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典型相图举例分析(一)水的相图众所周知，水有三种不同的聚集状态。
在指定的温度、压力下可以互成平衡，即在特定条件下还可以建立其的三相平衡体系。
表５－１的实验数据表明了水在各种平衡条件下，温度和压力的对应关系。
水的相图（图５－２）就是根据这些数据描绘而成的。
表５－１ 水的压力～温度平衡关系１.两相线：图中三条曲线分别代表上述三种两相平衡状态，线上的点代表两相平衡的必要条件，即平衡时体系温度与压力的对应关系。
在相图中表示体系（包含有各相）的总组成点称为"物质点"，表示某一相的组成的点称为"相点"，但两者常通称为"状态点"。
OA 线是冰与水气两相平衡共存的曲线，它表示冰的饱和蒸气压与温度的对应各相，称为"升华曲线"，由图可见，冰的饱和蒸气压是随温度的下降而下降。
OC 线是（蒸）气与液（水）两相平衡线，它代表气～液平衡时，温度与蒸气压的对应关系，称为"蒸气压曲线"或"蒸发曲线"。
显然，水的饱和 蒸气压是随温度的增高而增大，Ｆ 点表示水的正常沸点，即在敞开容器中发水加热到 100℃ 时，水的蒸气压恰好等于外界的压力（），它就开始沸腾。
在压力下液体开始沸腾的温度称其为"正常沸点"。
OB 线是固（冰）与液（水）两相平衡线，它表示冰的熔点随外压变化关系，故称之为冰的"熔化曲线"。
熔化的逆过程就是凝固，因此它又表示水的凝固点随外压变化关系，故也可称为水的"凝固点曲线"。
该线甚陡，略向左倾，斜率呈负值，意味着外压剧增，冰的熔点仅略有降低，大约是每增加１个，下降 0.0075℃ 。
水的这种行为是反常的，因为大多数物质的熔点随压力增加而稍有升高。
在单组分体系中，当体系状态点落在某曲线上，则意味体系处于两相共存状态，即Ф =2，f = 1。
这说明温度和压力，只有一个可以自由变动，另一个随前一个而定。
§1水的相变及相图返回概述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。
§1水的相变及相图§1水的相变及相图返回概述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。
水的相图浅析水是地球上随处可见的物质，也是人类生存所必不可少的要素之一，关于水的起源的认识仍存在很大的分歧,一种学说认为在地球形成后才有形成水的原始元素（氢和氧）。
氢与氧在适宜的条件下化合。
生成羟基（OH ）。
羟基再经过复杂的变化，形成水（H2O ）；另一种学说认为地球上水来自太空由冰组成的彗星种学说认为在地球形成之前的初始物质中存在一种H2O 分子的原始星云，地球形成后降到地球上，从而使地球上有了水。
关于水的研究是十分必要而有意义的，到目前为止，也没有统一的定论可以把水在理论上解析得清清楚楚。
在这里，我简单地介绍一下水的相图，以及水在高压下的结晶情况。
我们知道，水有三种不同的聚集状态。
在指定的温度、压力下可以互成平衡，即在特定条件下还可以建立其的三相平衡体系。
表１的实验数据表明了水在各种平衡条件下，温度和压力的对应关系。
水的相图（图２）就是根据这些数据描绘而成的。
表１ 水的压力～温度平衡关系温 度 （℃） 体系的水蒸气压力(kPa)(kPa)(kPa)(kPa) -20 -15 -10 -5 0.00989 +20 +100 374 -- 0.191 0.286 0.421 0.610 2.338 101.3 2.204x104 0.103 0.165 0.259 0.401 0.610 -- -- -- 1.996x105 1.611x105 1.145x104 6.18x104 0.610图2 水的相图在图中我们可以读出各相区及两相平衡线和三相点，关于具体的分区和自由度，相组成分析课堂上已经详细介绍，这里只做简单介绍。
在相图中表示体系（包含有各相）的总组成点称为"物系点"，表示某一相的组成的点称为"相点"，但两者常通称为"状态点"。
１. 单相区：三条两相线将坐标分成三个区域，每个区域代表一个单相区，其中AOC为气相区，AOB为固相区，BOC为液相区。
水的三态及相变过程水是地球上最为常见的物质之一，它的存在形式可以分为三态，即固态、液态和气态。
这三态之间的相互转变过程被称为相变，是由于温度和压力的变化引起的。
在本文中，将对水的三态及其相变过程进行详细讨论。
一、固态水的固态是冰，当温度降至0摄氏度以下时，水分子会减速运动，逐渐接近彼此，形成规则的结构排列。
冰晶的形态多种多样，常见的有针状、板状和笼状等。
冰的颜色通常是透明或白色，质地坚硬。
除了冰晶外，形成冰雪的过程也是一种固态相变的形式。
二、液态水的液态是我们日常生活中所熟悉的形态。
当温度在0摄氏度至100摄氏度之间时，水分子的热运动增强，开始逐渐脱离固定的结构，但仍然保持着较为紧密的接触。
水在液态下具有流动性和可以适应容器形状的特点，这使得水成为人类生活中必不可少的物质。
三、气态水的气态是水蒸气，当温度超过100摄氏度时，水分子具有足够的能量克服相互吸引力，从而脱离液态形成气体。
这在正常大气压下被称为沸腾。
水蒸气是无色无味的，具有弱的浸透性和可压缩性。
当水蒸气遇冷时，温度下降，分子的热运动减弱，逐渐回到液态或固态。
相变过程相变是水在不同温度和压力下，从一个态转变为另一个态的过程。
以下是水的一些常见相变过程：1. 融化：当固态的冰受热升温到0摄氏度以上时，固态冰分子的热运动增强，分子逐渐脱离彼此的结构，形成液态水。
这个过程被称为融化。
2. 凝固：当液态的水受冷降温到0摄氏度以下时，分子的热运动减弱，逐渐接近彼此，形成规则的结构排列，从而形成固态的冰。
这个过程被称为凝固。
3. 汽化：当液态水受热升温到100摄氏度以上时，水分子的热运动增强，逐渐脱离液态形成气态的水蒸气。
这个过程被称为汽化。
4. 凝结：当水蒸气受冷降温时，水分子的热运动减弱，逐渐接近彼此，重新形成液态水。
这个过程被称为凝结。
5. 升华：在低于0摄氏度的条件下，固态的冰可以直接转变为水蒸气，无需经过液态的中间形态。
这个过程被称为升华。
§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Tc、临界压力pc 和临界比容vc，是实际气体性质的重要参数。
▲在p≥pc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>tc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： pc=22.129MPa，tc=374.15 ℃。
4.水的三相点
水三相点：pA=611.2Pa，tA=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。
液体汽化有两种形式：蒸发和沸腾。
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，但温度愈高，能量较大的分子愈多，蒸发愈强烈。
与蒸发不同，在给定的压力下，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
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ps＝f(ts),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ps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
▲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> ts(ps)，过热度t- ts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。
