热力学水的蒸发过程知识借鉴

1、工程上用的气态工质可以分为两类，即气体和蒸气，两者之间并无严格的界限。蒸气泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的气态物质，在被冷却或被压缩时，很容易变回液态。一般地说，蒸气分子间的距离较小，分子间的作用力及分子本身的体积不能忽略，因此，蒸气一般不能作为理想气体处理。工程上常用的蒸气有水蒸气、氨蒸气、氟利昂蒸气等。由于水蒸气来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，是热工技术上应用最广泛的一种工质。各种物质的蒸气虽然各有特点，但其热力性质及物态变化规律都有许多类似之处。这里仅以水蒸气（简称蒸汽）为例，对它的产生、状态的确定及其基本热力过程进行分析。1. 蒸气是由液体汽化而产生的。液体汽化有两种形式：蒸发和沸腾。蒸发是在液体表面进行的汽化现象。由于液体分子处于无规则的热运动状态，每个分子的动能大小不等，在液体表面总会有一些动能大的分子克服邻近分子的引力而逸出液面，形成蒸气，这就是蒸发。蒸发可以在任何温度下进行，但温度愈高，能量较大的分子愈多，蒸发愈强烈。与蒸发不同，在给定的压力下，沸腾是在某一特定温度下发生、在液体内部和表面同时进行并且伴随着大量汽泡产生的剧烈的汽化现

2、象。实验证明，液体沸腾时，尽管对其继续加热，但液体的温度保持不变。无论蒸发还是沸腾，如果液面上方是和大气相连的自由空间，那么一般情况下汽化过程可以一直进行到液体全部变为蒸气为止。当液体在有限的密闭空间内汽化时，则不仅有分子逸出液体表面而进入蒸气空间，而且也会有分子从蒸气空间落到液体表面，回到液体中。开始时，单位时间从液面逸出的分子多于返回液面的分子，蒸气空间中的分子数不断增加。但当蒸气空间中蒸气的密度达到一定程度时，在同一时间内逸出液面的分子就会与回到液面的分子数目相等，气、液两相达到了动态平衡，这种状态称为饱和状态。饱和状态下的液体和蒸气分别称为饱和液体和饱和蒸气。饱和蒸气的压力和温度分别称为饱和压力（用ps表示）和饱和温度（用ts表示），二者一一对应，且饱和压力愈高，饱和温度也愈高，例如：对于水蒸气，当ps=0.10325MPa时，ts=100；当ps=1MPa 时，ts=179.916。工程上应用的水蒸气，通常是在锅炉内对水定压加热产生的。下面用图51说明水蒸气的产生过程：假设一筒状容器中盛有1 千克0的水，在水面上有一个可以移动的活塞，施加一定的压力 ，在容器底部对水加热。水蒸

3、气的产生过程一般可以分为以下三个阶段： (1) 水定压预热假设容器中水的初始状态的压力为p、温度为0，如图51a所示。这时水温低于压力p对应的饱和温度ts ，所以称为未饱和水。随着热量的加入，水的温度逐渐升高，比体积也略有增加。当水的主体温度（即远离加热面的水温）升高到压力p所对应的饱和温度ts时，水达到饱和状态，成为饱和水，如图51b所示。饱和水的参数用相应参数符号上方加一撇表示，如v、h和s 分别表示饱和水的比体积、比焓和比熵。从图a到图b的过程为定压预热过程。(2) 饱和水定压汽化对饱和水继续加热，水开始汽化（沸腾），不断地变为蒸汽，水温保持饱和温度不变。这时容器内汽、液两相共存，统称为湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。湿蒸汽的温度和压力是两个互相依赖的参数，只给出温度和压力并不能确定湿蒸汽的状态。由于湿蒸汽是由压力，温度相同的干饱和蒸汽和饱和水按不同的质量比例所组成，所以要具体地确定湿蒸汽所处的状态，除了说明它的压力或温度外，还必须指出干饱和蒸汽和饱和水的质量比例。每千克湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量，称为湿蒸汽的干度，用x表示,即 (5-1)式中，和分别表示湿蒸汽中所含干饱和蒸汽和饱

4、和水的质量。当对湿蒸汽继续加热直到最后一滴水变为蒸汽时，容器中的蒸汽称为干饱和蒸汽，简称干蒸汽，如图5-1d所示。干蒸汽的比体积、焓和熵分别用 v、h和s表示。从图b到图d为水的定压汽化过程，整个汽化过程吸收的热量称为汽化潜热，以r表示，单位为J/kg。(3) 干蒸汽定压过热对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽的温度又开始上升，超过了该压力所对应的饱和温度，其比体积也继续增加，这时的蒸汽称为过热蒸汽，如图5-1e所示。从图d到图e为蒸气的定压过热过程，这一过程吸收的热量称为过热热量。过热蒸汽的温度与同压力下的饱和温度之差称为过热度。综上所述，水蒸气的定压形成过程经历了预热、汽化和过热三个阶段，并先后经历未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态。水蒸气的定压形成过程可以在p-v图与T-s图上表示，如图52所示。在p-v图上，它是一条水平线，a-b、b-d、d-e 分别为定压预热、定压汽化、定压过热过程。a、b、c、d、e分别表示与图51对应的五种状态。在T-s图上，水蒸气的定压形成过程线abcde分为三段：a-b为定压预热过程，过程中温度升高，熵增大，过程线向右上方倾斜；b-d为

5、定压汽化过程，压力和温度保持不变，熵增大，在T-s 图上为一水平线；d-e为定压过热过程，温度开始升高，熵继续增加，过程线向右上方倾斜。工质所吸收的总热量由T-s图上abcde过程线下投影面积表示。如果将不同压力下蒸汽的形成过程表示在p-v图与T-s 图上，并将不同压力下对应的状态点连接起来，就得到了图5-3中的a1a2a3 线，b1b2b3 线以及d1d2d3 线，它们分别表示各种压力下的0的水、饱和水以及干饱和蒸汽状态。a1a2a3 线近乎一条垂直线，这是因为低温时的水几乎不可压缩，压力升高，比体积基本不变。b1b2b3 线称为饱和水线或下界线，它表示的是不同压力下饱和水的状态。d1d2d3 线称为干饱和蒸汽线或上界线，它表示的是不同压力下干饱和蒸汽的状态。由图5-3可以清楚地看到，随着压力的增加，饱和水与干饱和蒸汽状态点间的距离逐渐缩短。当压力增加到某一临界值时，饱和水与干饱和蒸汽不仅具有相同的压力和比体积，而且还具有相同的温度和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差异已完全消失，在图中由同一点C表示，这个点称为临界点，这样一种特殊的状态称为临界状态。临界状态的各热力参数都加下角标

6、cr，如水的临界参数为：Pcr=22.064 MPa 、tcr=373.99、cr=0.003106/kg、hcr=2085.9 kJ/kg 、scr=4.4092 kJ/(kgk)。水在临界压力pcr下定压加热到临界温度tcr时，不存在汽液分界线和汽液共存的汽化过程，再加热就直接成为过热蒸汽。饱和水线CA与饱和蒸汽线CB 分别将p-v图和T-s图分为三个区域： CA的左方是未饱和水区域；CA线与CB线之间为汽液两相共存的湿蒸汽区域；CB线以右为过热蒸汽区域。 综上所述，在表示水的汽化过程的p-v图与T-s图上，有1点（临界点）、2线（上、下界线）、3区（液相区，汽液两相区，汽相区）和5态（未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干蒸汽、过热蒸汽）。1. 水蒸气的性质与理想气体差别很大，其p、v、T的关系不满足理想气体状态方程式 ，水蒸气的热力学能和焓也不是温度的单值函数，数学表达式的形式很复杂。为了便于工程计算，将不同温度和不压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过热蒸汽的比体积、焓、熵等各种状态参数列成表或绘成线算图，利用它们可以很容易地确定水蒸气的状态参数。1水与水蒸气表有两种表，一种是饱和水

7、与饱和蒸气表，另一种是未饱和水与过热蒸气表。为了使用方便，饱和水与饱和蒸气表又分为以温度为序和以压力为序的两种，如附录表5和表6所示。遵循国际规定，蒸汽表取三相点（即固、液、汽三相共存状态）液相水的热力学能和熵为零。在三相点，液相水的状态参数分别为p=611.7 Pa，v=0.00100021/kg、T=273.15K。u=0kJ/kg，s=0kJ/(kgK)。根据焓的定义，在三相点，液相水的焓值为h=u+pv=0+611.70.00100021=0.00061kJ/kg 0 kJ/kg在以温度为序的饱和水与饱和水蒸气表中，列出了不同温度对应的饱和压力ps ；而在以压力为序的表中则列出了与不同压力对应的饱和温度ts 。两种表都列出了饱和水与干饱和蒸汽的比体积、焓和熵，同时还列出了每千克饱和水蒸发为同温度下的干蒸汽所需要的汽化潜热r，显然r=h-h。由于湿蒸汽是由压力、温度相同的饱和水与干蒸汽所组成的混合物，要确定其状态，除知道它的压力（或温度）外，还必须知道它的干度x。因为1kg湿蒸汽是由x kg干蒸汽和（1x）kg饱和水混合而成的，因此，1kg湿蒸汽的各有关参数就等于xkg干蒸汽的相

8、应参数与（1x）kg饱和水的相应参数之和，即比热力学能u之值一般不列入表中，需要时可由u=h-pv计算。计算时应注意单位的统一，表中h的单位是kJ/kg，因此计算时p的单位要用kPa。附录表7是未饱和水和过热蒸汽表。表中粗黑线以上为未饱和水的参数，粗黑线以下为过热蒸汽的参数。对于未饱和水和过热蒸汽，已知任何两个状态参数都可以由附录表7确定出其它状态参数，以上三张表中没有列出的状态，可以通过直线内插法求得。2. 水蒸气的焓熵图利用蒸汽表确定蒸汽的状态虽然准确度高，但往往需要内插。此外，从水蒸气表上并不能直接查得湿蒸汽的参数，如果根据表中的数据制成状态图，则将克服以上不足。尤其对水蒸气的热力过程进行分析计算时，图比表更直观方便。 工程上分析水蒸气的热力过程时，最常用的是水蒸气的焓熵图（h-s图）。其结构如图54所示。图中C为临界点，CA为x=0的下界线（即饱和水线），CB为x=1的上界线（即干饱和蒸汽线）。ACB线的下面为湿蒸汽区，曲线CB的右上方为过热蒸汽区。在湿蒸汽区内标有定压线（即定温线）和定干度线。湿蒸汽区的定压线是倾斜的直线。根据热力学第一定律， ，对于可逆过程， ，于是可得定压

9、线的斜率 由于湿蒸汽的压力与温度是互相依赖的，所以湿蒸汽区的定压线也就是定温线。但在过热蒸汽区，从干饱和蒸汽线开始，定压线不再是直线，定压线的斜率随温度升高而增大，所以过热蒸汽区的定压线是向右上方弯曲的曲线。定温线与定压线在上界线处开始分离，并且随温度的升高及压力的降低定温线逐渐接近水平的定焓线。这表明此时水蒸气的性质接近于理想气体。在工程计算用的详图中还标有定容线，一般用红线标出，其斜率大于定压线。在焓熵图中，水及x0.7的湿蒸汽，所以实用的焓熵图只限于图54中右上方用虚线框出的部分，工程上用的h-s 图就是将这部分放大后绘制而成的。此外，在150以内，水的比热容可近似地取为4.187 kJ/(kg.K) 或1kcal/(kgK)，所以，温度不超过150时，水的焓h=4.187t kJ/kg 或 ht kcal/kg。与理想气体一样，分析水蒸气热力过程的目的是为了解过程中工质状态的变化规律，确定过程中工质与外界的能量交换。在热工计算中，经常遇到蒸汽的定压过程和绝热过程。蒸汽的形成与凝结过程都是在定压下进行的，这种情况下蒸汽与外界之间无功量交换，与外界交换的热量可以用焓差表示。蒸汽在蒸汽机或汽轮机中的膨胀作功过程可近似为绝热过程，如不考虑摩擦损失，则为可逆绝热过程，在 h-s图上为一垂直线，过程中与外界之间的功量交换也可用焓差表示。所以，h-s图用于水蒸气热力过程的定量计算极为方便。具体分析计算时，一般按下列步骤进行：(1) 根据初态的给定条件，在h-s图上（或水蒸气表中）查出初态的其它参数值。(2) 根据初态和过程的特点以及终态的一个参数值，确定终态，查出终态的其它参数值，并将过程表示在坐标图上。如图5-5所示。(3) 根据热力学基本定律，结合过程的特点，计算过程中工质与外界交换的能量，所采

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