第七讲水蒸气的热力性质和热力过程
水蒸气的热力性质和热力过程
水蒸气的热力性质和热力过程水蒸气是水在升温和转化成气态时所形成的物质。
它具有一系列的热力性质和热力过程，对于理解水蒸气的特性和应用都非常重要。
首先，水蒸气的热力性质可以通过热容、比热容、蒸发潜热和饱和水蒸气压等参数来描述。
热容是指物质在吸收或释放热量时，温度的变化程度。
对于水蒸气来说，它的热容随着温度的升高而增加，这是因为水蒸气的分子间作用力较小，因此吸收热量后分子运动更活跃，温度升高的速率更快。
比热容是指单位质量物质温度升高一个单位时所吸收的热量，对于水蒸气来说，其比热容比水要小。
其次，水蒸气的热力过程包括等容过程、等压过程、准静态过程等。
等容过程是指在恒容条件下，水蒸气吸收或释放热量，而温度发生变化。
等压过程是指在恒压条件下，水蒸气吸收或释放热量，而温度发生变化。
准静态过程是指在过程中系统处于平衡状态，及时微小的温度波动也会使系统不再处于平衡状态。
水蒸气还具有一个重要的性质就是饱和水蒸气压。
饱和水蒸气压是指在一定温度下，液态水和水蒸气达到动态平衡时，水蒸气对应的压力。
饱和水蒸气压与温度之间存在着密切的关系，在一定温度范围内，饱和水蒸气压随着温度的升高而增加。
这个关系可以通过饱和水蒸气压与温度的对数关系来描述，即饱和水蒸气压-温度曲线。
这个曲线在一定条件下是稳定的，不会出现温度降低而饱和水蒸气压增加的情况。
水蒸气的热力过程在许多工业和自然现象中都有重要的应用。
例如，在汽轮机中，水的热力能被转化为机械能；在冷凝器中，水蒸气被冷却并变成液态水，释放出大量的热量，用于加热其他物质；在天气系统中，水的蒸发和凝结过程是形成云、降雨、雪等气象现象的基础。
综上所述，水蒸气具有一系列的热力性质和热力过程，对于理解其特性和应用具有重要意义。
我们可以通过热容、比热容、蒸发潜热和饱和水蒸气压等参数来描述水蒸气的热力性质。
水蒸气的热力过程包括等容过程、等压过程和准静态过程等。
这些性质和过程对于水蒸气在工业、自然现象中的应用都有重要的意义。
热工基础——水蒸气的热力性质和过程
2
pdv
1
pv2 v1
3、 饱和水的比体积随压力的升高略有增加，而饱和蒸汽的比 体积则随压力的升高明显的减小。
4、临界点上的比汽化潜热为零，即汽化在一瞬间完成。
第三节 水蒸气表
饱和水与饱和水蒸气表、未饱和水与过热蒸汽表
一、饱和水与饱和水蒸气表
1. 按温度排列，附表2
tp, v’，h’，s’， v”，h”，s” 2. 按压力排列，附表3
cp cv R
水蒸汽的热力学能、焓和熵通过查图和表求得。
第二节 水的定压汽化过程和
水蒸气的p-v图及T-s图
汽化和液化
蒸发 汽化
沸腾
一、饱和温度和饱和压力
饱和状态 相应的温度和压力称为饱 和温度（ts）和饱和压力， 两者一一对应。 ts =f(P)
饱和蒸汽 饱和水
二、水的定压汽化过程
容器中装有1kg水， p 0.1MPa ta 0C va 0.001 m3 kg
v’,v”
v >v” 过热蒸汽
Sx，hx
2、根据状态查相应的图或表，湿蒸汽查饱和水与饱和蒸 汽表，再利用干度公式求出。
3、热力学能利用公式u=h-pv求得。
例 P=0.5Mpa，v=0.36m3/kg，确定状态，并求出温 度、比焓、比热力学能和比熵。
解查：饱和水与饱和蒸汽表 ts=151.85C，v’=0.0010928m3/kg， v”湿=0蒸.3汽7481xm 3v/kvg' 0.96
处于平衡态单相均匀系= f ( p或 T )。v’，u’，h’，s’ （3）d：干饱和蒸汽，t = ts ， p、T 不再是独立的状态参数
处于平衡态单相均匀系= f ( p或T )。v”，u”，h”，s”
第7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？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
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。
7.第七章 水蒸气解析
工程热力学的两大类工质
1、理想气体（ ideal gas）
可用简单的式子描述 如汽车发动机和航空发动机以空气为 主的燃气、空调中的湿空气等
2、实际气体（ real gas）
不能用简单的式子描述，真实工质 火力发电的水和水蒸气、制冷空调中 制冷工质等
水蒸气是实际气体的代表
未饱和水和过热蒸汽表（节录）
饱 和 参 数
查表举例（1）
查表时先要确定在五态中的哪一态。
例.1 已知 ：p=1MPa,试确定t=100℃, 200℃ 各处于哪个状态, 各自h是多少？
ts(p)=179.916℃
t=100℃ < ts, 未饱和水 t=200℃ > ts, 过热蒸汽
h=419.74kJ/kg h=2827.3kJ/kg
液态区：下界限线与临界等温线上段左侧区域 湿蒸汽区：上、下界限线之间的锺罩形区域
五态 过热蒸汽：一定压力下，温度高于对应饱和温度的蒸汽。
或者说：一定温度下，压力低于饱和蒸汽压的蒸汽。
饱和干蒸汽：一定压力下，温度等于对应饱和温度的蒸汽。 或者说：一定温度下，压力等于饱和蒸汽压的蒸汽。
饱和湿蒸汽：饱和蒸汽与饱和液体的机械混合物。
湿蒸汽状态
t=250℃ ,
二、T-S图 三、H-S图
焓熵图的画法(1)
1、零点：h=0，s=0； 2、饱和汽线（上界线）、饱和液线（下界线）
3、等压线群：p
q Tds dh vdp
h
s
pC
TC
0
h s p
T
0
两相区 单相区
p
T=Const 斜直线 T
湿饱和蒸汽区状态参数的确定
工程热力学与传热学水蒸气的热力性质
蒸汽锅炉
蒸汽锅炉是产生水蒸气的关键设备， 通过燃烧燃料将水加热至沸腾产生水 蒸气，用于推动各种动力机械。
化工工程
化学反应
在化工工程中，水蒸气常作为反 应物或催化剂参与各种化学反应 ，如合成氨、硫酸等。
工程热力学与传热学水蒸气的热力 性质
目 录
• 水蒸气的形成与性质 • 水蒸气的热力学性质 • 水蒸气的传热性质 • 水蒸气在工程中的应用
01 水蒸气的形成与性质
水蒸气的定义
总结词
水蒸气是水的气态形式，由液态水或固态冰经过蒸发或升华 而来。
详细描述
水蒸气是大气中水分子以气态形式存在的一种状态，是水的 一种基本相态。当液态水受到热能作用时，会蒸发成水蒸气 ；而当固态冰受到足够的热量时，也会升华成水蒸气。
过热蒸汽比容
超过饱和蒸汽比容的蒸汽比容，与饱和蒸汽比容和过热度有关。
比容变化对水蒸气的影响
水蒸气的比容变化会影响其压力和温度变化，进而影响热力学过程 和传热过程。
水蒸气的焓
焓的定义
水蒸气的焓是指其具有的热量和压力势能的总和。
焓的计算公式
对于一定质量的水蒸气，焓的计算公式为 $H = h_v + P times V$，其中 $h_v$ 为水蒸气的 比焓，$P$ 为压力，$V$ 为比容。
焓对水蒸气过程的影响
在热力学过程中，水蒸气的焓值变化会影响其吸热量和做功量，进而影响过程进行的方向 和效率。
水蒸气的熵
01
熵的定义
水蒸气的熵是指其内部无序程度的度量。
02
熵的计算公式
对于一定质量的水蒸气，熵的计算公式为 $S = s_v + P times V$，其
第七章 水蒸气
三区
五态
注意：超过tc的H2O一般以水蒸气形式存在; 其他物质也有类似的性质；
10
7-3 水蒸气表和焓熵图
在动力循环中，水蒸气不宜利用理想气体性质计算。 水和水蒸气的状态参数可由给出的独立状态参数通过 实际气体状态方程及其他一般关系式计算（通常由计算 机计算）或查图表确定。
一. 水蒸气参数
1. 零点的规定
18
(0.35 0.001 092 5) m3 /kg v v' x 0.933 5 3 v '' v ' (0.374 86 0.001 092 5) m /kg
h h ' x h '' h '
640.35 kJ/kg 0.933 5 2 748.59 640.35 kJ/kg 2 608.4 kJ/kg
19
7-4 水蒸气的基本热力过程
一. 研究概述
基本热力过程：定容、定压、定温和定熵 研究目的：确定初、终态参数；计算过程热量和功量。 研究步骤： 1) 根据初态的两个已知参数查表(图)确定其他参数； 2) 根据过程特性及另一个终态参数确定终态点，进而查 得其他参数； 3) 根据查得的初、终态参数计算过程的功量和热量。 研究工具：表(图)、热力学基本定律(主要是第一定律)
q h h2 h1，u q w w pdv p (v2 v1 )，wt 0
四. 定温过程
q Tds T ( s2 s1 ) w q u wt q h
22
7-4 水蒸气的基本热力过程
五. 定熵过程
如：水蒸气在汽轮机中的膨胀作功过程
解：3.5 MPa的饱和水和饱和蒸汽的参数分别为：
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单位质量技术功：
wt ,s h1 h2
例6-5：有一刚性封闭容器，装有 p1 0.2MPa 、 x1 0.0004428 的湿蒸汽，对其加热至 p2 10MPa 试确定加热终点的状态，求出单位质量的加热量。 解：查附表3得， p1 0.2MPa 时的参数为
1.定压预热阶段： a b
比液体热： ql 0 c p dT 面积abs' s0 a
ts
2.定压汽化阶段：b d
比汽化潜热
r h" h ' 面积bds" s 'b
湿饱和蒸汽：饱和水完全汽化之前，饱和水与水 蒸汽的混合物。
d e 3.定压过热阶段：
过热度：
比过热热：
第一节 概述
一、水蒸气不适于理想气体状态方程 水蒸气离液态不远，而且伴随物质聚态的变化 实际气体的热力学能不仅是温度的函数，还 是比体积的函数。
实际气体的状态方程：
a p 2 v b RT v
实际气体的比热容：
u cv cV (T , v) T V
第五节 水蒸汽的基本热力过程
水蒸汽的热力过程的计算任务： (1)初态和终态的状态参数 (2)过程中的热量、膨胀功、技术功、焓和 熵的变化。 (3)利用蒸汽表和焓熵图进行计算。
一、定容过程 单位质量膨胀功为零 单位质量技术功 单位质量热量：
wv pdv 0
1
2
wt ,v vdp v p1 p2
比热力学能：
u x hx pv 2663 .78 0.5 106 0.36103 2483 .78kJ kg
温度：
t t s 151.850 C
例 在压力 p 10MPa 下，对水进行定压加热，当其 温度分别为 t 300 C 和 t 550 C ，试确定其所处 的状态。 解：p 10MPa 时，t 310.96 C t 300 C 时，为未饱和水，过冷度
例6-2：某锅炉产生的蒸汽， p 0.5MPa, v 0.36m3 试确定其所处状态，并求出其温度、比焓、 比热力学能和比熵的数值。
t s 151.850 C
kg
v , 0.001092 m3 kg
h ' 640.1kJ kg
s ' 1.8604kJ kg K
v" 0.37481 m3 kg
h" 2748 .5 kJ kg
s " 1.8604kJ kg K
干度：
v v' 0.36 0.0010928 x " 0.96 ' 0.37481 0.0010928 v v
比焓值为：
hx xh" 1 x h ' 0.96 2748 .5 (1 0.96)640.1 2663 .78kJ kg
t s f pቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
沸腾的条件：水温达到给定压力下的饱和温度。
二、水的定压汽化过程
1 kg 水，压力 0.1MPa ，初始温度 t a 比体积为 va 0.001m3 kg ，
00 C
，这时水的
水在定压加热的时候，比体积略有增加，表 现为点 a 自左向右移动；水温不断上升，焓 和熵增加。
"
'
三、水蒸汽的 p v 图和
T s
图
第三节 水蒸气表
(1)未饱和水区 (2)湿蒸汽区 (3)过热蒸汽区
一、饱和水与饱和水蒸汽表 1.按温度排列：
2.按压力排列：
对于湿蒸气，先根据附表2和3查出饱和水和 饱和蒸气的参数，用干度计算。
二、未饱和水与过热水蒸汽 由附表4查出未饱和水和过热水蒸汽的 v, h, s 例6-1 有一种说法：“过冷水一定很冷，过 热水蒸汽一定很热”，试用水蒸汽表对此加 以评论。
2 1
qv h2 h1 v p2 p1
二、定压过程 单位质量膨胀功 单位质量技术功 单位质量热量
w p pdv p(v2 v1 )
1
2
wt , p vdp 0
1
2
q p h2 h1
三、定温过程 单位质量热量 单位质量膨胀功
qT Tds T (s2 s1 )
c p cv R
第二节 水的定压汽化过程与水蒸汽的 p v 图和 T s 图
一、饱和温度和饱和压力
当水和蒸汽的温度和压力不再变化时，从水中 飞出的分子与从蒸汽中飞入水中的分子数达到 0 动态平衡，对应于温度 t C 时，平衡时的压力 称为饱和压力。
蒸发的条件：水蒸汽的分压力小于相应温度下水 的饱和压力。 给定压力下，对应有一个水和水蒸汽的饱和温度 ：
定压线簇向右上方呈发散状。
二、定温线 在湿蒸汽区定压线即定温线；在过热蒸汽区， 定温线为向右上凸的曲线。 三、定干度线 湿蒸汽区不同定压线上干度相同的状态点 的连线
例6-4：如图6-6所示，在湿蒸汽区任一定压 线段BD内取一点M，则该点的干度 x BM BD 试证明之。
hx h ' GN BM x " ' GD BD h h
t t t s
qsup c p dt h h " 面积 dess " d
t
s"
ts
1kg 湿蒸汽中含饱和蒸汽 xkg 。 干度：
vx xv" (1 x)v '
u x xu" (1 x)u '
hx xh" (1 x)h '
s x xs (1 x)s
0 0 1 2 0 s 0 1
t1 10.960 C
第四节 水蒸气的 h s
图
焓-熵图 定压过程的热量和绝热过程的技术功可 用纵坐标上线段的长度来表示。
一、定压线
h T s p
定压预热阶段，定压线向上凹； 定压汽化阶段，定压线为直线； 过热阶段，定压线向上凹。
1
2
T s2 s1 h2 p2v2 h1 p1v1
wT qT (u2 u1 )
单位质量技术功
wt ,T T s2 s1 h2 h1
四、绝热过程 单位质量膨胀功
ws h1 p1v1 h2 p2 v2