第五章

水和水蒸氣的性質(zhì)

1

基本知識點

１．應(yīng)掌握有關(guān)蒸氣的各種術(shù)語及其意義。例如：汽化、凝結(jié)、飽和狀態(tài)、飽和蒸氣、飽和液體、飽和溫度、飽和壓力、三相點、臨界點、汽化潛熱等。

２．了解蒸氣定壓發(fā)生過程及其在和圖上的一點、二線、三區(qū)和五態(tài)。

３．了解蒸氣圖表的結(jié)構(gòu)，并掌握其應(yīng)用。

４．掌握蒸氣熱力過程的熱量和功量的計算。

2本章重點1.確定蒸氣狀態(tài)參數(shù)的獨立變量2.學(xué)會使用水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)的圖表，并能熟練的運用于各種熱力過程的計算。3水和水蒸氣是實際氣體!水蒸氣在空氣中含量極小，當(dāng)作理想氣體一般情況下，水蒸氣是由液態(tài)水經(jīng)汽化而來的一種氣體，離液態(tài)較近，為實際氣體，使用圖表18世紀(jì)，蒸氣機(jī)的發(fā)明，是唯一工質(zhì)直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有燃?xì)夤べ|(zhì)目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì)優(yōu)點:便宜，易得，無毒，膨脹性能好，傳熱性能好4§5-1純物質(zhì)的熱力學(xué)面及相圖物質(zhì)有三種聚集狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)熱力學(xué)面：以p,v,T表示的物質(zhì)各種狀態(tài)的曲面水的三態(tài)：冰、水、蒸汽5水的熱力學(xué)面兩相區(qū)單相區(qū)氣液固pvT六個區(qū)：三個單相區(qū)、三個兩相區(qū)液--氣固--氣固--液pvT6飽和線、三相線和臨界點pv四個線：三個飽和線、一個三相線飽和氣線三相線飽和液線飽和固線T臨界點一個點：臨界點7三相線與臨界點水的臨界點狀態(tài)飽和液線與飽和氣線的交點氣液兩相共存的pmax,Tmax等溫線是鞍點臨界點水的三相線8純物質(zhì)的p-T相圖ppTT液液氣氣固固水一般物質(zhì)三相點三相點臨界點臨界點流體流體升華線升華線凝固線凝固線汽化線汽化線9汽相和液相鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器過熱器因固相不流動，更關(guān)心汽液兩相冰蓄冷10§5-2汽化與飽和沸騰：表面和液體內(nèi)部同時發(fā)生的汽化(氣體和液體均處在飽和狀態(tài)下)飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動態(tài)平衡汽化:由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程(不涉及化學(xué)變化)蒸發(fā)：汽液表面上的汽化凝結(jié)：由蒸汽變成液體的過程。11飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動態(tài)平衡飽和溫度Ts飽和壓力ps一一對應(yīng)放掉一些水，Ts不變，

ps？Tspsps=1.01325barTs=100℃青藏ps=0.6barTs=85.95℃高壓鍋ps=1.6barTs=113.32℃1213

幾個名詞：

飽和液(saturated

liquid)—處于飽和狀態(tài)的液體：

t=ts

干飽和蒸汽(dry-saturated

vapor;

dry

vapor

)

—處于飽和狀態(tài)的蒸汽：t=ts

未飽和液(unsaturated

liquid)

—溫度低于所處壓力下飽和溫度的液體：t<ts

過熱蒸汽(superheated

vapor)

—溫度高于飽和溫度的蒸汽：t>ts,

t–ts=d稱過熱度(degree

of

superheat)。

濕飽和蒸汽(wet-saturated

vapor;

wet

vapor

)

—飽和液和干飽和蒸汽的混合物：t=ts使未飽和液達(dá)飽和狀態(tài)的途徑：13§5-3水蒸氣的定壓發(fā)生過程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未飽和水飽和水飽和濕蒸汽飽和干蒸汽過熱蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水預(yù)熱汽化過熱14水蒸氣定壓發(fā)生過程說明(1)(2)只有加熱時熵永遠(yuǎn)增加(3)理想氣體實際氣體汽化時，T＝Ts不變，但h增加汽化潛熱:1kg飽和液體加熱成同溫度下的干飽和蒸汽所需熱量。

(4)未飽和水過冷度過冷水過熱蒸汽過熱度15sp-v圖，T-s圖上的水蒸氣定壓加熱過程一點，二線，三區(qū)，五態(tài)16等壓線上飽和態(tài)參數(shù)ptsv’(bar)v’’s’s’’kJ/(kg.K)0.0061120.010.00100022206.1750.09.15621.099.630.00104341.69461.30277.36085.0151.850.00109280.374811.86046.821550.0263.920.00128580.039412.92095.9712221.29374.150.003260.003264.4294.429(bar)(℃)bdbd17§5-4水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)及其圖表狀態(tài)公理：簡單可壓縮系統(tǒng)，兩個獨立變量未飽和水及過熱蒸汽，一般已知p、T即可飽和水和干飽和蒸汽，只需確定p或T濕飽和蒸汽，

p和T不獨立，汽液兩相1875年，吉布斯提出了吉布斯相律18水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)確定的原則1、未飽和水及過熱蒸汽確定任意兩個獨立參數(shù)，如：p、T2、飽和水和干飽和蒸汽確定p或T3、濕飽和蒸汽除p或T外，其它參數(shù)與兩相比例有關(guān)19兩相比例由干度x確定定義干飽和蒸汽飽和水對干度x的說明：x=0

飽和水x=1

干飽和蒸汽0

≤x

≤1在過冷水和過熱蒸汽區(qū)域，x無意義20濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)的確定如果有1kg濕蒸氣，干度為x,即有xkg飽和蒸汽，(1-x)kg飽和水。已知p或T(h’,v’,s’,h’’,v’’,s’’)+干度xh

,v

,s21水和水蒸氣表兩類2、未飽和水和過熱蒸汽表1、飽和水和干飽和蒸汽表22飽和水和飽和水蒸氣表（按溫度排列）飽和水和飽和水蒸氣表（按壓力排列）23飽和參數(shù)未飽和水和過熱蒸汽表（節(jié)錄）24表的出處和零點的規(guī)定原則上可任取零點，國際上統(tǒng)一規(guī)定。但原則上不為0，對水：

表依據(jù)1963年第六屆國際水和水蒸氣會議發(fā)表的國際骨架表編制，盡管IFC（國際公式化委員會）1967和1997年先后發(fā)表了分段擬合的水和水蒸氣熱力性質(zhì)公式，但工程上還主要依靠圖表。焓、內(nèi)能、熵零點的規(guī)定：水的三相點25飽和參數(shù)未飽和水和過熱蒸汽表(注意下劃線）26焓熵圖的畫法(1)1、零點：h=0，s=0；2、飽和汽線（上界線）、飽和液線（下界線）3、等壓線群：p兩相區(qū)pT=Const斜直線單相區(qū)sT向上翹的發(fā)散的形線C點為分界點，不在極值點上27焓熵圖hsCpx=1x=0pC28焓熵圖的畫法(2)氣相區(qū)：離飽和態(tài)越遠(yuǎn)，越接近于理想氣體兩相區(qū)：T、p一一對應(yīng)，T

線即p線在x=0,x=1之間，從C點出發(fā)的等分線同理想氣體一樣，v線比p線陡4、定溫線T5、等容線v6、等干度線x29焓熵圖hsCx=1x=0pvTx30§5-5水蒸氣的熱力過程任務(wù)：確定初終態(tài)參數(shù)，計算過程中的功和熱在p-v、T-s、h-s圖上表示熱力過程：

ps

T

v

31注意與理想氣體過程的區(qū)別第一定律與第二定律表達(dá)式均成立理想氣體特有的性質(zhì)和表達(dá)式不能用可逆32水蒸氣的定壓過程q=hwt=0Δu＝h2-h1-p(v2-v1)w=q-Δu342pv1例：鍋爐中，水從30℃，4MPa,定壓加熱到450℃

q=h2-h1ts(4MPa)=250.33℃鍋爐、換熱器33水蒸氣的定壓過程例：水從30℃，4MPa,定壓加熱到450℃

q=h2-h12Tshs2h1=129.3kJ/kgh2=3330.7kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg34水蒸氣的絕熱過程p12’pvp2不可逆過程：

汽輪機(jī)、水泵12可逆過程：

s12

12’q=0w=-ΔuΔu=h2-h1-(p2v2-p1v1)35水蒸氣的絕熱過程汽輪機(jī)、水泵q=02’12Ts不可逆過程：

可逆過程：

sp1p236水蒸氣的絕熱過程汽輪機(jī)、水泵q=0hs不可逆過程

可逆過程：

sp1p221h1h2h2’2’透平內(nèi)效率

37水蒸氣的定溫過程實際設(shè)備中很少見pvTCTcT遠(yuǎn)離飽和線，接近于理想氣體38水蒸氣的定溫過程12Tshs122’理想氣體

W=q-ΔuΔu=h2-h1-(p2v2-p1v1)可逆過程：12’39水蒸氣的定容過程實際設(shè)備中不常見12pv40水蒸氣的定容過程1TshspT212vpv41例：容積為0.6的密閉容器內(nèi)盛有壓力為3.6bar的干飽和蒸汽，問蒸汽的質(zhì)量為多少，若對蒸汽進(jìn)行冷卻，當(dāng)壓力降低到2bar時，問蒸汽的干度為多少，冷卻過程中由蒸汽向外傳出的熱量為多少?

解：查以壓力為序的飽和蒸汽表得：

=3.6bar時，=0.51056,=2733.8kJ/kg蒸汽質(zhì)量m=V/=1.1752kg

查飽和蒸汽表得：

=2bar時，=0.0010608，=0.88592=504.7kJ/kg，=2706.9kJ/kg42在冷卻過程中，工質(zhì)的容積、質(zhì)量不變，故冷卻前干飽和蒸汽的比容等于冷卻后濕蒸汽的比容即：

或

由于

43取蒸汽為閉系，由閉系能量方程

由于是定容放熱過程，故

所以

而u=h-pv

故

其中：

則

Q=mq=1.1752(-878.3)=-1032.2kJ

44本章小結(jié)學(xué)習(xí)本章的主要目的，是掌握正確應(yīng)用蒸氣熱力性質(zhì)圖表處理工程實際問題的方法。蒸汽的參數(shù)一律應(yīng)該從圖或表中查得，而不宜用一些簡單的經(jīng)驗公式，更不能使用僅實用于理想氣體的一些公式。圍繞查圖或表注意以下一些問題：1.確定蒸氣狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)的獨立變量

對有集態(tài)變化的工質(zhì)，在確定其狀態(tài)參數(shù)時，應(yīng)注意獨立變量的數(shù)目。45

(1)對未飽和液體和過熱蒸氣：分別處于單相區(qū)，所以p，t，v，s，h等參數(shù)中，只要任意兩個參數(shù)給定，其他參數(shù)就確定了。一般獨立交量取(p，t)兩個。

(2)對飽和液體和干飽和蒸氣：無論是飽和液體還是干飽和蒸氣都是單相的氣，但它們又都處于飽和狀態(tài)下，壓力和溫度不是互相獨立的參數(shù)，而是一一對應(yīng)的。因此，獨立變量為1，一般可取p或t。即只要壓力或者溫度確定，其他參數(shù)，例如飽和液體的v'，s'，h'及干飽和蒸氣的v"，s"，h"等就都隨之確定。

46

(3)對濕飽和蒸氣：因為處于兩相區(qū)，壓力p和溫度t由ps=f(ts)聯(lián)系，只有一個是獨立變量，而其他參數(shù)v，s，h卻與濕蒸氣中的液體和氣的比例密切相關(guān)。所以需引入另一個獨立變量“干度”狀態(tài)才能確定。要掌握干度的定義和計算確定方法，以及利用干度確定狀態(tài)參數(shù)。472．查表

當(dāng)需根據(jù)給定的已知參數(shù)由蒸氣性質(zhì)表查找物性數(shù)據(jù)時，如何判斷應(yīng)查飽和表還是過熱表呢?一般而言，當(dāng)不知工質(zhì)處于什么狀態(tài)時，總是先查飽和表以判斷工質(zhì)的狀態(tài)，然后根據(jù)所處的狀態(tài)查對應(yīng)的表。判斷工質(zhì)所處狀態(tài)的具體方法如下：

48若已知(p，t)，查飽和表得已知壓力(或溫度)下的飽和溫度ts(p)[或壓力ps(t)]，比較t與ts(p)的大小t<ts(p)工質(zhì)處于未飽和液體狀態(tài)t=ts(p)工質(zhì)處于飽和狀態(tài)，還需再給定干度xt>ts(p)工質(zhì)處于過熱蒸氣狀態(tài)也可通過比較給定的壓力p和ps(t)之間的大小，來確定工質(zhì)所處的狀態(tài)。49若已知p(或t)及某一比參數(shù)y(v，或s，或h)，查飽和蒸氣表得y'、y"，比較