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1、第六章 水蒸气的热力性质,6-1 水蒸气的饱和状态,汽化 液体转变为气体的过程 液化 蒸气或气体转变为液体的过程 蒸发 液体表面在任何温度进行的缓慢 汽化过程 饱和状态 是汽化和液化达到动态平衡共存 的状态 液化的微观机制 汽化的微观机制,水蒸气的饱和状态,水蒸气的分子处于紊乱的热运动中。水蒸气的压力愈高，密度愈大，水蒸气分子与水面碰撞愈频繁，在单位时间内进入水面变成水分子的水蒸气分子数也愈多 容器中水的分子也在作不停息的热运动。水的温度愈高，分子运动愈剧烈，在单位时间内脱离水面变成水蒸气的水分子数也就愈多,演示,在一定的温度下，水蒸气的压力总会自动稳定在一定的数值上，这时进入水面和脱离水面的
2、分子数相等，水蒸气和水处于动态平衡状态，也就是饱和状态 饱和状态下的水称为饱和水 饱和状态下的水蒸气称为饱和水蒸气（饱和蒸气） 饱和蒸汽的压力称为 饱和压力ps，与此相应的饱和蒸汽（或饱和液体）的温度称为饱和温度 ts（或Ts）,改变饱和温度，饱和压力也会起相应的变化 一定的饱和温度总是对应着一定的饱和压力；一定的饱和压力也总是对应着一定的饱和温度 饱和温度愈高， 饱和压力也愈高,由实验可以测出饱和温度与饱和压力的关系，如图中曲线AC所示,温度 t tC 时，液相不可能存在，而只可能是气相， tC 称为 临界温度 与临界温度相对应的饱和压力pC称为临界压力 临界温度是最高的饱和温度 临界压力是
3、最高的饱和压力,饱和温度与饱和压力的对应关系适用范围,由临界温度和临界压力确定的状态就是 临界状态 临界状态是汽液两相模糊不清不易区分的状态 临界状态也是最高的饱和状态,临界状态（临界点）,演示,水（或水蒸气）的临界参数值为,压力p pA 时，液相也不可能存在，而只可能是气相或固相 pA 三相点压力; tA 三相点温度 三相点压力是最低的汽液两相平衡的饱和压力 三相点温度是最低的汽液两相平衡的饱和温度 三相点是汽液固共存的状态， 也是最低的饱和状态。,三相点,水的三相点温度和三相点压力为,水蒸气的饱和温度与饱和压力的对应关系及计算公式 查饱和水蒸气表（参看附表6和附表7） 根据经验公式计算 粗
4、略的经验公式如 ps 单位为atm ；ts 单位为。C 该式只能用于100 。C附近,从三相点到临界点，其结果全部符合1985年国际水蒸气性质骨架表中规定的允差要求,严家騄饱和蒸汽压计算式,6-2 水蒸气的产生过程,水蒸气产生过程动画演示,水蒸气的产生过程,1、未饱和水变成饱和水的定压预热过程 将1kg、0。C的水定压加热到该压力p下的饱和温度ts 时所需加入的热量 q 称为水的液体热 cp 水的比定压热容 热量q也等于焓的增量,水蒸气的产生过程分为三个阶段,式中： 饱和水的焓； 温度为 0 。C 时水的焓。 饱和水的焓为 水的液体热随压力提高而增大,2、饱和水变为饱和水蒸气的定压汽化过程 使
5、 1kg 饱和水在一定压力下完全变为相同温度的饱和水蒸气所需加入的热量称为水的汽化潜热，用符号 r 表示 在温熵图上汽化潜热则相应于水平线段下的矩形面积, 压力为p 时饱和水蒸气的熵, 压力为p 时饱和水的熵,汽化潜热也等于定压汽化过程中焓的增加 压力为 p 时饱和水蒸气的焓 饱和水蒸气的焓为,水的汽化潜热可由实验测定 压力愈高，汽化潜热愈小，而当压力达到临界压力时，汽化潜热变为零（表2）,如果汽化过程没有进行完，那么饱和水与饱和水蒸气便同时并存（状态 c） 这种饱和水和饱和水蒸气的混合物称为 潮湿水蒸气，简称湿蒸汽,干度 湿度 式中： mv 湿蒸汽中饱和水蒸气的质量 mw 湿蒸汽中饱和水的质
6、量 mv + mw 湿蒸汽的质量,湿蒸汽状态计算,干度与湿度关系 饱和水 x = 0，y = 1 饱和水蒸气 x = 1，y = 0 湿蒸汽 0 y 0,x + y =1，x = 1 - y，y = 1 - x,湿蒸汽的比状态参数计算,式中： 饱和水的比体积、比焓、比热力学能、比熵 饱和水蒸气的比体积、比焓、比热力学能、比熵 湿蒸汽的比体积、比焓、比热力学能、比熵 湿蒸汽的压力和温度，也是饱和压力和饱和温度,3、饱和水蒸气变为过热水蒸气的定压过热过程 将 1kg 饱和水蒸气在一定压力下继续加热，变成温度为 t 的过热水蒸气所吸收的热量，即过热热量 q为,式中： 过热水蒸气的比定压热容 过热水蒸
7、气的平均比定压热容 过热水蒸气的过热度，表示过热水蒸气的温度超出该压力下饱和温度的度数。表明过热水蒸气离开饱和状态的远近程度。,水蒸气在定压加热过程中吸收的热量也等于焓的增加： 式中，h 定压力为 p、温度为 t 时过热水蒸气的焓 过热水蒸气的焓为 水在这整个定压加热过程中所吸收的热量为,右图表示水从0。C定压加热变为温度为t的过热水蒸气所需的热量q,以及三个加热阶段所需热量q、r、q”因压力不同而变化的情况,6-3 水蒸气的热力性质图表,使水在不同压力定压预热、汽化、过热、变成过热水蒸气。 将各定压线上所有开始汽化的各点连接起来，形成一条曲线 A1 C，称为下界线。 下界线上各点相应于不同压
8、力下的饱和水下界线又称为饱和液体线。 下界线又是 x = 0 的定干度线。,1、水蒸气的压容图、温熵图和焓熵图,1、水蒸气的压容图、温熵图和焓熵图,将定压线上所有汽化完毕的各点连接起来形成另一条曲线 A2 C ，称为上界线 上界线各点相应于不同压力下的饱和水蒸气，上界线又成为饱和水蒸汽线 上界线又是 x = 1 的定干度线,1、水蒸气的压容图、温熵图和焓熵图,下界线和上界线相交于临界点C，这样就形成了饱和曲线 A1 C A2 所包围的饱和区，或称为湿蒸汽区 超出饱和区的范围（p pc）便不再有水的定压汽化过程,一点连双线，三区五态含 一点 临界点 双线 饱和水线、饱和水蒸气线 三区 未饱和水区
9、、饱和蒸气（湿蒸气、 两相）区、过热水蒸气区 五态 未饱和水态、饱和水态、湿蒸气 态、饱和水蒸气态、过热水蒸气态,水蒸气热力性质图结构特征规律,演示,水蒸气图中不同区域内的不同定值线的形状是由于内在的物理特性决定的 水的压缩性很小，压容图中，定温线处于下界线左边的线段是很陡的，几乎是垂直线段。 这说明水在定温压缩时，即使压力提高很多，比体积的减小也是不显著的。,水的压缩性很小，定熵消耗的功很少，即使压力提高很多，热力学能也增加级少，温度几乎没有提高。 因此，温熵图中不同压力的定压线处于下界线左边的线段靠得很近，并且几乎都和下界线重合在一起。 在焓熵图中，由于水在定熵压缩后焓的增加也有限，所以这
10、些定压预热线段和下界线还是靠得比较近的。,饱和温度与饱和压力的对应关系及其形状 在饱和区中，定温线同时也是定压线。 在压容图中，定温线处于饱和区中的线段是水平线段（定压线）。 在温熵图中，定压线处于饱和区中线段也是水平线段（定温线）。 在焓熵图中，定压线（定温线）处于饱和区中的线段是不同斜率的斜直线。,在焓熵图中，定压线上各点的斜率正好等于各点的绝对温度 在饱和区中，定压线同时也是定温线，压力不变，相应的饱和温度也不变，因此：,定压线的斜率是常数，当然就是直线 在焓熵图中，定压线（定温线）处于饱和区中的线段是直线段。 压力愈高，相应的饱和温度也愈高，定压线的斜率就愈大，在焓熵图中也就愈陡。,饱
11、和水与饱和水蒸气性质表 未饱和水与过热水蒸气性质表,饱和水与饱和水蒸气热力性质表列成两个 一个按温度排列，对温度取比较整齐的数值，按次序排列，相应地列出饱和压力以及饱和水蒸气的比体积、焓、熵和汽化潜热。 一个按压力排列，对压力取比较整齐的数值，按次序排列，相应地列出饱和温度以及饱和水与饱和水蒸气的比体积、焓、熵和汽化潜热。,未饱和水与过热水蒸气热力性质表是根据不同温度和不同压力，按次序排列（因为温度与压力没有对应关系），相应地列出未饱和水（ 粗黑线以上）和过热水蒸气（粗黑线以下）的比体积、焓和熵。 按1985年第三十届国际水蒸气性质大会通过的骨架表规定，以三相点压力（611.66Pa）下饱和水的热力学能和熵为零。 这些图表中的数据均由严家騄教授提供的水蒸气统一热物性方程计算而得，符合国际骨架表规定的允差要求。,6-4 水蒸气的热力过程,利用图表进行水蒸气热力过程的计算步骤如下： （1）将过程画在焓熵图中，以便分析 （2）根据焓熵图或热力性质表查出过程始末 各状态参数值： 热力学能：,演示,（3）计算热量（不考虑摩擦） 定容过程（无膨胀功的过程） 定压过程（无技术功的过程） 定温过程 定熵过程（绝热过程）,（4）计算功（不考虑摩擦） 定容过程（无膨胀功的过程） 定压过程（无技术功的过程）,定温过程 定熵过程（绝热过程）,第六章 结束,
