第八章 實(shí)際氣體與水蒸汽的性質(zhì)

1、第八章第八章 水蒸汽的性質(zhì)水蒸汽的性質(zhì) 中南大學(xué)航空航天學(xué)院中南大學(xué)航空航天學(xué)院 水和水蒸氣是實(shí)際氣體的代表水和水蒸氣是實(shí)際氣體的代表 水蒸氣水蒸氣 在空氣中含量極小，當(dāng)作在空氣中含量極小，當(dāng)作理想氣體理想氣體 一般情況下，為一般情況下，為實(shí)際氣體實(shí)際氣體，使用圖表，使用圖表 18世紀(jì)，蒸氣機(jī)的發(fā)明，是唯一工質(zhì)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)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)目前仍是火力發(fā)電、核電、供暖、化工的工質(zhì) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 便宜，易得，無毒，便宜，易得，無毒， 膨脹性能好，傳熱性能好膨脹性能好，傳熱性能好 是其它實(shí)際氣體的代表

2、是其它實(shí)際氣體的代表 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 1. 實(shí)際工質(zhì)的物性實(shí)際工質(zhì)的物性 3. 水蒸氣圖表的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用水蒸氣圖表的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 4. 水蒸氣熱力過程水蒸氣熱力過程 2. 水蒸氣的產(chǎn)生過程水蒸氣的產(chǎn)生過程 水蒸氣水蒸氣蒸氣蒸氣蒸汽蒸汽 SteamVapor 8.1 純物質(zhì)的熱力學(xué)面及相圖純物質(zhì)的熱力學(xué)面及相圖 物質(zhì)三種聚集狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、物質(zhì)三種聚集狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、 氣態(tài)氣態(tài) 熱力學(xué)面：以熱力學(xué)面：以p,v,T表示的物質(zhì)各種狀態(tài)表示的物質(zhì)各種狀態(tài) 的曲面的曲面 水的三態(tài)：水的三態(tài)：冰、冰、 水、水、 蒸汽蒸汽 Pure substance Solid Liquid Gas Ice W

3、ater Steam 水的熱力學(xué)面水的熱力學(xué)面 兩相區(qū)兩相區(qū) 單相區(qū)單相區(qū) 氣 液 固 六個(gè)區(qū)：三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)兩相區(qū)六個(gè)區(qū)：三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)兩相區(qū) 液-氣 固-氣 固-液 飽和線、三相線和臨界點(diǎn)飽和線、三相線和臨界點(diǎn) p v 四個(gè)線：三個(gè)飽和線、一個(gè)三相線四個(gè)線：三個(gè)飽和線、一個(gè)三相線 飽和氣線 三相線 飽和液線 飽和固線 T 臨界點(diǎn) 一個(gè)點(diǎn)：一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn)臨界點(diǎn) tptp 611.2Pa,273.16KpT Saturation lineTriple line 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)Critical point c o c 3 c 22.129MPa 647.30K (374.15 C) m 0.0

4、0326 kg p T v 水的水的 臨界臨界 點(diǎn)狀點(diǎn)狀 態(tài)態(tài) 飽和液線與飽和氣線的交點(diǎn)飽和液線與飽和氣線的交點(diǎn) 氣液兩相共存的氣液兩相共存的pmax,Tmax 等溫線是鞍點(diǎn)等溫線是鞍點(diǎn) c c 2 2 T T 0,0 pp vv 臨臨 界界 點(diǎn)點(diǎn) 純物質(zhì)的純物質(zhì)的p-T相圖相圖 p p TT 液液 液液 氣氣 氣氣 固固 固固 水水一般物質(zhì)一般物質(zhì) 三相點(diǎn)三相點(diǎn) 三相點(diǎn)三相點(diǎn) 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn) 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn) 流體流體流體流體 升華線升華線升華線升華線 凝固線凝固線 凝固線凝固線 汽化線汽化線汽化線汽化線 思考題思考題 沒有。沒有。t374.16 有有 3. 有沒有有沒有500C的水的水？ 1.

5、溜冰冰刀溜冰冰刀 2. 北方冬天晾在外邊的衣服，北方冬天晾在外邊的衣服，是否經(jīng)過液相是否經(jīng)過液相 4. 有沒有有沒有-3 的蒸汽的蒸汽？ 5. 一密閉容器內(nèi)有水的汽液混合物，對(duì)其一密閉容器內(nèi)有水的汽液混合物，對(duì)其 加熱，是否一定能變成蒸汽？加熱，是否一定能變成蒸汽？ 純物質(zhì)的純物質(zhì)的p-T相圖相圖 p p TT 液液 液液 氣氣 氣氣 固固 固固 水水一般物質(zhì)一般物質(zhì) 三相點(diǎn)三相點(diǎn) 三相點(diǎn)三相點(diǎn) 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn) 流體流體流體流體 c o c 3 c 22.129MPa 647.30K (374.15 C) m 0.00326 kg p T v 飽和線、三相線和臨界點(diǎn)飽和線、三相線和臨

6、界點(diǎn) p v 飽和氣線 三相線 飽和液線 飽和固線 T 臨界點(diǎn) 8.2 汽化與飽和汽化與飽和 沸騰：沸騰：表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的汽化表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生的汽化 ( (氣體和液體均處在飽和狀態(tài)下氣體和液體均處在飽和狀態(tài)下) ) 汽化汽化: 由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過程 (不涉及化學(xué)變化不涉及化學(xué)變化) 蒸發(fā)：蒸發(fā)：汽液表面上的汽化汽液表面上的汽化 Boil Vaporization 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)Saturation state 飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡飽和狀態(tài)：汽化與凝結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡 飽和溫度飽和溫度Ts 飽和壓力飽和壓力ps 一一對(duì)應(yīng)一一對(duì)應(yīng) 放掉一些水，放掉一

7、些水，Ts不變，不變， ps？ Ts ps ps=1.01325bar Ts=100 青藏青藏ps=0.6bar Ts=85.95 高壓鍋高壓鍋ps=1.6barTs=113.32 Saturation temperature Saturation pressure 純物質(zhì)的純物質(zhì)的p-T相圖相圖 p p TT 液液 液液 氣氣 氣氣 固固 固固 水水一般物質(zhì)一般物質(zhì) 三相點(diǎn)三相點(diǎn) 三相點(diǎn)三相點(diǎn) 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn) 流體流體流體流體 汽化線汽化線汽化線汽化線 8.3 水蒸氣的定壓發(fā)生過程水蒸氣的定壓發(fā)生過程 t ts v vv = vv = vv v v 未飽和水未飽和水 飽和水飽和水

8、飽和濕蒸汽飽和濕蒸汽 飽和干蒸汽飽和干蒸汽 過熱蒸汽過熱蒸汽 h hh = hh = hh h h s ss = ss = ss s s 水預(yù)熱水預(yù)熱汽化汽化過熱過熱 水蒸氣定壓發(fā)生過程說明水蒸氣定壓發(fā)生過程說明 (1) () QUWUpdV Up VUpVH (2) fg 0SSS (3) 理想氣體理想氣體( )hf T 實(shí)際氣體汽化時(shí)，實(shí)際氣體汽化時(shí)，TTs不變，但不變，但h增加增加 hh 汽化潛熱汽化潛熱 (4) 未飽和水未飽和水 過冷度過冷度 s ttt 過冷 過冷水過冷水 過熱蒸汽過熱蒸汽 過熱度過熱度 s ttt 過熱 只有熵加熱時(shí)永遠(yuǎn)增加只有熵加熱時(shí)永遠(yuǎn)增加 c p c T c

9、T A B C A C B c TT c TT c pp c pp 3 a 3 b 3 d 3 e 3 c 3 a 3 b 3 d 3 e 3 c 2 c 2 a 2 b 2 d 2 e 2 c 2 a 2 b 2 d 2 e 1 c 1 a 1 b 1 d 1 e1 c 1 a 1 b 1 d 1 e T s p-v圖，圖，T-s圖上的水蒸氣定壓加熱過程圖上的水蒸氣定壓加熱過程 p v c p 一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài)一點(diǎn)，二線，三區(qū)，五態(tài) 等壓線上飽和態(tài)參數(shù)等壓線上飽和態(tài)參數(shù) pts v (m3/kg) vss kJ/(kg.K) 0.0061120.01 0.00100022 206.17

10、5 0.09.1562 1.099.63 0.00104341.6946 1.3027 7.3608 5.0151.85 0.00109280.374811.8604 6.8215 50.0263.92 0.00128580.03941 2.9209 5.9712 221.29374.15 0.003260.00326 4.4294.429 (bar)() bdb d 定壓加熱線與飽和液線相近的說明定壓加熱線與飽和液線相近的說明 當(dāng)忽略液體當(dāng)忽略液體cp變化，變化， 2 1 ln0 qT sc TT ( , )uf T v 0qdupdv 不同的不同的p，液體近似，液體近似不可壓不可壓，v不變

11、不變 對(duì)每個(gè)對(duì)每個(gè)不變的不變的T 8.4 水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)及其圖表水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)及其圖表 狀態(tài)公理：狀態(tài)公理：簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)立變量簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)立變量 未飽和水及過熱蒸汽，一般已知未飽和水及過熱蒸汽，一般已知p、T即可即可 飽和水和干飽和蒸汽，只需確定飽和水和干飽和蒸汽，只需確定p或或T 濕飽和蒸汽，濕飽和蒸汽， p和和T不獨(dú)立，汽液兩相不獨(dú)立，汽液兩相 1875年，吉布斯提出了年，吉布斯提出了吉布斯相律吉布斯相律 吉布斯相律吉布斯相律 Gibbs phase rule 無化學(xué)反應(yīng)時(shí)，熱力系獨(dú)立參數(shù)數(shù)目為無化學(xué)反應(yīng)時(shí)，熱力系獨(dú)立參數(shù)數(shù)目為 2Kf 獨(dú)立強(qiáng)度參數(shù)數(shù)獨(dú)立強(qiáng)度參

12、數(shù)數(shù) 組元數(shù)組元數(shù) 相數(shù)相數(shù) 對(duì)于水對(duì)于水1K 單元系單元系 單相單相1f 22個(gè)（個(gè)（ p和和T） 兩相兩相2f 1 1個(gè)（個(gè)（ p或或T） 三相三相 3f 0 0個(gè)（個(gè)（ p和和T定值）定值） 四相四相 4f 0不可能不可能 水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)水和水蒸氣狀態(tài)參數(shù)確定的原則確定的原則 1、未飽和水及過熱蒸汽、未飽和水及過熱蒸汽 確定任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，如：確定任意兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，如：p、T 2、飽和水和干飽和蒸汽、飽和水和干飽和蒸汽 確定確定p或或T 3、濕飽和蒸汽、濕飽和蒸汽 除除p或或T外，其它參數(shù)與兩相比例有關(guān)外，其它參數(shù)與兩相比例有關(guān) 兩相比例由兩相比例由干度干度x確定確定 定義定義 干

13、飽和蒸汽干飽和蒸汽 f m x mm v v 干飽和蒸汽質(zhì)量 濕飽和蒸汽質(zhì)量 飽和水飽和水 對(duì)對(duì)干度干度x的說明：的說明： x = 0 飽和水飽和水x = 1 干飽和蒸汽干飽和蒸汽 0 x 1 在在過冷水過冷水和和過熱蒸汽過熱蒸汽區(qū)域，區(qū)域，x無意義無意義 Quality 濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)濕飽和蒸汽區(qū)狀態(tài)參數(shù)的確定的確定 如果有如果有1kg濕蒸氣，干度為濕蒸氣，干度為x, 即有即有 xkg飽和蒸汽，飽和蒸汽，(1-x)kg飽和水。飽和水。 )1 (yxxyy )1 ( )1 ( )1 ( sxxss vxxvv hxxhh yy x yy 已知已知p或或T(h,v,s,h,v,s)+干度干

14、度x h ,v ,s o / Ct KT /p MPa kgmv/ 3 kgm v / 3 kgkJ h / kgkJ h / )( / Kkg kJs )( / Kkg kJs 01. 0 100 200 300 16.273000611. 0 00100022. 0 175.2060 .2501 000614. 0 0000. 01562. 9 15.373101325. 00010437. 06738. 13 .267606.4193069. 13564. 7 15.4735551. 10011565. 04 .82512714. 04 .27913307. 24289. 6 15.57

15、35917. 80014041. 002162. 04 .13454 .27482559. 37038. 5 kgmv/ 3 kgm v / 3 kgkJ h / kgkJ h / )( / Kkg kJs )( / Kkg kJs o / Ct 982. 6 63.99 88.179 96.310 5 .24840010001. 0208.1298 .251333.291060. 0 2 .22580010434. 06946. 17 .267551.4173027. 1 4 .20140011274. 06 .76219430. 00 .2777 8 .1315 /p MPa 001. 0

16、 1 . 0 0 . 1 100014526. 001800. 06 .14084 .2724 9756. 8 3608. 7 1382. 25847. 6 3616. 36143. 5 kgkJ r / 飽 和 參 數(shù) p 0.01MPa0.02MPa 83.45 s t 1505. 86493. 0 4 .258484.191 676.140010102. 0 s s h h v v 09.60 s t 9092. 78321. 0 6 .260946.251 6515. 70010172. 0 s s h h v v tvhsvhs 0 40 80 60 0010002. 00.0000

17、1. 00010002. 00 . 00001. 0 5 .1670010078. 04 .1675729. 00010078. 05721. 0 8310. 01 .2510010171. 01752. 83 .261134.15 27.163 .26493437. 8119. 88 .26470205. 8 4 .2724052. 95479. 84 .272512.182261. 8120 原則上可任取零點(diǎn)，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定。原則上可任取零點(diǎn)，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定。 但但 原則上不為原則上不為0， 對(duì)水：對(duì)水： pvuh 3 m 611.2 0.00100022pPav kg 00006. 06

18、 . 0 kg kJ kg J pvuh 表依據(jù)表依據(jù)1963年第六屆國(guó)際水和水蒸氣會(huì)議發(fā)表的年第六屆國(guó)際水和水蒸氣會(huì)議發(fā)表的 國(guó)際骨架表編制，盡管國(guó)際骨架表編制，盡管IFC（國(guó)際公式化委員會(huì)）（國(guó)際公式化委員會(huì)） 1967和和1997年先后發(fā)表了分段擬合的水和水蒸氣熱力年先后發(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。性質(zhì)公式，但工程上還主要依靠圖表。 焓、內(nèi)能、熵零點(diǎn)的規(guī)定：焓、內(nèi)能、熵零點(diǎn)的規(guī)定： 0 s0u T16.273水的三相點(diǎn)水的三相點(diǎn) 查表舉例（查表舉例（1） 查表時(shí)先要確定在五態(tài)中的哪一態(tài)。查表時(shí)先要確定在五態(tài)中的哪一態(tài)。 例例.1 已知已知 ：p=1MPa,試確定試確定t=100, 200 各處于哪個(gè)狀態(tài)各處于哪個(gè)狀態(tài), 各自各自h是多少？是多少？ ts(p)=179.88 t=100 ts, 過熱蒸汽過熱蒸汽h=2827.5kJ/kg p-v圖圖（示功圖示功圖）：面積代表功）：面積代表功 能否用線段表示熱和功能否用線段表示熱和功 T-s圖圖（示熱圖示熱圖）：面積代表熱）：面積代表熱 蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán) 鍋鍋 爐爐 汽輪機(jī)汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 給水泵給水泵 凝凝 汽汽 器器 過