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第七章水蒸气Water Vapor 本章问题引导：⏹水蒸气可看作理想气体吗？⏹水蒸气是如何产生的？⏹水蒸气的参数如何确定？⏹水蒸气的过程如何计算？7-1 水蒸气的基本概念18世纪人类发明蒸气机，当时蒸气是唯一工质，目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖等的工质。
优点: 容易获得，便宜，无毒，化学性质稳定，膨胀性能好，传热性能好，对环境友好。
在空气中水蒸气含量极小，分压力很低，可当作理想气体，但当离液态不远或有相变，水蒸气一般应作实际气体处理，水蒸气的基本概念1、汽化——液体转变为气体的过程液化——蒸气或气体转变为液体的过程蒸发——液体表面在任何温度进行的缓慢汽化过程2、饱和状态(Saturation state)—汽化和液化达到动态平衡共存的状态饱和温度与饱和压力3. 临界点4.三相线凝固时体积膨胀物质的p-v-T曲面⏹一定的饱和温度总是对应着一定的饱和压力；一定的饱和压力也总是对应着一定的饱和温度⏹饱和温度愈高，饱和压力也愈高饱和温度T s 饱和压力ps一一对应Tspsp s=1.01325bar T s =100 ℃青藏高原p s=0.6bar T s =85.95 ℃高压锅p s=1.6barT s =113.32 ℃Saturation state水cr o cr3cr 22.064MPa647.14K (373.99C)m 0.003106kgp T v ===水的临界点参数饱和液线与饱和汽线的交点气液两相共存的p max ,Tmax临界点水的三相点tp tp 611.2Pa, 273.16Kp T ==t < t s t = t s t = tst = t s t > t s未饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽预热汽化过热7-2 水定压加热汽化过程水定压加热汽化过程的p -v图及T-s图一点临界点Critical point 两线饱和蒸汽线饱和水线三区液汽液共存汽五态未饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽7-3 水和水蒸气的状态参数⏹水和水蒸气的状态参数包括p 、v 、T 、h 、s 、u 等，其中h 、s 、u 常需要确定的是它们的变化量。
第七章水蒸气一、目的及要求了解水蒸汽产生的一般原理，掌握水及水蒸汽状态参数的确定，会用水蒸汽图及表求取水蒸汽的状态参数，会计算水蒸汽热力过程中功和热量的计算。
二、内容：7.1饱和温度和饱和压力7.2水的定压加热汽化过程7.3水和水蒸气的状态参数7.4水蒸气表和图7.5水蒸气的基本热力过程三、重点及难点：7.1应掌握有关蒸气的各种术语及其意义。
例如：汽化、凝结、饱和态、饱和蒸气、饱和液体、饱和温度、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等。
7.2了解水蒸气定压发生过程及其在p－v图和T－s图上的一点、二线、三区、和五态。
7.3了解水蒸气图表的结构，并掌握其应用。
7.4掌握蒸气热力过程的热量和功量的计算。
四、主要外语词汇：vaporization, condensation, latent heat of evaporation, saturation, triple point, critical point五、本章节采用多媒体课件六、复习思考题及作业：思考题：1、水的三相点是不是唯一确定的？三相点与临界点有什么差异？2、刚性绝热的密闭容器内水的压力为4Mpa，测得容器内温度为20℃，试问容器内的水是什么集态？因意外事故容器上产生一个不大的裂缝，试分析其后果。
3、水在定压汽化过程中温度维持不变，因此有人认为过程中热量等于膨胀功，即q=w，对不对？为什么？作业：7－1，7－3，7－5，7－7第七章水蒸汽在动力、制冷、化学工程中，经常用到各种蒸汽。
常用的如水蒸汽、氨蒸汽、氟里昂蒸汽等，蒸汽是指离液态较近在工作过程中往往会有集态变化的某种实际气体。
显然，蒸汽不能作为理想气体处理，它的性质较复杂。
在工程计算中，水和水蒸汽的热力参数以前采用查取有关水蒸汽的热力性质图表的办法，现在也可借助计算机对水蒸汽的物性及过程作高精度的计算。
本章主要介绍水蒸汽产生的一般原理、水和水蒸汽状态参数的确定、水蒸汽图表的结构和应用以及水蒸汽热力过程功和热量的计算。
第七章水蒸气第一节 概述一、本章的主要内容及意义水蒸气具有良好的膨胀性能与传热性能，并且资源丰富，易于获得，成本低耗资少，无毒无味，不存在污染环境的问题，是热力工程中应用最广泛的工质。
除水蒸气外，工程上常用的蒸气还有氨蒸气、氟利昂蒸气等。
各种蒸汽的热力学性质尽管各有特点，但具有许多类似之处，其基本概念和分析研究方法是一致的。
因此，水蒸气热力学性质的学习掌握对于其它蒸汽的热力学性质的了解也是有益的。
讨论水蒸气的热力学性质其核心内容就是要讨论水蒸气各参数之间的关系。
在通常情况下，水蒸气分子间的距离较小，分子间的作用力及分子本身的体积不能忽略，其热力学性质与理想气体存在较大差异，不能将理想气体的参数关系式用于水蒸气。
由于水蒸气的参数关系式较复杂，不便于工程应用，从而将水蒸气的热力学参数关系绘制成了图表。
由已知的水蒸气参数求取未知参数通常均是用水蒸气热力学性质图表来查取。
本章的主要内容是水蒸气热力性质的基本概念以及水蒸气热力学性质图表的结构与应用。
这些内容是水蒸气热力过程分析计算所必需的理论基础。
二、概念及术语1、汽化与凝结、蒸发与沸腾热力工程中要求工质具有良好的流动性，从而主要讨论工质的气态或液态，一般不包括固态，所涉及的相变过程主要是气液两相间的汽化与凝结。
由液态变为气态的相变过程称为汽化；由气态变为液态的相变过程称为凝结或液化。
汽化有蒸发与沸腾两种方式。
蒸发是任何温度下，在液体表面缓慢进行的汽化现象。
蒸发是在液体表面一些内动能较大的分子克服表面张力逸出液面变为蒸汽的相变过程。
沸腾是在一定温度下，在液体内部剧烈进行的汽化现象。
沸腾现象中，在液体内部有大量汽泡产生，沸腾也正是因此而得名。
后续内容中的汽化均指沸腾。
2、饱和状态、饱和温度与饱和压力水蒸气在密闭容器内，气、液两相平衡共存的状态称为饱和状态。
饱和状态宏观上是气、液两相在没有外界作用的条件下，不会发生变化的平衡状态；但微观上是气、液两相之间汽化速度与凝结速度相等，即在同一时间内逸出液面的分子与回到液面的分子数目相等的动态平衡状态。
第七章水蒸汽水蒸汽是人类在热力发动机中最早应用的工质，虽然后来也应用其他的工质，但是由于水蒸汽易于获得，价格低廉、无污染等优点，至今仍然是工业上广泛使用的工质。
水蒸汽在某些条件下可以当做理想气体来处理，例如空气中的水蒸汽，内燃机燃气中的水蒸汽等，由于水蒸气的分压力比较低或者温度较高，当做理想气体来处理不会有太大的偏差，但是大多数情况下我们使用的水蒸汽离液态不远，分子间的作用力和分子本身的体积不可忽略，因此不能当做理想气体来处理。
水蒸汽的热力性质比理想气体复杂的多，不能用简单的公式来计算，在工程计算中，不能单纯的利用数学方法计算，而是采用查取图表的方式来解决，这些图表是理论分析与实验相结合的方法，得出水蒸汽热力性质的复杂公式，由计算结果经过实验验证编制而成的。
本章主要介绍水蒸汽产生的一般原理，水蒸汽参数的确定，水蒸汽图表的结构和应用，计算水蒸汽在热力过程中传递的功和热量。
7．1 水的相变及相图一、饱和温度和饱和压力液体分子和气体分子一样处于紊乱的热运动中，当液体分子处于一个能够承受一定压力的容器中时，随时有液体表面附近的动能较大的分子克服表面张力扩散到上部空间，同时，上部空间的蒸汽分子也会与液面碰撞而回到液面，凝成液体。
这就是气化（蒸发）与液化（凝结）的过程。
气化时，分子带走了液体的能量，液体内分子的平均动能减小，气化速度降低，要维持气化的持续进行，就需要加热来提供热量。
可见，气化速度取决于液体的温度。
液化过程取决于上部蒸汽分子的压力，蒸汽分子越多，蒸汽压力也就越大，与液面碰撞的几率越大。
气化与液化到一定程度时会达到动态平衡，此时的状态称为饱和状态。
上部的蒸汽称为饱和蒸汽，饱和蒸汽的压力称为饱和压力，下部液体称为饱和液体，温度叫做饱和温度。
饱和温度和饱和压力一一对应。
若温度变化，气化速度会发生变化，会达到新的平衡状态。
饱和蒸汽的特点是，在一定容积下，不能再含有更多的蒸汽，如果再有蒸汽加入，就必定有一部分蒸汽凝结，饱和蒸汽致命由此而来。
第七章水蒸气一、目的及要求了解水蒸汽产生的一般原理，掌握水及水蒸汽状态参数的确定，会用水蒸汽图及表求取水蒸汽的状态参数，会计算水蒸汽热力过程中功和热量的计算。
二、内容：7.1饱和温度和饱和压力7.2水的定压加热汽化过程7.3水和水蒸气的状态参数7.4水蒸气表和图7.5水蒸气的基本热力过程三、重点及难点：7.1应掌握有关蒸气的各种术语及其意义。
例如：汽化、凝结、饱和态、饱和蒸气、饱和液体、饱和温度、饱和压力、三相点、临界点、汽化潜热等。
7.2了解水蒸气定压发生过程及其在p－v图和T－s图上的一点、二线、三区、和五态。
7.3了解水蒸气图表的结构，并掌握其应用。
7.4掌握蒸气热力过程的热量和功量的计算。
四、主要外语词汇：vaporization, condensation, latent heat of evaporation, saturation, triple point, critical point五、本章节采用多媒体课件六、复习思考题及作业：思考题：1、水的三相点是不是唯一确定的？三相点与临界点有什么差异？2、刚性绝热的密闭容器内水的压力为4Mpa，测得容器内温度为20℃，试问容器内的水是什么集态？因意外事故容器上产生一个不大的裂缝，试分析其后果。
3、水在定压汽化过程中温度维持不变，因此有人认为过程中热量等于膨胀功，即q=w，对不对？为什么？作业：7－1，7－3，7－5，7－7第七章水蒸汽在动力、制冷、化学工程中，经常用到各种蒸汽。
常用的如水蒸汽、氨蒸汽、氟里昂蒸汽等，蒸汽是指离液态较近在工作过程中往往会有集态变化的某种实际气体。
显然，蒸汽不能作为理想气体处理，它的性质较复杂。
在工程计算中，水和水蒸汽的热力参数以前采用查取有关水蒸汽的热力性质图表的办法，现在也可借助计算机对水蒸汽的物性及过程作高精度的计算。
本章主要介绍水蒸汽产生的一般原理、水和水蒸汽状态参数的确定、水蒸汽图表的结构和应用以及水蒸汽热力过程功和热量的计算。
§7－1 饱和温度和饱和压力在理解这一节要搞清一些基本概念1、汽化和凝结 物质由液态转变为气态的过程称为汽化。
液体的汽化有蒸发和沸腾两种不同的形式。
蒸发是指液体表面的汽化过程；沸腾是指液体表面和内部同时进行的强烈的汽化过程。
液体汽化的速度取决于液体的温度。
物质由气态转变为液态的过程称为凝结。
凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。
2、饱和状态 当液体分子脱离液体表面的汽化速度与气体分子回到液体中的凝结速度相等时，汽化与凝结过程虽仍在不断进行，但总的结果使状态不再改变。
这种液体和蒸汽处于动态平衡的状态称为饱和状态。
液体上的蒸汽称为饱和蒸汽，液体称为饱和液体。
（1）饱和温度和饱和压力：处于饱和状态的气、液温度相同，称为饱和温度s t ，蒸汽的压力称为饱和压力s p 。
因为气化速度取决于液体的温度，而凝结速度取决于蒸汽的压力，所以当达到气化和凝结速度相等的饱和状态时，饱和温度s t 和饱和压力s p 之间必存在单值性关系)(s s t f p =。
（饱和蒸汽的特点是在一定容积中不能再含有更多的蒸汽，即蒸汽压力与密度为对应温度下的最大值）上式表示了气化曲线的一般函数关系，常称为饱和蒸汽压方程。
（2）临界点：当温度超过一定值c t 时，液相不可能存在，而只可能存在气相。
c t 称为临界温度，与临界温度相对应的饱和压力c p 称为临界压力。
所以临界温度和压力是液相与气相能够平衡共存时的最高值。
临界参数是物质的固有常数，不同的物质其值是不同的。
例：水的临界参数值为：C .t o c 15374=，MPa .p c 12922=，/kg m .v c 3003260=，KJ/kg h c 2100=，)/(4294K kg KJ .s c ⋅=。
（3）三相点：当压力低于tp p 时，液相也不可能存在，而只可能是气相或固相。
tp p 称为三相点压力。
与三相点压力相对应的饱和温度tp t 称为三相点温度。
所以，三相点温度和压力是最低的饱和温度和饱和压力。
不同物质的三相点所对应的参数不同。
水的三相点温度和压力值为：C .t o tp 010= Pa .p tp 2611=三相点是固、液、气三相共存的状态，各种物质在三相点的温度和压力分别为定值，但比体积则随固、液、气三相的混合比例不同而异。
§7－2 水的定压加热汽化过程工程上所用的水蒸汽都是在定压加热，汽化而产生的，为形象起见，假设水是在气缸内进行定压加热，其产生过程如下图所示。
水蒸汽定压加热图在一定压力下的未饱和水，受外界加热温度升高，当温度升到该压力所对应的饱和温度时，则称其为饱和液体。
水继续加热，并开始沸腾，在定温下，产生蒸汽而形成饱和水和饱和水蒸汽的混合物，这种混合物称为湿饱和水蒸汽。
水继续吸热，直至水全部汽化为蒸汽，这时的蒸汽因不含液体，而称为干饱和蒸汽。
至此为止，工质的全部汽化过程都是在饱和温度下进行的。
对于饱和蒸汽继续加热，则蒸汽的温度将从饱和温度起不断升高。
由于这时蒸汽的温度已超过相应压力下的饱和温度，称过热蒸汽。
可见水蒸汽的产生分预热、汽化、和过热三个阶段。
将蒸汽在不同压力下的定压发生过程，在p-v 图及T-s 图上表示出来，如下图所示。
为了便于记忆，我们把水蒸汽的p-v 图及T-s 图总结为一点、二线、三区、五态。
一点是指临界点；二线为饱和液体线和饱和蒸汽线；三区为未饱和区（过冷区），湿蒸汽区及过热蒸汽区；五态为未饱和液体（过冷液）状态、饱和液体状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。
§7－3 水和水蒸汽的状态参数为了便于同学在查找图表时方便，在本节中先给大家介绍有关水及水蒸汽的有关状态及状态参数的规定。
1、零点的规定不及水蒸汽的焓、熵及热力学能在热工计算中仅需求取其增减值，而不需求取绝对值，所以在热力计算中可规定任一起点。
根据国际水蒸汽会议规定，选定水的三相点，即：K .t tp 16273=的液相水作为基准点，规定在该点状态下的液相水的0='u o 、0='s o ，即C t t o tp o 01.0==，Pa .p p tp o 659611==的饱和水： )(0KJ/kg 'u o = )/( 0K kg KJ 's o ⋅=2、当压力为p 时（1）温度C t o 01.0=的过冷水此时于是忽略水的压缩性，认为0=dv ，所以有：0=i w ，又∵ 0=dT 0=dv ，则： 0=du ，即：)( 0KJ/kg 'u u o == ∴ 0=q∴ 0=≈'s s o o o o o o v p u h += 当p 不大时，0≈o h（2）温度为s t 时的饱和水此时水的温度在定压下由C t o o 01.0=到s o t t =，此时：⎰=st .p l dT c q 16273当C t o 100<时，)/(18684K kg KJ .c p ⋅≈，所以此时有：)( }{18684K J /k gt .q 'h h's l o ≈+= 16.273}{ln 1868.416273s t .p T T dT c s's==⎰ 当C t o 100>时，p 较大时，p c 不为定值，则上几式不完全适用。
（3）干饱和蒸汽此时，饱和水全部汽化，由s t 的饱和水变成s t 的干饱和蒸汽，其1kg 工质所吸收的热量为：)()()(v ''-v 'p u ''-u 'h ''-h 's ''-s 'T γs +=== 式中：u''-u'表示用于增加热力学能的热量；)(v''-v'p 表示汽化时比体积增大用作膨胀功的热量。
而干饱和蒸汽的比焓γh'h''+=干饱和蒸汽的比熵s T γs's''+= （4）湿饱和蒸汽首选引入一独立参数 —— 干度x （湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即l g g m m m x +=）。
当汽化开始但尚未完成时，此时部分为水，部分为蒸汽，此时s t t =、s p p =，且s t 与s p 相互对应，不是相互独立的参数，此时有：v'-x xv''v x )1(+=当p 不太大时，v''v'<，∴上式可简化为： xv''v x ≈∴有：h'-x xh''h x )1(+= 或：)(]')1()([γx h'h -x γh'x x γh'h x +=++=+=s'-x xs''s x )1(+= 或：)(])1()([s x T γs's'-x T γs'x T γxs'ss s x +=++=+= （5）过热蒸汽当饱和蒸汽继续加热时，温度开始升高，此时称为过热蒸汽，超过s t 之值称为过热度，即s t-t t =∆，过热量⎰=T T p s dT c q sup ，而蒸汽的p c 是p 、t 的复杂函数。
过热蒸汽的焓： s u pq h ''h += 比熵： ⎰⎰++=T T p s T .s s TdT c T γT dT c s 16273 §7－4 水蒸汽表和图如前所述，蒸汽的热力性质较为复杂。
在工程计算中，通常是将实验测得的数据，运用热力学一般关系，经计算而得的数据制成蒸汽图表以供查用。
通常可查到状态参数p 、v 、T 、h 、s ，至于热力学能，需用公式h-pv u =年息得到。
应用水蒸汽热力性质图表时，其基准点在不同文献中均为三相点液相水作为基准点。
1、水蒸汽表针对水蒸汽的五种不同的状态，一般的水蒸汽表分为两类：一类为“饱和水蒸汽表”，表中列出饱和液体线（各参数的右上角以“’”）和饱和蒸汽线（各参数右上角村“’’”）上的数据；为查用方便，又可分为按温度与按压力排列两种形式（见表7－1P219）。
另一类为未饱和液体与过热蒸汽表，列出了未饱和液体和过热蒸汽两个区域中的数据。
表上以黑粗线将两状态隔开，上方为未饱和液体，下方为过热蒸汽。
§7－5 水蒸汽的基本过程分析水蒸汽的热力过程的任务和分析理想气体一样。
即确定过程中工质状态参数变化的规律，以及过程中能量的转换情况。
但是，理想气体的状态参数可以通过简单计算得到。
例如：T c u v ∆=∆、T c h p ∆=∆、1212ln ln p p -Rg T T c s p =∆，等等。
