实际气体水蒸气的形成

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1、热工学储建工程系储建工程系李凤名李凤名TEL：13605466870中国石油大学胜利学院 8/26/20241第五章第五章 水蒸气的性质水蒸气的性质 及蒸汽动力循环及蒸汽动力循环n第一节实际气体第一节实际气体n第二节第二节 水蒸汽的形成水蒸汽的形成n第三节第三节 水和水蒸汽的图表水和水蒸汽的图表 n第四节第四节 水蒸汽的基本热力过程水蒸汽的基本热力过程n第五节第五节 蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环 n第六节第六节 实用蒸汽动力循环实用蒸汽动力循环 上篇上篇 工程热力学工程热力学热工学热工学8/26/20242前言前言第五章第五章 水蒸气的性质及蒸汽动力循环水蒸气的性质及蒸汽动力循环思考几个问

2、题思考几个问题1.为什么要学习水蒸气？为什么要学习水蒸气？2.水蒸汽的主要优点？水蒸汽的主要优点？ 3.为什么单独研究水蒸气？为什么单独研究水蒸气？4.如何进行水蒸气热力计算？如何进行水蒸气热力计算？5.本章主要内容？本章主要内容？8/26/20243前言前言1.1.为什么要学习水蒸气？为什么要学习水蒸气？ （1 1）是最早应用的工质；）是最早应用的工质； （2 2）水蒸气现在仍广泛应用）水蒸气现在仍广泛应用于动力应用和热应用中；于动力应用和热应用中； （3 3）应用前景仍然看好。）应用前景仍然看好。2.2.水蒸汽的主要优点：水蒸汽的主要优点： （1 1）易于获得；）易于获得； （2 2）污染

3、小，且易于治理；）污染小，且易于治理； （3 3）有适宜的热力学参数。）有适宜的热力学参数。3.3.为什么单独研究水蒸气？为什么单独研究水蒸气？ （1 1）与理想气体相差甚远；）与理想气体相差甚远； （2 2）与实际气体不同，临界）与实际气体不同，临界点温度高，环境下为液态；点温度高，环境下为液态； （3 3）热力过程中往往有物质）热力过程中往往有物质集态的变化。集态的变化。 4.4.如何进行水蒸气热力计算？如何进行水蒸气热力计算？ （1 1）参数的获得以查图、查）参数的获得以查图、查表为准确、简捷；表为准确、简捷； （2 2）不受工质性质限制的公）不受工质性质限制的公式仍可采用。式仍可采用。

4、 如：如：q q= =du+du+w w dsdsq q/T /T 等等 5.5.本章主要内容本章主要内容 （1 1）一些新概念和新术语；）一些新概念和新术语； （2 2）水蒸气产生的一般原理；）水蒸气产生的一般原理； （3 3）水蒸气参数间的关系；）水蒸气参数间的关系； （4 4）H H2 2O O图、表结构及应用；图、表结构及应用； （5 5）H H2 2O O热力过程分析计算。热力过程分析计算。8/26/20244n一、实际气体概念一、实际气体概念 （和理想气体相对）（和理想气体相对）1.1.为何要研究实际气体？为何要研究实际气体？ （1 1）常温常压某些气体可视为理想气体；）常温常压某

5、些气体可视为理想气体； 工程实际中的许多设备所应用工质（如汽轮机中水蒸工程实际中的许多设备所应用工质（如汽轮机中水蒸气），在常温常压下不能作为理想气体处理。气），在常温常压下不能作为理想气体处理。 （2 2）理想气体只是为研究实际气体而提出的一个概念。）理想气体只是为研究实际气体而提出的一个概念。2.2.具体研究内容具体研究内容 （1 1）首先研究实际气体的状态方程式：）首先研究实际气体的状态方程式：v=v= 1 1(p,T)(p,T) （2 2）寻求气体的热力学函数关系式：）寻求气体的热力学函数关系式： u=u= 2 2(p,T) (p,T) ，h=h= 3 3(p,T)(p,T) （3 3

6、）寻找气体比热关系：）寻找气体比热关系：c cp p= = 4 4(p,T)(p,T)， c cv v= = 5 5(p,T)(p,T) （4 4）建立和验证实际气体状态方程式。）建立和验证实际气体状态方程式。第一节第一节 实际气体实际气体8/26/202453.3.研究方法研究方法 （1 1）理论分析法）理论分析法 从物质内部微观结构出发，研究气体分子的运动以及分子间的从物质内部微观结构出发，研究气体分子的运动以及分子间的相互作用，分析微观粒子的运动对气体宏观性质的影响，从而对气相互作用，分析微观粒子的运动对气体宏观性质的影响，从而对气体定律做相应的修正。体定律做相应的修正。 优点：此法物理

7、意义清楚，能概括地反映实际气体的全面特征，优点：此法物理意义清楚，能概括地反映实际气体的全面特征，有一定的普遍意义。有一定的普遍意义。 不足：计算精度往往不高。不足：计算精度往往不高。 （2 2）实验研究法）实验研究法 以热力学微分方程式为工具，借助于实验装置，利用测定的一以热力学微分方程式为工具，借助于实验装置，利用测定的一 系列状态参数值，来整理出实际气体的状态方程式和内能、焓、熵系列状态参数值，来整理出实际气体的状态方程式和内能、焓、熵的关系式。的关系式。 优点：方便准确，可利用易测量求取不可直接测定的参数。优点：方便准确，可利用易测量求取不可直接测定的参数。 不足：必须借助于热力学微分

8、方程式。不足：必须借助于热力学微分方程式。第一节第一节 实际气体实际气体8/26/20246第一节第一节 实际气体实际气体n二、理想气体状态方程用于实际气体的偏差二、理想气体状态方程用于实际气体的偏差 1.1.理想气体与实际气体的差异理想气体与实际气体的差异 （1 1）实际气体分子间有作用力，分子有体积，非弹性的；）实际气体分子间有作用力，分子有体积，非弹性的； 理想气体分子间无作用力，分子是一些弹性质点。理想气体分子间无作用力，分子是一些弹性质点。 （2 2）理论上，当压力）理论上，当压力p0p0、比容、比容v v 时，实际气体成为理想气体；时，实际气体成为理想气体； （3 3）工程上，）工

9、程上，O2O2、N2N2、H2H2、空气、燃气等气体在较低压力、较高温度、空气、燃气等气体在较低压力、较高温度时，作为理想气体处理，偏差很小。时，作为理想气体处理，偏差很小。 （4 4）压缩因子（）压缩因子（z-pz-p 图）图）8/26/20247第一节第一节 实际气体实际气体n综上所述：综上所述：n（1 1）理想气体状态方程应用于实际气体时会产生偏差）理想气体状态方程应用于实际气体时会产生偏差8/26/20248n（2 2）能不能把实际气体当作理想气体处理要考虑两点）能不能把实际气体当作理想气体处理要考虑两点n第一点：气体的种类第一点：气体的种类n第二点：气体所处的状态第二点：气体所处的状

10、态n（3 3）必须建立实际气体状态方程以进行精确计算。）必须建立实际气体状态方程以进行精确计算。n三、实际气体状态方程（三、实际气体状态方程（范德瓦尔方程范德瓦尔方程） 1.1.范方程的导出范方程的导出 范德瓦尔从理想气体和实际气体间的差别出发，范德瓦尔从理想气体和实际气体间的差别出发，对理想气体方程进行了修正：对理想气体方程进行了修正： （1 1）分子体积的存在，减少了分子运动的空间，则实）分子体积的存在，减少了分子运动的空间，则实际气体分子比理想气体分子更频繁撞击容器壁，使容际气体分子比理想气体分子更频繁撞击容器壁，使容器壁所受的压力增大：器壁所受的压力增大：第一节第一节 实际气体实际气体

11、8/26/20249n（2 2）分子间有相互作用力）分子间有相互作用力n在气体内部，每一个分子受到四周分子的吸引，相互在气体内部，每一个分子受到四周分子的吸引，相互作用抵消而处于力的平衡作用抵消而处于力的平衡n器壁附近的分子，总是受到临近内部分子的吸引力，器壁附近的分子，总是受到临近内部分子的吸引力，减小了分子撞击器壁的次数，使压力降低。引力的大减小了分子撞击器壁的次数，使压力降低。引力的大小与外层和内部分子密度成正比。小与外层和内部分子密度成正比。第一节第一节 实际气体实际气体8/26/202410修正为修正为上式即为范方程上式即为范方程A、半经验方程，、半经验方程，a、b由实验确定由实验确

12、定B、精确度不高、精确度不高C、颇为切近的反映了物质的气态、液态在性质上的特征、颇为切近的反映了物质的气态、液态在性质上的特征D、为理论研究方法开拓了道路、为理论研究方法开拓了道路第一节第一节 实际气体实际气体8/26/202411。vvppFFT1T cT2GcAABBDDMMNNcT = 常量常量H范德瓦尔方程的理论曲线和实验曲线范德瓦尔方程的理论曲线和实验曲线（理论曲线）（实验曲线）。8/26/202412四四.实际气体状态方程举例（了解）实际气体状态方程举例（了解）8/26/2024138/26/2024141 1、汽化、汽化各种物质由液态转变为蒸汽（气态）的现象或过程就是汽化。各种物

13、质由液态转变为蒸汽（气态）的现象或过程就是汽化。如水变汽。物质汽化过程中要吸收大量的能量。如水变汽。物质汽化过程中要吸收大量的能量。 两种汽化形式：两种汽化形式：（1 1）液体表面的蒸发；随时可以进行。）液体表面的蒸发；随时可以进行。（2 2）液体内部产生气泡的沸腾；达到一定温度才可进行。）液体内部产生气泡的沸腾；达到一定温度才可进行。第二节第二节 水蒸气的形成水蒸气的形成一、液体的汽化一、液体的汽化2 2、液化、液化各种物质由气态转变为液态的过程或现各种物质由气态转变为液态的过程或现象就是液化。如蒸汽凝结为水。象就是液化。如蒸汽凝结为水。液化时物质要向外释放能量液化时物质要向外释放能量热能。

14、热能。8/26/202415n3 3、饱和状态（、饱和状态（汽化和液化现象分析）汽化和液化现象分析）8/26/202416n（3 3）饱和状态）饱和状态8/26/202417 tt s1pp s1 饱和液体干饱和蒸汽饱和状态示意图饱和状态示意图水水水水蒸蒸蒸蒸气气气气的的的的饱饱饱饱和和和和压压压压力力力力(at)(at)(at)(at)与与与与饱饱饱饱和和和和温度的对应关系经验公式：温度的对应关系经验公式：温度的对应关系经验公式：温度的对应关系经验公式：8/26/202418第二节第二节 水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202419前前 言言 为什么要研究为什么要研究H H

15、2 2O O的定压过的定压过程呢？程呢？ 1.H1.H2 2O O在锅炉内的加热过程在锅炉内的加热过程不是定压过程；不是定压过程； 但由于但由于H H2 2O O在液态时的焓值在液态时的焓值受压力影响极小，则可把其加受压力影响极小，则可把其加热过程视为定压过程；热过程视为定压过程； 这样，研究定压过程也就这样，研究定压过程也就有了实际意义。有了实际意义。 2.2.对于任何工质，都要想对于任何工质，都要想法获得其有关参数。法获得其有关参数。 从参数的角度看，采用定从参数的角度看，采用定压或其它过程来讨论参数，都压或其它过程来讨论参数，都可以达到目的。可以达到目的。 3.3.从实验手段来看，定压从

16、实验手段来看，定压过程是非常容易实现的。过程是非常容易实现的。 要讨论要讨论H H2 2O O的定压加热、的定压加热、汽化过程，不足为怪。汽化过程，不足为怪。 实际上，流体流经许多实际上，流体流经许多设备的实际过程可按定压过设备的实际过程可按定压过程处理：程处理： 热水流经室内散热器的热水流经室内散热器的放热过程；放热过程； 烟气流经换热设备放热烟气流经换热设备放热过程等等。过程等等。 压降小是一方面；关键压降小是一方面；关键在于参数变化受压力变化影在于参数变化受压力变化影响甚微。响甚微。第二节第二节 水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202420第二节第二节 水蒸气的定压生成

17、过程水蒸气的定压生成过程8/26/202421一、水蒸气的定压生成过程一、水蒸气的定压生成过程一、水蒸气的定压生成过程一、水蒸气的定压生成过程8/26/202422水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202423水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202424水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202425水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202426水蒸气的定压生成过程水蒸气的

18、定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202427水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202428水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202429水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202430水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程8/26/202431水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程未饱和水状态 饱和水状态 湿饱和蒸汽状

19、态 干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态过热阶段水蒸气的定压生成过程饱和水的汽化阶段水的预热阶段说明：在此可代表8/26/2024328/26/2024338/26/2024347-2 H2O的定压加热、汽化过程8/26/202435三、水蒸气定压生成过程中热量的计算三、水蒸气定压生成过程中热量的计算1.水的定压预热阶段水的定压预热阶段1Ts液体热液体热2.饱和水的定压汽化过程饱和水的定压汽化过程汽化潜热汽化潜热3.3.水蒸气的定压过热过程水蒸气的定压过热过程2过热热过热热1kg1kg水从水从1 1状态被加热到状态被加热到2 2状态所吸收的热量状态所吸收的热量8/26/202436C2010C1020

20、pvTs 水的临界参数水的临界参数 四四、水蒸汽的、水蒸汽的p-vp-v图和图和T-sT-s图图， 8/26/202437T p水蒸气的水蒸气的p pv v和和TsTs图图一点一点: :临界点；临界点； 两线两线: :饱和水线、干饱和蒸汽线；饱和水线、干饱和蒸汽线；三区三区: :未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区；未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区；五态五态: :未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。sv8/26/202438n结论（要求掌握）结论（要求掌握）n（）随压力升高，汽化过程缩短，所需的汽化（）随压力升高，汽化过程

21、缩短，所需的汽化潜热减少，而水的预热及蒸气过热过热所需热量潜热减少，而水的预热及蒸气过热过热所需热量增加，对于锅炉中受热面的安排有指导意义。增加，对于锅炉中受热面的安排有指导意义。n（）当工质温度高于临界温度时，物质只能以（）当工质温度高于临界温度时，物质只能以气态形式存在，无论加多大压力也不能使之液化。气态形式存在，无论加多大压力也不能使之液化。为使气体液化，必须使其温度降至该气体的临界为使气体液化，必须使其温度降至该气体的临界温度以下。温度以下。四四、水蒸汽的、水蒸汽的p-vp-v图和图和T-sT-s图图（3 3）水在定水在定压汽化汽化过程中，其温度程中，其温度不变 ，内能内能 增加 。

22、8/26/202439一些概念和术语一些概念和术语3 3、什么是液化？吸热还是放热？、什么是液化？吸热还是放热？ 1.1.什么是汽化？吸热还是放热？什么是汽化？吸热还是放热？ 2.2.汽化有哪两种形式？各有什么特点？汽化有哪两种形式？各有什么特点？8/26/202440n思考题: 1、n判断题：n定温汽化过程满足定温汽化过程满足 的关系式的关系式 n在临界点上，饱和液体的焓一定等于干饱在临界点上，饱和液体的焓一定等于干饱和蒸汽的焓。和蒸汽的焓。n知道了温度和压力两个参数值，就可以确知道了温度和压力两个参数值，就可以确定水蒸气的状态。定水蒸气的状态。n计算：干度为干度为0.8的湿蒸汽中，干饱和蒸汽的湿蒸汽中，干饱和蒸汽的质量为的质量为6 ，则湿蒸汽的质量为，则湿蒸汽的质量为n图：水蒸气图：水蒸气Ts图的图的一点、两线、三区一点、两线、三区。 8/26/202441