實際氣體水氣的形成

1、2021-11-61熱工學儲建工程系儲建工程系李鳳名李鳳名tel國石油大學勝利學院 2021-11-62第五章第五章 水蒸氣的性質水蒸氣的性質 及蒸汽動力循環(huán)及蒸汽動力循環(huán)n第一節(jié)實際氣體第一節(jié)實際氣體n第二節(jié)第二節(jié) 水蒸汽的形成水蒸汽的形成n第三節(jié)第三節(jié) 水和水蒸汽的圖表水和水蒸汽的圖表 n第四節(jié)第四節(jié) 水蒸汽的基本熱力過程水蒸汽的基本熱力過程n第五節(jié)第五節(jié) 蒸汽動力基本循環(huán)蒸汽動力基本循環(huán) n第六節(jié)第六節(jié) 實用蒸汽動力循環(huán)實用蒸汽動力循環(huán) 上篇上篇 工程熱力學工程熱力學熱工學熱工學2021-11-63前言前言第五章第五章 水蒸氣的性質及蒸汽動力循環(huán)水蒸氣的性質及蒸

2、汽動力循環(huán)思考幾個問題思考幾個問題1.為什么要學習水蒸氣？為什么要學習水蒸氣？2.水蒸汽的主要優(yōu)點？水蒸汽的主要優(yōu)點？ 3.為什么單獨研究水蒸氣？為什么單獨研究水蒸氣？4.如何進行水蒸氣熱力計算？如何進行水蒸氣熱力計算？5.本章主要內容？本章主要內容？2021-11-64前言前言1.1.為什么要學習水蒸氣？為什么要學習水蒸氣？ （1 1）是最早應用的工質；）是最早應用的工質； （2 2）水蒸氣現(xiàn)在仍廣泛應用）水蒸氣現(xiàn)在仍廣泛應用于動力應用和熱應用中；于動力應用和熱應用中； （3 3）應用前景仍然看好。）應用前景仍然看好。2.2.水蒸汽的主要優(yōu)點：水蒸汽的主要優(yōu)點： （1 1）易于獲得；）易于獲

3、得； （2 2）污染小，且易于治理；）污染小，且易于治理； （3 3）有適宜的熱力學參數(shù)。）有適宜的熱力學參數(shù)。3.3.為什么單獨研究水蒸氣？為什么單獨研究水蒸氣？ （1 1）與理想氣體相差甚遠；）與理想氣體相差甚遠； （2 2）與實際氣體不同，臨界）與實際氣體不同，臨界點溫度高，環(huán)境下為液態(tài)；點溫度高，環(huán)境下為液態(tài)； （3 3）熱力過程中往往有物質）熱力過程中往往有物質集態(tài)的變化。集態(tài)的變化。 4.4.如何進行水蒸氣熱力計算？如何進行水蒸氣熱力計算？ （1 1）參數(shù)的獲得以查圖、查）參數(shù)的獲得以查圖、查表為準確、簡捷；表為準確、簡捷； （2 2）不受工質性質限制的公）不受工質性質限制的公式仍

4、可采用。式仍可采用。 如：如：q=du+q=du+w w ds dsq/t q/t 等等 5.5.本章主要內容本章主要內容 （1 1）一些新概念和新術語；）一些新概念和新術語； （2 2）水蒸氣產生的一般原理；）水蒸氣產生的一般原理； （3 3）水蒸氣參數(shù)間的關系；）水蒸氣參數(shù)間的關系； （4 4）h h2 2o o圖、表結構及應用；圖、表結構及應用； （5 5）h h2 2o o熱力過程分析計算。熱力過程分析計算。2021-11-65n一、實際氣體概念一、實際氣體概念 （和理想氣體相對）（和理想氣體相對）1.1.為何要研究實際氣體？為何要研究實際氣體？ （1 1）常溫常壓某些氣體可視為理想氣

5、體；）常溫常壓某些氣體可視為理想氣體； 工程實際中的許多設備所應用工質（如汽輪機中水工程實際中的許多設備所應用工質（如汽輪機中水蒸氣），在常溫常壓下不能作為理想氣體處理。蒸氣），在常溫常壓下不能作為理想氣體處理。 （2 2）理想氣體只是為研究實際氣體而提出的一個概念。）理想氣體只是為研究實際氣體而提出的一個概念。2.2.具體研究內容具體研究內容 （1 1）首先研究實際氣體的狀態(tài)方程式：）首先研究實際氣體的狀態(tài)方程式：v=v=1 1(p,t)(p,t) （2 2）尋求氣體的熱力學函數(shù)關系式：）尋求氣體的熱力學函數(shù)關系式： u=u=2 2(p,t) (p,t) ，h=h=3 3(p,t)(p,t)

6、 （3 3）尋找氣體比熱關系：）尋找氣體比熱關系：c cp p=4 4(p,t)(p,t)， c cv v=5 5(p,t)(p,t) （4 4）建立和驗證實際氣體狀態(tài)方程式。）建立和驗證實際氣體狀態(tài)方程式。第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體2021-11-663.3.研究方法研究方法 （1 1）理論分析法）理論分析法 從物質內部微觀結構出發(fā)，研究氣體分子的運動以及分子間的從物質內部微觀結構出發(fā)，研究氣體分子的運動以及分子間的相互作用，分析微觀粒子的運動對氣體宏觀性質的影響，從而對相互作用，分析微觀粒子的運動對氣體宏觀性質的影響，從而對氣體定律做相應的修正。氣體定律做相應的修正。 優(yōu)點：此法物理意

7、義清楚，能概括地反映實際氣體的全面特征，優(yōu)點：此法物理意義清楚，能概括地反映實際氣體的全面特征，有一定的普遍意義。有一定的普遍意義。 不足：計算精度往往不高。不足：計算精度往往不高。 （2 2）實驗研究法）實驗研究法 以熱力學微分方程式為工具，借助于實驗裝置，利用測定的一以熱力學微分方程式為工具，借助于實驗裝置，利用測定的一 系列狀態(tài)參數(shù)值，來整理出實際氣體的狀態(tài)方程式和內能、焓、系列狀態(tài)參數(shù)值，來整理出實際氣體的狀態(tài)方程式和內能、焓、熵的關系式。熵的關系式。 優(yōu)點：方便準確，可利用易測量求取不可直接測定的參數(shù)。優(yōu)點：方便準確，可利用易測量求取不可直接測定的參數(shù)。 不足：必須借助于熱力學微分方

8、程式。不足：必須借助于熱力學微分方程式。第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體2021-11-67第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體n二、理想氣體狀態(tài)方程用于實際氣體的偏差二、理想氣體狀態(tài)方程用于實際氣體的偏差 1.1.理想氣體與實際氣體的差異理想氣體與實際氣體的差異 （1 1）實際氣體分子間有作用力，分子有體積，非彈性的；）實際氣體分子間有作用力，分子有體積，非彈性的； 理想氣體分子間無作用力，分子是一些彈性質點。理想氣體分子間無作用力，分子是一些彈性質點。 （2 2）理論上，當壓力）理論上，當壓力p0p0、比容、比容v v 時，實際氣體成為理想氣體；時，實際氣體成為理想氣體； （3 3）工程上，）工程

9、上，o2o2、n2n2、h2h2、空氣、燃氣等氣體在較低壓力、較高溫度、空氣、燃氣等氣體在較低壓力、較高溫度時，作為理想氣體處理，偏差很小。時，作為理想氣體處理，偏差很小。 （4 4）壓縮因子（）壓縮因子（z-p z-p 圖）圖），令trpvzg2021-11-68第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體n綜上所述：綜上所述：n（1 1）理想氣體狀態(tài)方程應用于實際氣體時會產生偏差）理想氣體狀態(tài)方程應用于實際氣體時會產生偏差trpvzg實際氣體ptrvgi理想氣體ivvz 所以2021-11-69n（2 2）能不能把實際氣體當作理想氣體處理要考慮兩點）能不能把實際氣體當作理想氣體處理要考慮兩點n第一點：氣

10、體的種類第一點：氣體的種類n第二點：氣體所處的狀態(tài)第二點：氣體所處的狀態(tài)n（3 3）必須建立實際氣體狀態(tài)方程以進行精確計算。）必須建立實際氣體狀態(tài)方程以進行精確計算。n三、實際氣體狀態(tài)方程（三、實際氣體狀態(tài)方程（范德瓦爾方程范德瓦爾方程） 1.1.范方程的導出范方程的導出 范德瓦爾從理想氣體和實際氣體間的差別出發(fā)，范德瓦爾從理想氣體和實際氣體間的差別出發(fā)，對理想氣體方程進行了修正：對理想氣體方程進行了修正： （1 1）分子體積的存在，減少了分子運動的空間，則實）分子體積的存在，減少了分子運動的空間，則實際氣體分子比理想氣體分子更頻繁撞擊容器壁，使容際氣體分子比理想氣體分子更頻繁撞擊容器壁，使容

11、器壁所受的壓力增大：器壁所受的壓力增大：第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體vtrpgbvtrpg2021-11-610n（2 2）分子間有相互作用力）分子間有相互作用力n在氣體內部，每一個分子受到四周分子的吸引，相互在氣體內部，每一個分子受到四周分子的吸引，相互作用抵消而處于力的平衡作用抵消而處于力的平衡n器壁附近的分子，總是受到臨近內部分子的吸引力，器壁附近的分子，總是受到臨近內部分子的吸引力，減小了分子撞擊器壁的次數(shù)，使壓力降低。引力的大減小了分子撞擊器壁的次數(shù)，使壓力降低。引力的大小與外層和內部分子密度成正比。小與外層和內部分子密度成正比。第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體2021-11-611

12、修正為修正為bvtrpgbvtrpgrtbvvap)(22va0)(23abavvpbtrpvg或上式即為范方程上式即為范方程a、半經驗方程，、半經驗方程，a、b由實驗確定由實驗確定b、精確度不高、精確度不高c、頗為切近的反映了物質的氣態(tài)、液態(tài)在性質上的特征、頗為切近的反映了物質的氣態(tài)、液態(tài)在性質上的特征d、為理論研究方法開拓了道路、為理論研究方法開拓了道路第一節(jié)第一節(jié) 實際氣體實際氣體2021-11-612。vvppfft1t ct2gcaabbddmmnnct = 常量常量h范德瓦爾方程的理論曲線和實驗曲線范德瓦爾方程的理論曲線和實驗曲線（理論曲線）（實驗曲線）。2021-11-6132)

13、1()1 (1)(1)(3226322000vevtvrcvavatbrvtcatrbvtrpggg方程：rwb. 1，都是常數(shù)；、個參數(shù)其中cabcab0008。適用于c8 . 1方程：侯馬丁)(. 2houandmartin55443475. 53332475. 5222)()()()(bvtbbvabvectbabvectbabvtrpccttttg都是常數(shù)，、個參數(shù)其中53332229bcbacbab,)(,vcccccctprtvpztpfx（代表常數(shù)）質。適用于極性和非極性物年，馬丁增加一項：19595475.555)()(bvecactt年，侯虞鈞又修正：1981。修正為將444

14、44)()()(bvtbabva四四.實際氣體狀態(tài)方程舉例（了解）實際氣體狀態(tài)方程舉例（了解）2021-11-614方程kwongdlich re. 3)(21bvvtabvtrpg,42748. 05 . 22ccgptra ,08654. 0ccgptrb 。壓力都能有滿意的結果在臨界溫度以上對任何方程：berthelot. 4trbvtvapg)()(2為常數(shù)，、ba在低壓范圍內，比范德瓦爾方程準確。2021-11-6151 1、汽化、汽化各種物質由液態(tài)轉變?yōu)檎羝鈶B(tài)）的現(xiàn)象或過程就是汽化。各種物質由液態(tài)轉變?yōu)檎羝鈶B(tài)）的現(xiàn)象或過程就是汽化。如水變汽。物質汽化過程中要吸收大量的能量。

15、如水變汽。物質汽化過程中要吸收大量的能量。 兩種汽化形式：兩種汽化形式：（1 1）液體表面的蒸發(fā)；隨時可以進行。）液體表面的蒸發(fā)；隨時可以進行。（2 2）液體內部產生氣泡的沸騰；達到一定溫度才可進行。）液體內部產生氣泡的沸騰；達到一定溫度才可進行。第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的形成水蒸氣的形成一、液體的汽化一、液體的汽化2 2、液化、液化各種物質由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的過程或現(xiàn)各種物質由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的過程或現(xiàn)象就是液化。如蒸汽凝結為水。象就是液化。如蒸汽凝結為水。液化時物質要向外釋放能量液化時物質要向外釋放能量熱能。熱能。2021-11-616n3 3、飽和狀態(tài)（、飽和狀態(tài)（汽化和液化現(xiàn)象分析）汽化和液化

16、現(xiàn)象分析）體，如右圖，容器內盛有液的分子，液體表面附近動能較大這就是蒸發(fā)；汽化和液化：) 1 (，上部空間有了蒸汽分子液面，必有一些分子碰撞回到凝結成液體，這就是液化。的。汽化和液化是同時進行汽化和液化的速度：)2(當液體的溫度增大時，動能，液體分子就具有更大的出去，就會有更多的分子飛散汽化速度就會增加；反之，汽化速度就會降低。所以，溫度。汽化速度取決于液體的到空間，會克服表面的張力飛散率，蒸汽分子撞擊液面的幾，決定了液化速度的大小而這取決于上部空間蒸汽的壓力。液化速度取決于蒸汽的tp壓力。2021-11-617在一定時刻，的總狀態(tài)將不會再改變但oh2兩過程時時進行，為動態(tài)平衡。狀態(tài)。此動態(tài)平

17、衡狀態(tài)為飽和液體上部的蒸汽為飽和蒸汽；汽化速度會等于液化速度，下部的液體為飽和液體；此時，汽、液的溫度相同，；為飽和溫度st蒸汽的壓力稱為。飽和壓力sp一一對應，與sstp)(sstfp 有解釋如下：一一對應，汽化速度與st一一對應，液化速度與sp飽和狀態(tài)時，一一對應。與sstp二者速度相等，例如：，對于oh2100statmps1應。各自沒有第二個值相對也是一一對應。n（3 3）飽和狀態(tài)）飽和狀態(tài)2021-11-618 tt s1pp s1 飽和液體干飽和蒸汽4100sstp，對于oh2barps10100stbarps19 .179stbarps1 . 08 .45st2021-11-61

18、9第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的定壓生成過程水蒸氣的定壓生成過程2021-11-620前前 言言 為什么要研究為什么要研究h h2 2o o的定壓過的定壓過程呢？程呢？ 1.h1.h2 2o o在鍋爐內的加熱過程在鍋爐內的加熱過程不是定壓過程；不是定壓過程； 但由于但由于h h2 2o o在液態(tài)時的焓值在液態(tài)時的焓值受壓力影響極小，則可把其加受壓力影響極小，則可把其加熱過程視為定壓過程；熱過程視為定壓過程； 這樣，研究定壓過程也就這樣，研究定壓過程也就有了實際意義。有了實際意義。 2.2.對于任何工質，都要想對于任何工質，都要想法獲得其有關參數(shù)。法獲得其有關參數(shù)。 從參數(shù)的角度看，采用定從參數(shù)的角度看

19、，采用定壓或其它過程來討論參數(shù)，都壓或其它過程來討論參數(shù)，都可以達到目的。可以達到目的。 3.3.從實驗手段來看，定壓從實驗手段來看，定壓過程是非常容易實現(xiàn)的。過程是非常容易實現(xiàn)的。 要討論要討論h h2 2o o的定壓加熱、的定壓加熱、汽化過程，不足為怪。汽化過程，不足為怪。 實際上，流體流經許多實際上，流體流經許多設備的實際過程可按定壓過設備的實際過程可按定壓過程處理：程處理： 熱水流經室內散熱器的熱水流經室內散熱器的放熱過程；放熱過程； 煙氣流經換熱設備放熱煙氣流經換熱設備放熱過程等等。過程等等。 壓降小是一方面；關鍵壓降小是一方面；關鍵在于參數(shù)變化受壓力變化影在于參數(shù)變化受壓力變化影響

20、甚微。響甚微。第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的定壓生成過程水蒸氣的定壓生成過程2021-11-62101. 01、如右圖，汽缸中有 kg的純水，活塞上可以加不同重量下。可使水處在不同的壓力開始對活塞加熱，可觀察到：.一：觀察到飽和溫度）（st.1開始加熱，變汽，到達某溫度時，水開始動態(tài)平衡，將有出現(xiàn)汽、液而不再加熱。此溫度為飽和溫度st有三個加熱階段：）（ .2的到由sstttta).(（不變）的sttb).(的到由ssttttc).(水的容積稍增大；預熱階段；汽化階段；過熱階段。第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的定壓生成過程水蒸氣的定壓生成過程2021-11-622一2021-11-6232021-11-624s

21、tt2021-11-625stt2021-11-626stt2021-11-627stt2021-11-628stt2021-11-629stt2021-11-630stt2021-11-631stt2021-11-632未飽和水狀態(tài) 飽和水狀態(tài) 濕飽和蒸汽狀態(tài) 干飽和蒸汽狀態(tài) 過熱蒸汽狀態(tài)過熱階段水蒸氣的定壓生成過程飽和水的汽化階段水的預熱階段sttsttsttsttsttaaaaaaaaaaa說明：在此a可代表,vuhs2021-11-633一、水的定壓加熱預熱階段汽化階段過熱階段p過冷水未飽和水飽和水濕飽和蒸汽飽和蒸汽干)(過熱蒸汽pp,shvtsstt stt ,shvtsst2021

22、-11-634x干度濕蒸汽中汽的質量濕蒸汽的質量汽化潛熱)(ssthhs預熱階段汽化階段過熱階段p過冷水未飽和水飽和水濕飽和蒸汽飽和蒸汽干)(過熱蒸汽pp,shvtsstt stt ,shvtsst2021-11-6357-2 h2o的定壓加熱、汽化過程的五種集態(tài)：存在oh2未飽和水（過冷水）；飽和水濕飽和汽；屬于)4(屬于)5(屬于) 1 (屬于)2(（即將變汽）；屬于汽、水共存的)3(飽和蒸汽；過熱蒸汽。各階段變化有特點：預熱階段：體積稍增大，溫度升高，汽化階段：迅速增大，v溫度不變，（汽化潛熱）rqs過熱階段體積增大，溫度升高，x干度濕蒸汽中汽的質量濕蒸汽的質量2021-11-636三、

23、水蒸氣定壓生成過程中熱量的計算三、水蒸氣定壓生成過程中熱量的計算1.水的定壓預熱階段水的定壓預熱階段1ts11x1液體熱液體熱0220( )( )()lsuqqrqhhhhhhhh lq2.飽和水的定壓汽化過程飽和水的定壓汽化過程汽化潛熱汽化潛熱kj/kgrhhr3.3.水蒸氣的定壓過熱過程水蒸氣的定壓過熱過程st2過熱熱過熱熱2kj/kgsuqhh1kg1kg水從水從1 1狀態(tài)被加熱到狀態(tài)被加熱到2 2狀態(tài)所吸收的熱量狀態(tài)所吸收的熱量0kj/kglqhhsuqkj/kgsrtsss s2021-11-637c2010c1020pvts 水的臨界參數(shù)水的臨界參數(shù)四四、水蒸汽的、水蒸汽的p-vp

24、-v圖和圖和t-st-s圖圖2122x1x111x122x222.115mpa;374.12ccpt， 30.003147m /kg;cv 2095.2kj/kg;4.4237kj/(kg k)cchsxxctcpctt2021-11-638t p水蒸氣的水蒸氣的p pv v和和tsts圖圖一點一點: :臨界點；臨界點； 兩線兩線: :飽和水線、干飽和蒸汽線；飽和水線、干飽和蒸汽線；三區(qū)三區(qū): :未飽和水區(qū)、濕飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)；未飽和水區(qū)、濕飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)；五態(tài)五態(tài): :未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽。未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽。sv2021-11-6