§1水的相变及相图

§1⽔的相变及相图
§1⽔的相变及相图
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概述
1.⽔蒸⽓是热⼒⼯程中最为常见的⼯质
在18世纪发明的蒸⽓机，⽔蒸⽓是唯⼀的⼯质，直到内燃机发明，才有了燃⽓⼯质。

尽管在各种热⼒设备或系统中，已采⽤了其他物质作为⼯质，如空⽓、各种制冷剂、燃⽓等等，但⽔蒸⽓⽬前仍是暖通、⽕⼒发电、核电、化⼯等⾏业热⼒设备或系统中最为普遍采⽤的⼯质。

作为⼯质，⽔蒸⽓具备：来源丰富，耗资少，⽆毒⽆味，⽐热容⼤，传热好，良好的膨胀和载热性能等优点。

2.⽔蒸⽓是实际⽓体
⽔蒸⽓在⼯程应⽤中，⼀般处于离液态不远的状态，是⼀种实际⽓体。

只有在空⽓中，由于其含量极⼩，可视作理想⽓体处理。

在热⼒设备或系统⼯作过程中，涉及到物质的聚集态主要是液态和⽓态。

那么，对于⾮理想⽓体的性质及其热⼒过程如何分析呢？本章将以⽔蒸汽为例，说明实际⽓体热⼒性质的基本特点和确定⽅法、参数计算以及基本热⼒过程分析的基本⽅法。

重点内容：
了解实际⽓体热⼒性质的基本特点，与理想⽓体的区别所在。

⼀、纯物质聚集态的变化
纯物质通常以三种聚集态固相、液相及⽓相状态存在。

1.纯物质聚集态的变化
融解与凝固→固态与液态；汽化与凝结→液态与⽓态；升华与凝华→固态与⽓态。

2.聚集态变化的影响因素
纯物质种类、压⼒、温度
⼆、纯物质的p-t相图
1. p-t相图
指在p-t图上，纯物质在发⽣聚集态变化时压⼒及温度的变化规律。

如图7-2所⽰。

注意：
(1)三相点是三条相平衡曲线的交点。

(2)临界点以上区域（虚线以上区域，即温度及压⼒均⾼于临界点温度及压⼒）为⽓液相不分或共存区域，只体现流体的特性。

(3)多数物质压⼒增⼤将使凝固点温度增加。

但对于⽔等少数物质，压⼒的增⼤将使其凝固点温度降低。

图7-2 纯物质的p-t相图
2.⼏个基本概念
(1)三相点与临界点（每种纯物质的三相点与临界点的压⼒和温度都是唯⼀确定的。

）
临界状态(临界点)：临界点（状态）是⽓-液共存的状态，⽽且⽓、液的状态参数值相同，例如具有相同的⽐容、密度等等。

▲任何纯物质都有⾃⼰唯⼀确定的临界状态，⽽且临界参数是唯⼀确定的，分别为临界温度T c、临界压⼒p c和临界⽐容v c，是实际⽓体性质的重要参数。

▲在p≥p c下，定压加热过程不存在汽化段，⽔由未饱和态直接变化为过热态。

▲当t>t c时，⽆论压⼒多⾼都不可能使⽓体液化。

▲在临界状态下，可能存在超流动特性。

▲在临界状态附近，⽔及⽔蒸⽓有⼤⽐热容特性。

三相点：在⼀定的温度和压⼒下，⽓相、液相和固相三相共存⽽处于平衡的状态，称为三相点，对应的温度和压⼒称为三相点温度和压⼒。

▲三相点为实现⽓相和液相转变的最低点
▲三相点是出现固相物质直接转变为⽓相物质的升华现象的起始点。

▲对于每种物质，其三相点的温度及压⼒都有确定的数值，是实际⽓体性质的重要参数之⼀。

(2)相平衡曲线：包括融解线（或与凝固线）；汽化线（或凝结线）；升华线（或凝华线）。

(3)单相区：固相区、液相区及⽓相区。

3.⽔的临界点
⽔临界点：p c=22.129MPa，t c=374.15 ℃。

4.⽔的三相点
⽔三相点：p A=611.2Pa，t A=0.01 ℃。

部分纯物质的三相点参数见表7-1。

可以看出常温常压下为⽓态物质的三相点温度极低，⽽固态物质的三相点温度较⾼。

表7-1 部分纯物质的三相点参数
mercury —汞，⽔银。

zinc —锌 (Zn)。

三、汽化与凝结的微观解释
1.汽化与凝结
汽化是由液态变成⽓态的物理过程，其中⼯质需要吸收热量。

⽽凝结则是由⽓态变成液态的物理过程，在此过程中⼯质需要放出热量。

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液体汽化有两种形式：蒸发和沸腾。

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
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
沸腾是在某⼀特定温度（饱和温度）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象。

液体沸腾时，尽管对其继续同，在给定的压⼒下，沸腾
加热，但液体的温度保持不变。

凝结是汽化相反的过程，同沸腾现象相同只能在某⼀特定温度（饱和温度）下发⽣。

2.微观解释
(1)密闭容器中的汽化与凝结
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，则⽓、液两相达到了动态平衡。

见图7-3。

图7-3密闭容器中物质汽化与凝结的微观机理
(2)具有⾃由液⾯的汽化
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。

(3)饱和状态
饱和状态。

上述液⾯上蒸⽓空间中的蒸⽓和液体两相达到动态平衡的状态称为饱和状态。

使未饱和液体达到饱和状态的途径：
3.饱和蒸⽓压曲线
饱和温度与饱和压⼒存在⼀⼀对应关系，据两者的函数关系p s＝f(t s),绘出的曲线称为饱和蒸汽压曲线，如图7-4所⽰。

对于⽔饱和蒸汽压函数关系为：
，其中压⼒p s的单位为MPa。

四、H2O的“五态”
⽔蒸⽓的“五态”包括：未饱和⽔、饱和⽔、湿饱和蒸汽、⼲饱和蒸汽和过热蒸汽五种
图7-4 部分物质的饱和蒸⽓压曲线
状态。

▲未饱和液体（Unsaturated-liquid）：t<t s(p s)，过冷度t s-t描述了远离饱和状态的程度。

▲饱和液体(Saturated-liquid)、饱和湿蒸汽(Saturated Wet-vapor)、饱和蒸汽(Saturated-Vapor)：均为饱和状态。

其中的汽相称为饱和蒸汽，液相称为饱和液体，汽液共存则为饱和湿蒸汽。

▲过热蒸汽（Supersaturated-vapor）：t> t s(p s)，过热度t- t s描述了远离饱和状态的程度。

五、H2O的p-v-t热⼒学⾯
以压⼒p、温度T及⽐容v的三维坐标系表⽰⽔的各种状态的曲⾯，称为p-v-T热⼒学⾯，如图7-5所⽰。

图7-5 H2O的p-v-t热⼒学⾯
前述的纯物质的p-t相图实际上是p-v-t热⼒学⾯在p-t坐标⾯上的投影，⽽p-v相图则是p-v-t热⼒学⾯在p-v坐标⾯上的投影，见图7-6。

图7-6 p-v-t热⼒学⾯与p-t相图间的关系
应该注意p-v-t热⼒学⾯包括：
⼀个点：临界点；
四个线：三个饱和线和⼀个三相线；六个区：三个单相区和三个两相区。