工程热力学第七章水蒸气教案

工程热力学第七章水蒸气第七章水蒸气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？工程热力学第七章水蒸气7-1 水蒸气的基本概念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，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。工程热力学第七章水蒸气水蒸气的基本概念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4.三相线工程热力学第七章水蒸气凝固时体积膨胀物质的p-v-T曲面工程热力学第七章水蒸气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，饱和压力也愈高工程热力学第七章水蒸气饱和温度Ts饱和压力ps一一对应Tspsps=1.01325barTs=100 ℃青藏高原ps=0.6barTs=85.95 ℃高压锅ps=1.6barTs=113.32 ℃Saturation state水工程热力学第七章水蒸气crocr3cr22.064MPa647.14K (373.99C)m0.003106kgpTv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pmax,Tmax临界点水的三相点tptp611.2Pa, 273.16KpT工程热力学第七章水蒸气t < tst = tst = tst = tst > ts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工程热力学第七章水蒸气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工程热力学第七章水蒸气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。国际上统一规定：以水的三相点的液相水为基准点，规定该点状态的热力学能和熵为零，原则上不为0，pvuh3m611.2 0.00100022pPavkg00006.06.0kgkJkgJpvuh273.16 0 0TKus焓也近似为零。工程热力学第七章水蒸气水和水蒸气状态参数的确定1.未饱和水及过热蒸汽需知任意两个独立参数，如：p、T2.饱和水和干饱和蒸汽只要有确定的p 或T饱和水状态参数以上角标“′”表示；如：v′、h′等干饱和蒸汽状态参数以上角标“″”表示；如：h″、s″等工程热力学第七章水蒸气3.湿饱和蒸汽除p或T外，其它参数与两相比例有关湿饱和蒸汽用饱和压力（或饱和温度）和另一个独立的状态参数才能确定状态，常用干度。干度定义为：vvvwmmxmmm饱和蒸汽质量饱和水质量工程热力学第七章水蒸气饱和水x = 0干饱和蒸汽x = 10 ≤ x ≤ 1在过冷水和过热蒸汽区域，x无意义工程热力学第七章水蒸气计算湿饱和蒸汽参数的公式vx= xv″+ (1-x)v′hx= x h″+ (1-x) h′ sx = xs″+ (1-x)s′ ux= hx-pvx工程热力学第七章水蒸气7-4 水蒸气的表和图7-4-1 水蒸气热力性质表水及水蒸气不能当作理想气体对待，工程上采用图、表来确定其状态参数，进行计算。2.未饱和水和过热蒸汽表1.饱和水和干饱和蒸汽表按温度排列按压力排列工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气2.未饱和水和过热蒸汽表工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气7-4-2 水蒸气热力性质图工程上常将工质的性质绘制成二维参数坐标图。水蒸气的热力性质图有p-v图、T-s图，工程上常用的水蒸汽图是焓熵图（h-s图）；h-s 图能以图线上的线段表示功和热，作为工程计算会更简便；对氨、氟里昂等制冷工质常用的是压焓图(p-h或lgp-h)。工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气hsCTx焓熵图工程热力学第七章水蒸气水蒸气的焓熵图C 临界点定压线定容线定温线定干度线湿蒸汽区的定压线就是定温线工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气工程热力学第七章水蒸气课堂练习1. 已知p = 0.1MPa、t =130℃，据水蒸汽图表确定蒸汽所处的状态及其状态参数。解题步骤：查饱和蒸汽表可知，p =0.1 MPa时，ts=99.634℃，现t为130℃，故知为过热蒸汽。再通过查未饱和水与过热蒸汽表或查h-s图得到结果。工程热力学第七章水蒸气2. 利用水蒸汽表确定（1）p=1MPa、t =179.9℃（2）p=0.8MPa、的蒸汽状态。结果：（1）处于饱和水或干饱和蒸气状态或湿蒸气状态，不能确定；（2）处于湿蒸气状态。/kgm22.03v工程热力学第七章水蒸气在炉子上将一壶水由20℃烧开需要20分钟，如果加热速度不变，问把这壶水烧干还需要多长时间？工程热力学第七章水蒸气7-5 水蒸汽的热力过程水蒸气基本热力过程分析计算的目的和步骤与气体的基本热力过程类似，所不同的是水蒸气不能用理想气体的关系式进行分析计算，而是要应用水蒸气的图表。热一定律和热二定律的基本原理和公式均可利用。工程热力学第七章水蒸气对于水蒸汽的热力过程，第一定律与第二定律的表达式均成立理想气体特有的性质和表达式不能用tqdhwqduwwpdvtwvdpqTdsiso0dsgpvRTVducdTpdhcdT22p11lnlngTpscRTppvgccR可逆工程热力学第七章水蒸气任务：1.确定初终态参数，2.计算过程中的功和热3.在p-v、T-s、h-s图上表示热力过程：p sT v工程热力学第七章水蒸气蒸气的典型热力过程计算公式：（1）定容过程（2）定压过程（3）定温过程（4）定熵过程（可逆绝热过程）0,,()wpdvquuhpvhvp　21(), , wpvvqhuhpv0, , tqwuwh21(), , ()qTsswquuhpv工程热力学第七章水蒸气h2p1t11x22°°h1x=1sh水蒸气的定压过程工程热力学第七章水蒸气p1t1p2x212sx=1h2h1hs°水蒸气的绝热过程2工程热力学第七章水蒸气利用查图或表进行蒸气热力过程分析计算的一般步骤：1、由已知的蒸气初态参数，确定出工质的状态，根据蒸气图表求其他参数。2、根据已知的过程特征，如定压、定容或定熵（可逆绝热）等，加上另一已知的终了状态参数，即可在图上确定终态，从而求出终态参数。3、根据已求得的状态参数，应用热力学第一定律和热力学第二定律的基本方程式以及参数定义式等计算过程中功量、热量及参数变化。工程热力学第七章水蒸气例题：已知水蒸气从p1=1MPa、t1=300℃可逆绝热膨胀到0.1MPa，求1kg水蒸气在过程中所作的膨胀功和技术功。解：用h-s图求解①初态参数：已知p1=1MPa、t1=300℃从h-s图上确定交点1为初始状态点，查得h1=3053 kJ/kg，v1=0.26 m3/kg ，s1=7.122kJ/( kg.K ) 工程热力学第七章水蒸气所以u1=h1－p1v1=3053 kJ/kg –1×103kPa×0.26 m3/kg =2793 kJ/kg ②终态参数：已知p2=0.1MPa，因可逆绝热，s2=s1，从点1作垂线交0.1MPa的等压线于点2，即为终态，读得h2=2587 kJ/kg，v2=1.61m3/kg，x2=0.961，t2=99.63℃u2=h2－p2v2=2426 kJ/kg 工程热力学第七章水蒸气③功：w=u1－u2=2793 kJ/kg -2426 kJ/kg =367 kJ/kgwt=h1－h2=3053 kJ/kg -2587 kJ/kg =466 kJ/kg讨论:1.利用热力性质表如何得出结果;2.两种方法比较。工程热力学第七章水蒸气重点小结：掌握处理蒸气与理想气体的方法的不同；蒸气的参数的确定及过程的计算要查图表，而不能用理想气体的一些公式计算。掌握确定蒸气状态参数的独立变量，特别注意在两相区饱和压力和饱和温度是不独立的；注意湿饱和蒸气的参数如何确定。

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

工程热力学教案

- 1 - 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

第7章 水 蒸 汽

例1：容积为0.63m的密闭容器内盛有压力为3.6bar的干饱和蒸汽，问蒸汽的质量为多少，若对蒸汽进行冷却，当压力降低到2bar时，问蒸汽的干度为多少，冷却过程中由蒸汽向外传出的热量为多少

解：查以压力为序的饱和蒸汽表得：

1p=3.6bar时，"1v=0.51056kgm/3 "1h=2733.8kJ /kg

蒸汽质量 m=V/"1v=1.1752kg

查饱和蒸汽表得：

2p=2bar时，'2v=0.0010608kgm/3 "2v=0.88592kgm/3

'2h=504.7kJ /kg

''2h=2706.9kJ /kg

在冷却过程中，工质的容积、质量不变，故冷却前干饱和蒸汽的比容等于冷却后湿蒸汽的比容即： "1v=2xv

或"1v=''22'22)1(vxvx 由于"1v''22vx

"2"12vvx0.5763

取蒸汽为闭系，由闭系能量方程 wuq

由于是定容放热过程，故0w

所以 1212uuuq

而u=h-pv 故

)()("11"1222vphvphqxx

其中：2xh=''22'22)1(hxhx=1773.8kJ /kg

则 3.878qkJ /kg

Q=mq=1.1752(-878.3) =-1032.2kJ

例2：1p=50bar Ct01400的蒸汽进入汽轮机绝热膨胀至2p=0.04bar。设环境温度Ct0020求：

（1）若过程是可逆的，1kg蒸汽所做的膨胀功及技术功各为多少。

（2）若汽轮机的相对内效率为0.88时，其作功能力损失为多少

解：用h-s图确定初、终参数

初态参数：1p=50bar Ct01400时，1h=3197kJ /kg 1v=0.058kgm/3

1s=6.65kJ /kgK

则1111vphu=2907 kJ /kg6.65kJ /kgK