06第六章 水和水蒸气的性质

1、 Chapter 6. The property of Water and Vapor (第第6章章. 水和水蒸气的性质水和水蒸气的性质) o6.1 Basic conceptions (基本概念基本概念) o6.2 Phase change Process of Pure Substance (纯质的纯质的 相变过程相变过程) o6.3 Property Tables (水蒸气性质表水蒸气性质表) o6.4 h-s diagrams for Water Vapor o (水蒸气的水蒸气的h-s图图) o6.5 Thermodynamic Processes of Water Vapor o

2、(水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程) 水和水蒸气是实际气体的代表水和水蒸气是实际气体的代表 水蒸气水蒸气 在空气中含量极小，当作在空气中含量极小，当作理想气体理想气体 一般情况下，为一般情况下，为实际气体实际气体，使用图表，使用图表 18世纪，蒸气机的发明，是唯一工质世纪，蒸气机的发明，是唯一工质 直到内燃机发明，才有燃气工质直到内燃机发明，才有燃气工质 目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质目前仍是火力发电、核电、供暖、化工的工质 优点优点: 便宜，易得，无毒，便宜，易得，无毒， 膨胀性能好，传热性能好膨胀性能好，传热性能好 是其它实际气体的代表是其它实际气体的代表 6-1 纯物质的热力学

3、面及相图纯物质的热力学面及相图 物质三种聚集状态：物质三种聚集状态： 固态、固态、 液态、液态、 气态气态 水的三态：水的三态：冰、冰、 水、水、 蒸汽蒸汽 Pure substance Solid Liquid Gas Ice Water Steam 任何一种物质都可以经历下列所述的相变任何一种物质都可以经历下列所述的相变. Any kind of substance may undergo various types of phase changes as following : 溶解溶解(Fusion/melting) = solid to liquid 凝固凝固(Freezing) =

4、 liquid to solid 气化气化(Vaporization)= liquid to gas 凝结凝结(Condensation)= gas to liquid 升华升华(Sublimation) = solid to gas Phase changes (相变相变): 纯物质的纯物质的p-T相图相图 p p TT 液液 液液 气气 气气 固固 固固 水水一般物质一般物质 三相点三相点 三相点三相点 临界点临界点临界点临界点 流体流体 流体流体 升华线升华线升华线升华线 融解线融解线 融解线融解线 汽化线汽化线汽化线汽化线 p-T diagram of pure substances

5、p T Liquid VaporSolid Triple point Critical point Fluid Sublimation Melting Vaporization The sublimation line separates the solid and vapor regions; The vaporization line separates the liquid and vapor regions; it ends at the critical point. The melting line separates the solid and liquid regions; T

6、he three lines meet at the triple point. Triple point(三相点）：三相点）：all three phases coexist in equilibrium. (三种相态以平衡共存三种相态以平衡共存) Critical point (临界点临界点): The point at which the saturated liquid and saturated vapor states are identical. No distinction can be made between liquid and vapor phases above th

7、e critical point. (临界点就是气相与液相一致的状态点临界点就是气相与液相一致的状态点,温度高于临界温度高于临界 点之上点之上,气相与液相没有明显的区别气相与液相没有明显的区别) 临界点临界点 Critical point c o c 3 c 22.129MPa 647.30K (374.15 C) m 0.00326 kg p T v 水的临界点水的临界点 状态状态 饱和液线与饱和气线的交点饱和液线与饱和气线的交点 气液两相共存的气液两相共存的pmax,Tmax 等温线是鞍点等温线是鞍点 临临 界界 点点 思考题思考题 3. 有没有有没有500C的水的水？ 1. 溜冰冰刀溜冰

8、冰刀 2. 北方冬天晾在外边的衣服，北方冬天晾在外边的衣服，是否经过液相是否经过液相 4. 有没有有没有-3 的蒸汽的蒸汽？ 5. 一密闭容器内有水的汽液混合物，对其一密闭容器内有水的汽液混合物，对其 加热，是否一定能变成蒸汽？加热，是否一定能变成蒸汽？ 复习：纯物质的复习：纯物质的p-T相图相图 p p TT 液液 液液 气气 气气 固固 固固 水水一般物质一般物质 三相点三相点 三相点三相点 临界点临界点临界点临界点 流体流体 流体流体 c o c 3 c 22.129MPa 647.30K (374.15 C) m 0.00326 kg p T v 饱和线、三相线和临界点饱和线、三相线和

9、临界点 p v 饱和气线 三相线 饱和液线 饱和固线 T 临界点 Vapor and Liquid (汽相和液相汽相和液相) 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝 汽汽 器器 过热器过热器 因固相不流动，因固相不流动， 更关心汽液两相更关心汽液两相 冰蓄冷冰蓄冷 6-2 汽化与饱和汽化与饱和 气化气化(Vaporization): 由液态变成气态的物理过程由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化不涉及化学变化) 凝结凝结(Condensation)： 由气态变成液态的物理过程由气态变成液态的物理过程 6.2.1 6.2.1 汽化与凝结汽化与凝结 oThe rate of

10、 condensation depends upon the density of vapor in the space above the liquid. o(凝结的速率取决于液面上方气相空间气体分子的密度凝结的速率取决于液面上方气相空间气体分子的密度,即蒸气压力即蒸气压力) oLiquid molecule has to overcome the surface tension to become vapor, therefore vaporization consumes energy. ( 液相分子必须克服表面张力才能进入气相空间而气化液相分子必须克服表面张力才能进入气相空间而气化,因

11、此气化是要耗因此气化是要耗 能的能的) oThe rate of Vaporization depends on the liquid temperature.(气化的速率取决于液相的温度气化的速率取决于液相的温度) )()( vc pfgw )( 1 Tgwv 凝结）(on condensati cv ww 气化）(zation vapori cv ww 平衡状态）( mequilibriu cv ww The equilibrium is called Saturation State.(饱和状态）饱和状态） The properties at this state is called S

12、aturation Properties. (饱和饱和 参数）参数） s T s p 6.2.2 饱和状态饱和状态Saturation state 饱和状态：汽化与凝结的动态平衡饱和状态：汽化与凝结的动态平衡 At the equilibrium state, the pressure corresponding to only one temperature. That is, . 饱和温度饱和温度Ts 饱和压力饱和压力ps 一一对应一一对应 放掉一些水，放掉一些水，Ts不变，不变， ps？ Ts ps Saturation temperature Saturation pressure )

13、(Tfp ps=1.01325barTs=100 青藏青藏ps=0.6bar Ts=85.95 高压锅高压锅ps=1.6bar Ts=113.32 )( ss Tfp 6.2.3 汽化汽化 Vaporization 沸腾：沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化表面和液体内部同时发生的汽化 It is an intensive vaporization phenomenon occurs in the liquid. ( (气体和液体均处在饱和状态下气体和液体均处在饱和状态下) ) 汽化汽化: 由液态变成气态的物理过程由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化不涉及化学变化) 蒸发：蒸发：汽液表面上

14、的汽化汽液表面上的汽化 Boil Evaporation Evaporation occurs at any temperature and pressure. （蒸发可在任何温度和压力下发生）（蒸发可在任何温度和压力下发生） Evaporation rate depends on the free surface area, the temperature, the flow rate above,etc. （蒸发的速度与自由液面表面积，液体温度，液面风速等有关（蒸发的速度与自由液面表面积，液体温度，液面风速等有关 Boiling can only occur as temperature

15、reaches the saturation temperature corresponding to the specified pressure or the pressure drops below the saturation pressure corresponding to the specified temperature. （沸腾只能当温度达到给定压力所对应的饱和温度或压力降到给定（沸腾只能当温度达到给定压力所对应的饱和温度或压力降到给定 温度所对应的饱和压力时温度所对应的饱和压力时,才能发生才能发生) 6-3 水蒸气的定压发生过程水蒸气的定压发生过程 t ts v vv =

16、vv = vv v v 未饱和水未饱和水 饱和水饱和水 饱和湿蒸汽饱和湿蒸汽 饱和干蒸汽饱和干蒸汽 过热蒸汽过热蒸汽 h hh = hh = hh h h s ss = ss = ss s s 水预热水预热汽化汽化过热过热 6.3.1 P=constant (压力压力 p 是定值是定值) Preheat Stage (预热阶段预热阶段) Compressed liquid to Saturated liquid. (未饱和液体未饱和液体 饱和液体饱和液体) Compressed liquid/subcooled liquid is not about to vaporization. As h

17、eat added, t slightly . When It becomes Saturated liquid. The liquid is about to vaporize. It is the state at which it is still a liquid, but any heat addition will cause some of the liquid to vaporize. )(pftt s v v s tt s ttt 过冷 Vaporization Stage (气化阶段气化阶段) Saturated liquid to Saturated vapor (饱和液

18、体饱和液体 饱和蒸气饱和蒸气) Saturated vapor is a vapor about to condense. A substance at state between Saturated liquid and Saturated Vapor is called Saturated liquid-vapor mixture/wet vapor. Latent heat of Vaporization (气化潜热气化潜热):The amount of energy absorbed during vaporization v v s tt Superheat Stage (过热阶段过

19、热阶段) Superheated vapor is the vapor that is not about to condense. s tt vt s ttt 过热 注意：水蒸气定压发生过程说明注意：水蒸气定压发生过程说明 (1) () QUWUpdV Up VUpVH (2) fg 0SSS (3) 理想气体理想气体( )hf T 实际气体汽化时，实际气体汽化时，TTs不变，但不变，但h增加增加 hh 汽化潜热汽化潜热 (4) 未饱和水未饱和水 过冷度过冷度 s ttt 过冷 过冷水过冷水 过热蒸汽过热蒸汽 过热度过热度 s ttt 过热 只有熵加热时永远增加只有熵加热时永远增加 Stat

20、e of Liquid and vapor 未饱和液，过冷液未饱和液，过冷液 饱和液饱和液 饱和湿蒸气饱和湿蒸气 饱和蒸气饱和蒸气 过热蒸气过热蒸气 Saturated liquid Saturated vapor Saturated liquid-vapor mixture Superheated vapor Compressed liquid Subcooled liquid 汽化潜热汽化潜热 Latent heat of Vaporization 压缩液压缩液 6.3.2 定压气化过程的定压气化过程的P-v P-v 图和图和T-s T-s 图图 P-v and T-s diagrams

21、c p c T c T A B C A C B c TT c TT c pp c pp 3 a 3 b 3 d 3 e 3 c 3 a 3 b 3 d 3 e 3 c 2 c 2 a 2 b 2 d 2 e 2 c 2 a 2 b 2 d 2 e 1 c 1 a 1 b 1 d 1 e1 c 1 a 1 b 1 d 1 e T s p-v图，图，T-s图上的水蒸气定压加热过程图上的水蒸气定压加热过程 p v c p 一点，二线，三区，五态一点，二线，三区，五态 oSaturated liquid line, SLL is formed by connecting a series of boi

22、ling points. o saturated vapor line, SVL：Connecting a series of points at dry saturated vapor builds a line, known as saturated vapor line, SVL. o Vaporization continues by further heat supply to the system until no liquid is left. This state is known as dry saturated vapor, e.g. point d. If the sys

23、tem is slightly cooled at this state, then droplets of liquid will begin to form. The state of substance between saturated liquid and dry vapor is called wet vapor. Further heating of a dry saturated vapor at constant pressure causes a rise of vapor temperature and it becomes superheated vapor. The

24、state of substance is completely defined by its pressure and temperature if it is in liquid or superheated vapor phase. v oOne point (一点一点):critical point (临界点临界点) oTwo lines (两线两线):SLL and SVL (饱和液体线和饱和蒸气线饱和液体线和饱和蒸气线) oThree regions(三区三区): o Subcooled liquid region (未饱和液体区未饱和液体区) o Saturated liquid

25、-vapor mixture region(湿蒸气区湿蒸气区) o Superheated vapor region (过热蒸气区过热蒸气区) oFive states(五态五态): Subcooled liquid(未饱和液体未饱和液体) o Saturated liquid (饱和液体饱和液体) o Saturated liquid-vapor mixture (湿蒸气湿蒸气) o Saturated vapor (干饱和蒸气干饱和蒸气) o Superheated vapor (过热蒸气过热蒸气) 6.4.1 Types of Property Tables (水蒸汽表的分类水蒸汽表的分

26、类) 1. Saturated water Tables (饱和水和饱和蒸汽表饱和水和饱和蒸汽表) o Saturated water-T Tables(以温度以温度t为独立变量排列为独立变量排列) o Saturated water-p Tables(以压力以压力p为独立变量排列为独立变量排列) 2. Subcooled water and Superheated vapor Table (未饱未饱 和水和过热水蒸汽表和水和过热水蒸汽表) P and t are dependent variables (以以p和和t为自变量为自变量) 2、Reference State and Refere

27、nce Values (基准点的规定基准点的规定) For water, the saturated liquid at 0.01 is taken as reference state. (取水的三相点，即取水的三相点，即0.01 oC为基准点，规定在为基准点，规定在 此温度下液态水的热力学能和熵为零。此温度下液态水的热力学能和熵为零。) The internal energy and entropy are assigned zero at this state. kgkJu/ 0 0 )/( 0 0 KkgkJs 3. Properties of Saturated liquid-vap

28、or mixture at Pressure p (压力为压力为p的湿饱和蒸汽的湿饱和蒸汽) The state of wet vapor can not be defined by just pressure and temperature until one other property is given. The condition or quality of wet vapor is often defined by its dryness or wetness fraction. 定义干度定义干度x才可以确定湿蒸汽的状态。才可以确定湿蒸汽的状态。 We define dryness

29、as dryness fractiondryness fraction, x = the mass of dry vapor in 1 kg of the mixture, , x = the mass of dry vapor in 1 kg of the mixture, wetness fractionwetness fraction, 1 - x = the mass of liquid in 1 kg of the mixture. , 1 - x = the mass of liquid in 1 kg of the mixture. m m x v vxvxvx )1 ( hxh

30、xhx )1 ( sxsxsx )1 ( vxvxvx )1 ( hxhxhx )1 ( sxsxs x )1 ( 注意注意:饱和表的起始点饱和表的起始点 pts v (m3/kg) v ss kJ/(kg.K) 0.0061120.01 0.00100022 206.175 0.09.1562 1.099.63 0.00104341.6946 1.3027 7.3608 5.0151.85 0.00109280.374811.8604 6.8215 50.0263.92 0.00128580.03941 2.9209 5.9712 221.29374.15 0.003260.00326 4.

31、4294.429 (bar)() bdb d 4. Exercise. Consulting property tables of water vapor to determine the state of each point and their h，s，x.(利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确 定其定其h，s，x的值。的值。) o（1）由饱和水和饱和蒸汽表查得 p=2MPa时， 显然 ，可知该状态为过热蒸汽过热蒸汽。 查未饱和水过热蒸汽表，得p=2MPa， t=300 时 o（2） 查饱和表得查饱和表得p=9MPa时时 可见可见 ， 该状态为该状态为湿

32、蒸汽湿蒸汽，其干度为，其干度为 又查饱和表得又查饱和表得 =2489.0kJ/kg 按湿蒸汽的参数计算式得按湿蒸汽的参数计算式得 ( 3 ) 显然，该状态为湿蒸汽状态。由已知参数查饱和水和饱和显然，该状态为湿蒸汽状态。由已知参数查饱和水和饱和 蒸汽表得蒸汽表得 按湿蒸汽的参数计算公式得按湿蒸汽的参数计算公式得 （4）由饱和水和饱和蒸汽表查得）由饱和水和饱和蒸汽表查得:当当p=1.0MPa时，时，ts=179.9， 显然显然tts，所以该状态为，所以该状态为未饱和水未饱和水。 通常通常t=175的状态参数可利用的状态参数可利用t=170与与t=180的对应状态的对应状态 参数内插得到，参数内插得

33、到， 但此处但此处t=170与与t=180跨越了未饱和表中的黑粗线，跨越了未饱和表中的黑粗线， 说明它们分别处于不同相区。说明它们分别处于不同相区。 应使内插在未饱和水区内进行，选取离最接近的应使内插在未饱和水区内进行，选取离最接近的t=170与与 ts=179.9的未饱和水参数内插。的未饱和水参数内插。 查未饱和水和过热蒸汽表得查未饱和水和过热蒸汽表得 p=1.0MPa，t=170时 p=1.0MPa，t=179.9时 于是t=175时 对于未饱和水干度对于未饱和水干度x无意义。无意义。 （5） 时，饱和蒸汽比体积时，饱和蒸汽比体积 ， 该状态该状态 为为过热蒸汽过热蒸汽。查过热蒸汽表得。查

34、过热蒸汽表得 t=260时，时， , t=270时，时， 该状态的温度可由比体积值求得该状态的温度可由比体积值求得 o讨论讨论 应该注意，在利用未饱和水与过热蒸汽作应该注意，在利用未饱和水与过热蒸汽作 内插时，不允许跨越表中的粗折线，如遇内插时，不允许跨越表中的粗折线，如遇 这种情况，应选用更详细的表，或使内插这种情况，应选用更详细的表，或使内插 计算在未饱和水（或过热蒸汽）区内进行。计算在未饱和水（或过热蒸汽）区内进行。 6.5 h-s diagram of water vapor (水蒸汽的水蒸汽的h-s图图) SLL and SVL (界限曲线，界限曲线，x=0、x=1两条曲线两条曲线)

35、 2. Constant Pressure Line and Constant Temperature Line (定压线和定温线定压线和定温线) In Saturated liquid-vapor region, constant pressure line and constant temperature line are identical. ( 在湿蒸汽区定压线与定温线重合。在湿蒸汽区定压线与定温线重合。) 3. Constant Volume Line（定容线。（定容线。) 4. Constant Dryness Line (定干度线。定干度线。) Given Two Propert

36、ies, all the other state properties can be determined from the Diagram. (给定两个参数，即可查出其余全部参数) 。 Priorities (优点优点)： Fast and convenient. 方便、快速。方便、快速。 Drawbacks (缺点缺点)： Not so accurate as Property tables 精确性稍差精确性稍差 。 s (kJ/kg*K) h (kJ/kg) 6.6.1 Characteristics of water vapor (水蒸汽的特点水蒸汽的特点) 1. Water vapo

37、r can not be treated as ideal gas (水蒸汽不水蒸汽不 是理想气体是理想气体) pv=RT is not suitable. （理想气体状态方程不适用。）（理想气体状态方程不适用。） 2. Analysis and Calculation on Water vapor can be solved by using Tables and Diagrams ( 水蒸汽的分析和水蒸汽的分析和 计算采用水蒸汽图和表。计算采用水蒸汽图和表。) 3. The First and the Second Laws must be obeyed during processes

38、of water vapor (热力学第一定律和第二热力学第一定律和第二 定律成立定律成立) 6.6 Thermodynamic Processes of Water Vapor (水蒸气的热力过程水蒸气的热力过程) wuqpvuh For reversible processes, (对于可逆过程：对于可逆过程：) 2 1 pdvw 2 1 Tdsq wzgchq 2 2 1 6.6.2 Procedures (步骤步骤) (1) Based on the given conditions, determine the initial state and its properties . (

39、根据已知条件，确定初始状态，查出其余参数。根据已知条件，确定初始状态，查出其余参数。) (2) Based on the characteristics of the process and one of the properties of the final state, determine the final state and its properties. ( 根据过程特点和一个终态参数，确定终态，再查出其余终态参数。根据过程特点和一个终态参数，确定终态，再查出其余终态参数。) (3) Based on the initial and final state, calculate the q、