绝热过程,例题,例题7-1 例题7-5用两种方法：查表，查图,作业,习题7-4，7-9，7-11，7-13,
