工程热力学第七章水蒸气教案

1） 第七章 水蒸汽
） 水蒸气是工程上应用较广泛的一种工质，例如蒸汽动力装置、压气式制冷装置都是以水蒸气作为工质来实现热能→机械能相互转化的。

这些动力装置也可用燃气或其他工质代替，那为什么要用水蒸汽呢？原因如下
） 1、水蒸气容易获得，只要通过水的定性加热即可获得。

） 2、有事宜的热力状态参数，靠卡诺循环、朗肯循环
） 3、不会污染环境
） 由于水蒸汽处于离液态较近的状态，常有集态现象而且，物理性质也很复杂，所以不能把它看作是理想气体，理想气体的状态方程式以及由它推导的其他计算公式一般都不能用来分析和计算水蒸汽。

所以必须对水蒸汽的性质另行研究。

） 这章重点研究：1、水蒸汽产生的一般原理
） 2、水蒸汽状态参数确立
） 3、水蒸汽图表的结构及应用
） 4、计算水蒸汽热力过程中的,q w ）
） 7—1 基本概念和术语
） 1、汽化：物质有液态转化为气态的过程。

） 蒸发：在液态表面上进行的汽化过程，在任何温度下进行
） 汽化的形式
沸腾：在液体内部和表面同时进行剧烈的汽化现象。

沸腾时温度保持不变
解释：蒸发在任何温度下都可进行，它是由于液体表面总有一些能量较高的分子，克服临近分子的引力而脱离叶面，逸入液体外的空间，t 越高，能量较大的分子越多，蒸发愈激烈，汽化速度取决于温度。

沸腾时，实在液体内部产生大量的汽泡。

汽泡上升到液面，破裂而放出大量的蒸汽， 工业上用的蒸汽都是通过沸腾的方式获得，液体在沸腾时温度不变，虽加热也保持不变，且液体和气体的温度相同。

沸腾时的温度叫沸点。

()ts f p =
2、液化：蒸汽转变为液体的现象，液化和汽化时相反的过程，他取决于(p)
3、饱和状态：当液体和蒸汽处于动平衡的状态
解释：当液体在有限的密闭空间里汽化时，不仅液体表面的液体分子蒸发到空间去，而空间的蒸汽分子也会因分子密度大，压力增大，撞击到液体表面回到液体中， 当液面上空的蒸汽分子密度达到一定程度时，在单位时间内逸出液面和回到液面的分子数相等时，蒸汽和液体的无量保持不变，汽、液两相处于动平衡状态。

4、饱和温度：当汽体和液体处于饱和状态时，液体和汽体温度称饱和温度
5、饱和压力：()s ts f p =
6、饱和蒸汽：处于饱和状态的蒸汽
7、饱和液体：处于饱和状态的液体
8、温饱和蒸汽：饱和液和饱和蒸汽的混合物，称温饱和蒸汽
9、干饱和蒸汽：不含饱和液的饱和蒸汽
10、过热蒸汽：如果蒸汽的温度超过其压力对应的饱和温度
11、为饱和液体：液体温度低与其压力对应的饱和温度
7—2 水蒸汽的定压发生过程
工程上所用的水蒸汽通常是通过水在气锅内定压沸腾汽化而产生的。

设1kg 工质（0.01℃的纯水）在2
1/kg cm 下定压加热
经历三个阶段
预热阶段：由未饱和水→饱和水 汽化阶段：饱和水→干饱和蒸汽 水蒸汽的获得 过热阶段：干饱和汽→过热汽 五种状态：
未饱和水、饱和水、温饱和蒸汽、干饱和蒸汽、
过热蒸汽
1kg ，0.01℃的水在1ba 的压力下 10q h h '=- 加热到99.36℃沸腾 2q r h h '''==-
3q h h ''=-
改变压力，相应有不同的饱和温度，可得到类似的汽化过程，三个过程，五种状态。

总结：
一个点：临界点 C 二条线：饱和水线、饱和蒸汽线
三个区：过冷水区、温蒸汽区、过热区
五个状态：过饱水、饱和水、温饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽 低温时
0001,2,3在同一条垂线上，因水几乎不可压缩，P V ↑→几乎不变，且压缩后温度
升高极小。

0'1'2'3'向右倾斜，因水受热膨胀的影响大于压缩影响。

,','t p v s ↑→↑1''2''3''向左倾斜，因蒸汽受热膨胀的影响小于压缩的影响，Ps 增
长较Ts 快：,Ps v s ''''↑→↓↓故,Ps ts v v '''↑↑-↓汽化中吸取的热量
()Ts s s '''-↓当221.234.15P bar ts ↑=→=℃0.00317v v '''==℃，水蒸汽与饱
水
从0.01℃→99.63℃开始沸腾，10-1’表示v '略增大=0.00104343
/m kg 继续加热直至全部变成蒸汽 ， t 不变=99.63℃
31.6946/v m kg '=
11'''-表示
在继续加热P 不变 温度v ↑→↑
11''-表示。

在Pc 处加热到Tc ，水全部汽化
加re 过热蒸汽，这
点城临界点，Pc Tc Vc ，当
t tc >时，
无论P 多大，也不能使蒸汽液化。

故在T-S 图上，定压线与MC 是沸点
和水不再有分别。

7—4 水和水蒸汽的参数
水蒸汽和水的参数P,t,v,h,s 均能从表中查得，也能从图中查得。

故在实际计算中完全根据表，图决定水和水蒸汽得参数，这议长我们主要介绍这些参数之间的关系和根据图表查得的数据进行辅助性计算。

一、零点得规定：
国际水蒸汽会议规定，水的三相点的液相水作基准，规定次状态下的
00u '=00s '=
此时 00.01TP t t ==℃
03
00.0091120.00100022/TP P P bar v kg m =='=
故 0000.0006140h u pv ''=+=≈ 二、温度为0.01℃压力为P 的过冷水
()t ts f Ps <=
因为水的不可压缩性，则0dv = 故： w 过2
1
0pdv =
=⎰
又有t 不变 ，则 000u u '==
000s s '==
所以有
0000
0.000611/0
q u pdv h u pv KJ Kg =∆+='''=+≈≈⎰
三、t ts = 压力为P 的饱和水
273.16
Ts
l q CpdT =⎰
当0.01t <℃,Cp 可看作是定值。

4.18KJ Cp Kg K
=⋅
即 4.18(273.16) 4.18l q Ts ts =-= ∵P 不变，则0l p q q h h '==-
273.16'' 4.18ln
273.16
p Ts
h q h dT Ts s Cp T ⇒=+==⎰
当0.01t >℃,Cp 变化很大，,l q h 不能按上式计算，必须查图表，根据P, t
查得',',h s v '''u h pv =- 四、t ts =压力为P 的干饱和蒸汽
(''')'''(''')(''')r Ts s s h h u u p v v =-=-=-+-
即
''''''''''''h h r u h pv r
s s Ts
=+=-=+
'','','',h u s r 均可从表中查得。

五、压力为P 的温饱和蒸汽
由于温蒸汽是由压力，温度相同的饱和水和饱和蒸汽所组成的温饱和物，因此要确定温蒸汽的参数除了说明p ， t 外还要说明干度x ，因为1kg 湿蒸汽由xkg 饱和蒸汽和1—xkg 得饱和水组成。

vap vat vap
m x m m =
+
''(1)'
''(1)':'''(1)''x x x x x x x
v xv x v h xh x h or h h xr r s xs x s s x Ts
u h pv =+-=+-=+=+-=+⋅=-x s
因为''.'.''.'.'.''h h s s v v 从表中可以查出得，若已知x ，则可计算,,,x x x x h s v u 另外
,,,x x x x h s v u 也可以从图中查得，湿蒸汽的p, t 均为饱和值，,,,x x x x h s v u 点界于'
h 与''h ，'s 与''s ，'u 与''u 之间，如果某一值大于（‘） or 小于（’’）则断定是湿蒸汽。

六、压力为P 的过热蒸汽
2
1
273.16
''su su Ts T
Ts q CpdT
h h q dT r dT s Cp
Cp T Ts T
==+=++⎰⎰
⎰
[]0,1x ∈
0x =饱和水 1x = 饱和汽
01x << 湿蒸汽 1x >0x < 都没
有意义
因为C 随T 的变化很大，应不适于计算，所以过热蒸汽的参数只能查表or 图。

7—5 水蒸汽表和图
一、表
水蒸汽湿一种不同于理想气体的实际气体， 它的参数P V T 之间不
符合PV RT =通过实验得到得水蒸汽状态方程式也非常复杂，而且，由于理论分析方法、测试技术的差异得到的结果也有所不同，所以，国际会议研究室将实验
和分析计算得到的数据列成表——水蒸汽表
以t 为序的饱和水和饱和蒸汽表
三种 以p 为序的饱和水和饱和蒸汽表
按压力温度， 过热蒸汽与过冷水
注意：①表中的“'”表示饱和水参数
②表中的“''”表示饱和蒸汽参数
③过冷水与过热蒸汽用“——”隔开但计算时要区分开，过冷水用“0”表示，（下角标）过热蒸汽参数没有修编。

④表中编制以0.01℃时的液相水为基准。

0000,0,0u h s ===
二、图
利用水蒸汽表确定水or 水蒸汽状态参数的优点是准确度很高，但不可能将所有的状态点的参数值一一列出，有时需用内插法确定，此外水蒸汽表不能直接查出湿蒸汽的参数值，需要通过湿蒸汽与饱和水，饱和汽的参数关系计算得到。

如图，将表中的数据绘成图，由图查得就会方便的多。

① T —S 图，分析循环有特殊的作用，优点，但计算q w,较繁。

二种
②H —S 图，普遍适用
h —s 图
1、结构
图中的C 电位临界点，曲线AC 为饱和水线，CB 为饱和汽线，ACB 下面是湿蒸汽区，曲线CB 上方是过热蒸汽区，在湿蒸汽区有定压线（定温线）斜直线，干度线在过热区，有定压线，斜率增加向上倾斜，定温线由左→右延伸，定容线
与定压线去向相同，只是斜率达一些，由于工程上用的水蒸汽都是过热蒸汽or 50%x >的水蒸汽，对于50%x <的湿蒸汽图中未载，但仍由表中计算。

1、 作用
（1）可以根据(,).(,).(,)p t p x t x 查得状态点在图中的位置。

便可知其他参数。

（2）也可根据初态参数，通过热力过程，查得终态参数，即而计算过程中的q ，w 。

7—6 水蒸汽的基本热力过程
分析水蒸气热力过程的目的—确定过程的能量转换关系，包括w 、q 以及Δu 和Δh 等。

因此，需确定状态参数的变化。

确定过程的能量转换关系的依据为热力学第一、二定律：
可用水蒸气表及图，依照过程的特点来确定各状态的参数。

一、定容过程
v 1=v 2,于是可得：
干度线只在湿蒸汽区有概念，工程上x>0.7。

过热区，定
温线较平坦，越往
右越接近水平线→理想气体。

()h f t =
理：h T →
表的优点：液体热、汽化潜热和过热量及功量计算，直接用图上的线算表示方便。

∵定压线下的
21q h h =-
绝热膨胀的
12t w h h =-
定温21()q T s s =-
二、定压过程
p1=p2,于是可得：
三、定温过程
T1=T2,于是可得：
四、定熵过程
s1=s2,于是可得：
注意：
1、 过程可逆
2、 用K
PV C =计算时，K 纯经验数，即绝热过程不能用此式计算 3、 2
1
w pdv =
→⎰
用○P ○V 方便
2
1
q Tds =→⎰用○T ○S 方便
例题：0.1kg 水盛于一绝热的刚性容器中，工质的压力的0.3Mpa ，干度为0.763。

一搅拌轮置于容器中，由外面马达带动旋转，直到水全变为饱和蒸汽。

求： （1）完成此过程所需的功； （2）水蒸汽最终的压力和温度。

解：取容器内的工质为系统，搅拌轮搅拌工质的功变为热，是不可逆过程。

（1）系统绝热，q =0。

系统的边界为刚性，因而没有容积变化功，可是由于搅拌轮搅拌，外界对系统作了功。

由热力学第一定律
)(21u u m U W -=∆=
即外界消耗的功变了热，工质吸收热内能增加，因而只要计算初终态的内能变化就可求得耗功量。

对于初态，已知p 1=0.3Mpa ，x =0.763，于是
/kg m 4643.06058.0763.0001074.0)763.01()1(311
1
=⨯+-=''+'-=v x v x v
kJ/kg 6.22125.2725763.04.561)763.01()1(111
=⨯+-='
'+'-=h h x h
kJ/kg
2074104643.0103.06.2212361
111
=⨯⨯⨯-=-=-v p h u
因为容器是刚性的，终态和初态比容相等，因而终态是v 2=0.4643m 3
/kg 的干饱和蒸
汽。

由饱和水与饱和蒸气表可查得相应于v 2=2
v ''=0.4624时的压力p 2=0.4Mpa ，温总结：
1、 水蒸汽发生原
理
2、 表、图结构。

3、 热力过程
度t 2=143.62℃。

由查得的终态参数可计算出终态的内能u 2=2253.6kJ/kg 。

所以，搅拌轮功为
kJ
0.48)20746.2553(1.0)
(12=--=-=u u m W
（2）终态为v 2=v 1、x =1的干饱和蒸气，p 2=0.4Mpa ，t 2=143.62℃。