水蒸气的形成过程共41页文档
热力学水的蒸发过程
工程上用的气态工质可以分为两类，即气体和蒸气，两者之间并无严格的界限。
蒸气泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的气态物质，在被冷却或被压缩时，很容易变回液态。
一般地说，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，因此，蒸气一般不能作为理想气体处理。
工程上常用的蒸气有水蒸气、氨蒸气、氟利昂蒸气等。
由于水蒸气来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，是热工技术上应用最广泛的一种工质。
各种物质的蒸气虽然各有特点，但其热力性质及物态变化规律都有许多类似之处。
这里仅以水蒸气（简称蒸汽）为例，对它的产生、状态的确定及其基本热力过程进行分析。
1. 蒸气是由液体汽化而产生的。
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。
实验证明，液体沸腾时，尽管对其继续加热，但液体的温度保持不变。
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。
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，气、液两相达到了动态平衡，这种状态称为饱和状态。
饱和状态下的液体和蒸气分别称为饱和液体和饱和蒸气。
饱和蒸气的压力和温度分别称为饱和压力（用p s表示）和饱和温度（用t s表示），二者一一对应，且饱和压力愈高，饱和温度也愈高，例如：对于水蒸气，当p s=0.10325MPa 时，t s=100℃；当p s=1MPa 时，t s=179.916℃。
蒸汽形成的原理
蒸汽形成的原理蒸汽是由于水的加热而形成的水蒸气。
水蒸气是水在液态和气态之间的转变过程中产生的。
当水加热到其沸点以上时，水分子的动能增加，使得一部分水分子从液态转变为气态。
这个过程被称为蒸发。
在蒸发的同时，水分子会以气体的形式逃离液体表面进入大气中。
蒸汽的形成依赖于几个因素，包括水的温度、环境的压力和湿度。
首先，水的温度必须达到或超过其沸点，也就是将水变为水蒸气的最低温度。
在海平面上，水的沸点约为100摄氏度。
其次，环境的压力也会影响蒸汽的形成。
根据物理学原理，液体在大气压力下沸腾的温度要高于液体在低压环境下沸腾的温度。
因此，水的沸点会随着环境的海拔高度的升高而降低。
在较高的海拔地区，水的沸点可能低于100摄氏度。
此外，湿度也会影响蒸汽的形成。
湿度是指空气中水分子的含量，通常以相对湿度来衡量。
相对湿度是空气中当前水蒸气含量与该温度下水蒸气饱和所需水分子含量的比值。
如果相对湿度较高，空气中已经含有较多的水蒸气，这将使新的水蒸气分子比较难以进入空气中。
但是，如果相对湿度较低，空气中的水分子含量相对较低，水分子转为水蒸气会更容易。
当水加热到其沸点以上时，水分子的动能增加，一部分水分子会分离出来，形成自由的水蒸气。
这些水蒸气分子在空气中运动，与空气中的其他气体分子碰撞。
蒸汽分子与空气中的气体分子的碰撞导致分子间的相互作用力，使得蒸汽分子得以与空气分子混合，形成水蒸气的气态状态。
在水蒸气形成的过程中，热量是必不可少的因素。
加热水时，热量被传递到水分子中，使其动能增加，从而使一部分水分子达到足够的能量以克服吸引力，从而从液体表面脱离。
这些水分子成为水蒸气分子，进入大气中。
蒸汽的形成不仅仅是物理性质的变化，也涉及到分子水平的能量变化和相互作用。
蒸发的能量主要用于使水分子克服引力，从而从液态转变为气态。
这个过程需要吸收热量来提供所需的能量，因此蒸发被称为一种冷却过程。
总而言之，蒸汽的形成是由于水的加热而产生的水蒸气。
第一篇 流体力学第九章 水蒸气
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图９-１ 水蒸气的定压发生过程
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图９-２ 水蒸气定压发生过程的p-v 图 和T-s 图
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图９-３ 焓熵图
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第一节 水蒸气的产生
• 二、水蒸气的定压发生过程
• 工程中所用的水蒸气是由锅炉在定压下对水加热而得到的.为了便于 分析问题,可用一个简单的试验设备来观察水蒸气的定压发生过程.
• 将１kg０.０１℃的水装在带有活塞的气缸中,活塞上承受一个不变的 压力p,使水在定压下被加热生成蒸汽.这一过程大致可以分为以下三 个阶段.
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第一节 水蒸气的产生
• ２.沸腾 • 在液体内部发生的汽化过程称为沸腾.液体受热后,由于其中空气的溶
解度降低,液体内部会产生气泡,液体会通过气泡表面向气泡空间蒸发, 最终达到饱和状态.随着温度的升高,气泡内的饱和压力逐渐增大.当气 泡内的饱和压力等于外界压力时,气泡会迅速增大,升到液面后破裂,蒸 汽进入汽相空间.此时,液体处于沸腾状态.由于饱和压力取决于温度,所 以,沸腾只能发生在给定压力所对应的饱和温度下,这一温度也就是该 压力下液体的沸点. • 沸腾可在压力不变的情况下通过加热来实现,也可在温度不变的情况 下通过降低压力来实现. • 液体中含有气体是沸腾过程开始的必要条件.液体受热后,所含气体分 离出来成为气泡,其为沸腾建立了必要的分界面,气泡成为汽化核心.若 没有它,沸腾过程就不能开始,液体可能超过沸点而不沸腾,这种现象称 为液体过热,或称为沸腾延缓.
• １.水的预热过程 • 对０.０１℃的水加热,初始时,水的温度低于p 压力下的饱和温度ts,此
时的水称为未饱和水,如图９-１(a)所示.随着温度的升高,水的比体积 稍有增加.当温度达到饱和温度ts时,水将开始沸腾,此时的水称为饱和 水,如图９-１(b)所示.由未饱和水变为饱和水的过程称为水的预热过 程.该过程中所吸收的热量称为液体热.
第3节(五) 水蒸气.
va v ' vx v" v
s 0 s ' sx s" s
s
p
三个阶段
a b c d e
T
e b c d
Ts
a v
1）定压预热阶段a-b：未饱和水→饱和水。 tS 比液体热： ql c p dt h ho 面积 absso a 0 2）定压汽化阶段b-c-d：饱和水→干饱和蒸汽，既是定压又 1kg饱和水→干饱和水蒸 是定温的相变加热过程。 气所需的热量称为比汽化 r h"h' 面积bds s b 比汽化潜热： 潜热。 3）定压过热阶段d-e：饱和蒸汽→过热蒸汽。 t c p dt h h 面积dessd 比过热量： qsup tS 将0℃的水加热变为过热水蒸气所需的热量，等于液体热、 汽化潜热与过热热量三者之和。整个水蒸气定压发生过程及 各个阶段中的加热量，均可用水和水蒸气的焓值变化来计算。
v v ''
p
a
b
T
c
b c
d
e
e
a
b c
d
e a
d
v
s
p
五个状态
a b c d e v
T
e b c d
Ts
a
未饱和水（过冷水）：a～b，t<ts 过冷度t=ts-t。p、T 是独立的状态参数。 饱和水：b， t =ts ，p、T 不是独立的状态参数。 干饱和蒸汽：d，t=ts ，p、T 不是独立的状态参数。 湿蒸汽：c，饱和水和饱和蒸汽的混合物 t = ts ， p、T 不是独立的状态参数。 干度x：1kg湿蒸汽中含xkg的饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。 u x xu 1 xu 过热蒸汽：e，t>ts , v x xv 1 xv 过热度t=t-ts , p、T s x xs 1 xs hx xh 1 x h’ 是独立的状态参数。
水蒸气
w12 p1 (v2 v1 )
p1 2 t2
x=1
1
x1
s
三、定温过程 T1=T2,于是可得： q12 T1 (s2 s1 )
w12 q12 u1,2 T1 (s2 s1 ) [(h2 h1 ) ( p2v2 p1v1 )]
四、定熵过程 s1=s2,于是可得： q12 0
容器中装有1kg水 p 1atm ta 0C va 0.001 m3 kg
0℃
t=ts
t>ts
t=ts
t=ts
ts 100 C
va 0.001
v 0.001043
a
b
p
a bc d e
v'vx v"
c
T
a
v 1.6949
d
v v ''
e
e bc d
v
s
p
五个状态 T
主题2:水蒸气h-s图
定温线—饱和区内与定压线重 合；在过热区与定压线自上界 线处分开后逐渐趋于平坦。即 p↓→蒸汽性质趋近理想气体。
定容线—走向与定压线相同， 但比定压线稍陡(图中虚线)。
定干度线—一组干度等于常数的曲线。 x<0.5的区域图线过密，工程中也不经常使用这部
分数据，所以通常所用的h-s图线中不包括这一区域。
e
a bc d e
Ts b c d
a
v
va v' vx v" v
s0 s' sx s" s
s
未饱和水（过冷水）：a～b，t<ts 过冷度t=ts-t。p、T
是独立的状态参数。
饱和水：b， t =ts ，p、T 不是独立的状态参数。
水蒸气形成及流动规律
2019/10/20
thanks
谢谢
例：已知初参数P1、X1，和终参数t2 P1和X1相交于h-s图上1点，此为初态点 由于定压过程，压力不变，沿P1等压线和t2相交于2点，此为终态 点 各点的h、s值均可在焓熵图上查出
q=h2-h1 w=p（v2-v1）
2019/10/20
绝热过程
含义：过程中每一瞬间与外界都是无热量交换的。 不考虑能量损失，熵增为零
2019/10/20
定温线群
在过热蒸汽区，定温线自 左向右上方略微倾斜，并 随压力的降低，愈加平坦。 图中用t1、t2….t5线表示
2019/10/20
定干度线群
定干度线是湿蒸汽区特有的曲 线群。 由于定压汽化过程熵的变化与 干度成正比，故x=0和x=1间 将定压线分成若干等份。图中 用x1、x2….x6表示
2019/10/20
定容线群
定容线与定压线方向相近，但斜率 更大，为了区分两者，工程上将定 容线用红色标出
2019/10/20
例题1
2019/10/20
水蒸汽的热力过程
主要问题：
1、确定终点参数 2、求出过程的功与热
火力厂主要的热力过程是定 压过程和绝热过程
2019/10/20
定压过程
含义：整个过程中工质的压力不发生变化，例如火力发电 厂中的省煤器、凝汽器
例：已知初参数P1、t1，和终参数P2 P1和t1相交于h-s图上1点，此为初态点
由于绝热过程，熵增为零，沿初态点等熵线向下和p2相交于2点， 此为终态点
Байду номын сангаас
无热交换 功
q=0 w=h1-h2
水蒸气的产生过程
水蒸气的产生过程
水蒸气的产生过程主要包括以下几个阶段。
1.预热阶段：在这个阶段，水受到加热，温度逐渐上升，但水并未沸腾。
此时，水中的分子开始吸收热量，分子间的相互作用力逐渐减弱。
2.汽化阶段：当水温达到沸点时，水开始沸腾，由液态转化为气态。
在沸腾过程中，水分子不断吸收热量，使得水温保持在沸点温度，分子间的相互作用力被热量打破，水分子逐渐转化为气态。
3.过热阶段：在汽化阶段之后，水蒸气继续吸收热量，使其温度升高。
这个阶段的水蒸气称为过热蒸气。
过热蒸气的温度和压力取决于吸收的热量大小。
4.湿度变化：在过热阶段，水蒸气中的水分子的干度和湿度会发生变化。
湿蒸气中既有水分子（饱和水）也有蒸汽分子（饱和蒸汽）。
湿度的变化取决于过热蒸气中饱和水和饱和蒸汽的比例。
5.冷凝阶段：当过热蒸气遇到冷空气时，其温度会逐渐降低，直至达到饱和状态。
此时，水蒸气中的水分子会凝结成小水滴，这个过程称为冷凝。
总之，水蒸气的产生过程主要包括预热、汽化、过热、湿度和冷凝等阶段。
在这个过程中，水分子逐渐转化为气态，
并伴随着温度的变化。
5-2 水蒸气的产生过程
水蒸气的产生过程
t < ts
未饱和水
v < v’
h < h’
s < s’
水预热
t = ts
饱和水
v = v’
h = h’
s = s’
t = ts
湿蒸汽
v ’< v <v’’
h ’< h <h’’
s ’< s <s’’
汽化
2
t = ts
饱和水蒸气
v = v’’
t > ts
过热水蒸气
v > v’’
过热度D:
• 表示过热水蒸气的温度超出该压力下饱和温度的度数。 • 说明过热水蒸气离开饱和状态的远近程度。
q h h h h q h0 q r q
t
t
t
q ts cpdt cp ts t ts cp ts D
过热度
6
水蒸的产生过程
水蒸气产生所需热量：
压力p，温度0℃的不饱和水→温度为t的过热水蒸气
q q r q h h0
各段加热量均可用水或水蒸气的焓值计算。
7
h = h’’
h > h’’
s = s’’
s > s’’
过热
水蒸气的产生过程
水蒸气产生过程三个阶段
1、水的定压预热a→b
• 未饱和水(0℃)→饱和水(ts)；
2、饱和水的定压汽化b→d
• 饱和水(ts)→饱和水蒸气(ts)；
3、水蒸气的定压过热d→e
• 饱和水蒸气(ts)→过热水蒸气(t)。
3
水蒸气的产生过程
水的定压预热过程：
液体热q’ ：
• 将1kg、0℃的水定压加热到该压力p下的饱和
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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水蒸气的形成过程
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思