第六章水和水蒸气的性质

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1、第六章第六章 水和水蒸气的性质水和水蒸气的性质水和水蒸气是实际气体的代表水和水蒸气是实际气体的代表水蒸气水蒸气在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体一般情况下，为一般情况下，为实际气体实际气体，使用图表，使用图表18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质世纪，蒸气机的发明，是唯一工质直到内燃机发明，才有燃气工质直到内燃机发明，才有燃气工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质优点优点:便宜，易得，无毒，便宜，易得，无毒，膨胀性能好，传热性能好膨胀性能好，传热性能好是其它实际气体的代表是其它实际气体的代表本章主要内容本章主要内容1.实际工质

2、的物性实际工质的物性3.水蒸气图表的结构和应用水蒸气图表的结构和应用4.水蒸气热力过程水蒸气热力过程2.水蒸气的产生过程水蒸气的产生过程水蒸水蒸气气蒸气蒸气蒸蒸汽汽SteamVaporWater Vapor 6-1 6-1 纯物质的热力学面及相图纯物质的热力学面及相图物质三种聚集状态：物质三种聚集状态：固态固态、液态液态、气态气态热力学面：热力学面：以以p,v,T表示的物质各种状态表示的物质各种状态 的曲面的曲面水的三态：水的三态：冰冰、水水、水蒸气水蒸气水的热力学面水的热力学面两相区两相区单相区单相区气液固pvT六个区：三个单相区、三个两相区六个区：三个单相区、三个两相区液-气固-气固-液p

3、vT饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点pv四个线：三个饱和线、一个三相线四个线：三个饱和线、一个三相线饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一个点：一个点：临界点临界点tptp611.2Pa,273.16KpT临界点临界点coc3c22.129MPa647.30K (374.15 C)m0.00326kgpTv水的水的临界临界点状点状态态饱和液线与饱和气线的交点饱和液线与饱和气线的交点气液两相共存的气液两相共存的pmax,Tmaxcc22TT0,0ppvv临临界界点点纯物质的纯物质的p p-T T相图相图ppTT液液液液气气气气固固固固水水一般物质一般物质三相点三相点三相点三相点临界

4、点临界点临界点临界点流体流体流体流体升华线升华线升华线升华线凝固线凝固线凝固线凝固线汽化线汽化线汽化线汽化线临界乳光现象临界乳光现象 思考题思考题没有。没有。t374.16 有有3.有没有有没有500C的水的水？1.溜冰冰刀溜冰冰刀2.北方冬天晾在外边的衣服，北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相是否经过液相4.有没有有没有-3 的水蒸气的水蒸气？5.一密闭容器内有水的汽液混合物，对其一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加热，是否一定能变成水蒸气？加热，是否一定能变成水蒸气？纯物质的纯物质的p p-T T相图相图ppTT液液液液气气气气固固固固水水一般物质一般物质三相点三相点三相点三相点临界点临

5、界点临界点临界点流体流体流体流体coc3c22.129MPa647.30K (374.15 C)m0.00326kgpTv饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点pv饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点临界点汽相和液相汽相和液相锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器因固相不流动，因固相不流动，更关心汽液两相更关心汽液两相冰蓄冷冰蓄冷6-2 6-2 汽化与饱和汽化与饱和沸腾：沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化表面和液体内部同时发生的汽化(气体和液体均处在饱和状态下气体和液体均处在饱和状态下)汽化汽化:由液态变成气态的

6、物理过程由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化不涉及化学变化)蒸发：蒸发：汽液表面上的汽化汽液表面上的汽化 BoilVaporization饱和状态饱和状态Saturation state饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和温度饱和温度Ts饱和压力饱和压力ps一一对应一一对应放掉一些水，放掉一些水，Ts不变，不变，ps？Tspsps=1.01325barTs=100 青藏青藏ps=0.6barTs=85.95 高压锅高压锅ps=1.6barTs=113.32 纯物质的纯物质的p p-T T相图相图ppTT液液液液气气气气固固固固水水一般物质一般物质三相点三相点三

7、相点三相点临界点临界点临界点临界点流体流体流体流体汽化线汽化线汽化线汽化线6-3 6-3 水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程t tsv vv=vv=vv v v未饱和水未饱和水饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽h hh=hh=hh h hs ss=ss=ss s s水预热水预热汽化汽化过热过热水蒸气定压发生过程说明水蒸气定压发生过程说明(1)()QUWUpdVUp VUpVH (2)fg0SSS (3)理想气体理想气体()hf T实际气体汽化时，实际气体汽化时，TTs不变，但不变，但h增加增加hh汽化潜热汽化潜热(4)未饱和水未饱和水过冷度过冷度s

8、ttt过冷过冷水过冷水过热蒸汽过热蒸汽过热度过热度sttt过热只有熵加热时永远增加只有熵加热时永远增加汽化潜热汽化潜热 汽化过程中汽化过程中1kg1kg液态物质（饱和液）液态物质（饱和液）完全转变为汽态时所需的热量称为完全转变为汽态时所需的热量称为汽化潜热。汽化潜热。未饱和液，过冷液未饱和液，过冷液饱和液饱和液饱和湿蒸气饱和湿蒸气饱和蒸气饱和蒸气过热蒸气过热蒸气汽化潜热汽化潜热压缩液压缩液安德鲁试验安德鲁试验对水在不同的对水在不同的压力下进行定压力下进行定压加热压加热安德鲁试验结果安德鲁试验结果一点一点两线两线三区三区五态五态一点一点物质的临界点物质的临界点两线两线饱和蒸汽状态连线（上界限线）

9、饱和蒸汽状态连线（上界限线）饱和液体状态连线（下界限线）饱和液体状态连线（下界限线）三区三区汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域汽态区：上界限线与临界等温线上段右侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域 湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域 五态五态过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。饱和蒸汽：饱和蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。一定压力

10、下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。湿蒸汽：湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。饱和液体：饱和液体：一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。一定压力下，温度等于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的液体。未饱和液体：未饱和液体：一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。一定压力下，温度低于对应饱和温度的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。或者说：一定温度下，压力高于饱和蒸汽压的液体。饱和线、

11、三相线和临界点饱和线、三相线和临界点pv饱和气线三相线饱和液线饱和固线T临界点一点一点两线两线三区三区五态五态纯物质的纯物质的p p-T T相图相图ppTT液液液液气气气气固固固固水水一般物质一般物质三相点三相点三相点三相点临界点临界点临界点临界点流体流体流体流体升华线升华线升华线升华线凝固线凝固线凝固线凝固线汽化线汽化线汽化线汽化线等压线上饱和态参数等压线上饱和态参数ptsv(m3/kg)vsskJ/(kg.K)0.0061120.01 0.00100022 206.1750.09.15621.099.63 0.00104341.6946 1.3027 7.36085.0151.85 0.0

12、0109280.374811.8604 6.821550.0263.92 0.00128580.03941 2.9209 5.9712221.29374.15 0.003260.00326 4.4294.429(bar)()使未饱和液达到饱和状态的途径使未饱和液达到饱和状态的途径p-v图，图，T-s图上的水蒸气定压加热过程图上的水蒸气定压加热过程一点，二线，三区，五态一点，二线，三区，五态6-46-4水和水蒸气的状态参数水和水蒸气的状态参数1.1.零点规定：零点规定：三相点液态水热力学能及熵为零三相点液态水热力学能及熵为零 tptp611.2Pa,273.16KpT2.2.温度为温度为0.01

13、0.01、压力为、压力为P P的过冷水：的过冷水：三相点液态水压缩得到三相点液态水压缩得到热力学第一定律热力学第一定律w01.忽略水的可压缩性；忽略水的可压缩性；2.水的比体积不变；水的比体积不变；3.温度不变。温度不变。u0=0q=0可逆过程可逆过程s0=0压力不高时，压力不高时，h h0 0003.3.温度为温度为t t、压力为、压力为P P的饱和水：的饱和水：温度为温度为0.01，压力为，压力为p p的过冷水在定压的过冷水在定压下加热至下加热至t t得到得到soTKppCptdTchh16.273,01.0,4.4.压力为压力为p p的干饱和蒸汽：的干饱和蒸汽：ph”3 MPa临临界界点

14、点h”h 汽化潜热：汽化潜热：vvpuuhhssTs 热力学能热力学能的增量的增量膨胀功膨胀功h”，h，和和 的变化趋势示于图中的变化趋势示于图中5.5.压力为压力为p p的湿饱和蒸汽：的湿饱和蒸汽：因为是两相混合物，需用干度因为是两相混合物，需用干度x确定其状态确定其状态vlvmmmx任一比参数任一比参数y（如如u、h、s、v等等）可由下式计算：）可由下式计算：1yxxyyx6.6.压力为压力为p p的过热蒸汽：的过热蒸汽：在饱和蒸汽的基础上继续加热，即得过热蒸汽。在饱和蒸汽的基础上继续加热，即得过热蒸汽。参数满足以下基本关系：参数满足以下基本关系：,ushvtushvts过热度：过热度：s

15、ttt过热热量：过热热量：hhqsur6-5 水蒸气的表和图水蒸气的表和图1.水蒸气表（水蒸气表（饱和水和干饱和蒸汽表、未饱饱和水和干饱和蒸汽表、未饱和水和过热蒸汽表和水和过热蒸汽表）2.T-S图图优点：便于循环分析优点：便于循环分析分为：分为：湿区和过热区；湿区和过热区；定干度线、定压线等。定干度线、定压线等。缺点：热量和功以面积表示缺点：热量和功以面积表示 计算不便计算不便sTCx=0 x=13.水蒸气的水蒸气的h-s图图湿蒸汽区：定湿蒸汽区：定压线定温线压线定温线二区：二区：过热蒸汽区过热蒸汽区湿蒸汽区湿蒸汽区三线：三线：定压线定压线定干度线定干度线定温线定温线粗红线为界粗红线为界h-s

16、图优点：用线段的优点：用线段的长度长度表示表示热量热量和和功功；分为：过热蒸汽区和湿蒸汽区；定压分为：过热蒸汽区和湿蒸汽区；定压线、定干度线、定温线。线、定干度线、定温线。湿蒸汽区：定压线定温线湿蒸汽区：定压线定温线定压过程热量定压过程热量=焓差；绝热过程技术功焓差；绝热过程技术功=焓差焓差锅炉蒸气产生锅炉蒸气产生水蒸气在汽轮机中膨胀水蒸气在汽轮机中膨胀6-6 水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程任务：任务：确定初终态参数，确定初终态参数，计算过程中的功和热计算过程中的功和热 在在p-v、T-s、h-s图上表示图上表示热力过程：热力过程：p s T v 水蒸气的基本过程水蒸气的基本过程分析步骤：分

17、析步骤：根据初态的两个参数根据初态的两个参数（p,t），），（p,x）或（）或（t,x）从表或图中查得从表或图中查得其它参数其它参数根据过程特征和一个终态参数根据过程特征和一个终态参数确定终态，再从表或图上查得其确定终态，再从表或图上查得其它参数它参数根据求得的初、终态参数计算根据求得的初、终态参数计算q，w等等注意理想气体过程的区别注意理想气体过程的区别第一定律与第二定律表达式均成立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理想气体特有的性质和表达式不能用tqdhwqduwwpdvtwvdp qTdsiso0dspvRT()uf T()hf T22p11lnlnTpscR

18、Tp pvccRp1kcRkv11cRk可逆可逆水蒸气的定压过程水蒸气的定压过程q=h wt=0342pv1qhvdp 例：例：锅炉中，水从锅炉中，水从30，4MPa,定压加热到定压加热到450 q=h2-h1ts(4MPa)=250.33锅炉、换热器锅炉、换热器水蒸气的定压过程水蒸气的定压过程例：例：水从水从30，4MPa,定压加热到定压加热到450 q=h2-h12Tshs2h1=129.3 kJ/kg h2=3330.7 kJ/kgh2h1134143=3201.4kJ/kg水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程p12pvp2不可逆过程：不可逆过程：汽轮机、水泵汽轮机、水泵12可逆过程：可逆过

19、程：s1 2 1 2q=0t12whhh 水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵汽轮机、水泵q=0t12whh212Ts不可逆过程：不可逆过程：可逆过程：可逆过程：st12whhp1p2水蒸气的绝热过程水蒸气的绝热过程汽轮机、水泵汽轮机、水泵q=0t12whhhs不可逆过程不可逆过程 可逆过程：可逆过程：st12whhp1p221h1h2h22透平内效率透平内效率 12oi12hhhh水蒸气的定温过程水蒸气的定温过程pv实际设备中很少见实际设备中很少见TCTcT远离饱和远离饱和线，接近线，接近于于理想气理想气体体水蒸气的定温过程水蒸气的定温过程12Tshs122理想气体理想气体 测量干度原理测量干度原理 绝热节流绝热节流可逆过程：可逆过程：qTdsT stwqh12水蒸气的定容过程水蒸气的定容过程实际设备中不常见实际设备中不常见12pv水蒸气的定容过程水蒸气的定容过程1TshspT212vpv