第七章.工程热力学

第七章水蒸气7-1

水的相变及相图7-2水蒸气的定压发生过程7-3水蒸气表和焓-熵图7-4水蒸气的基本热力过程1水蒸气的特点：易于获得（制造成本低、来源丰富）；无污染（无毒、无味）；热力性质适宜：热容大、传热好、有良好的膨胀性能；应用广泛：蒸汽动力装置、热水采暖、空调加热加湿等；具有代表性：性质与制冷剂蒸气、天然气类似。2一.水的相图7-1水的相变及相图三相点：固、液、气三相平衡共存的状态点。

p=611.659Pa，t=0.01℃融解曲线汽化曲线升华曲线相平衡曲线相平衡是动态平衡！37-1水的相变及相图1.汽化：水由液态气态的过程，分为蒸发和沸腾。2.凝结：水由气态液态的过程。

3.蒸发：液体表面进行的汽化过程。

1)密闭容器内的蒸发饱和状态：当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡。饱和水与饱和蒸汽饱和温度ts与饱和压力ps一一对应二.汽化和凝结4

4.沸腾：在给定压力对应的温度下发生，在液体内部和表面同时进行且伴随大量汽泡产生的汽化现象。2)自由空间内的蒸发促进蒸发的措施：提高液体温度、增加液面面积、加速液面通风7-1水的相变及相图思考：如果水处于自由空间内，则水最终将全部蒸发？

沸腾的两种途径：定压加热、减压5预热过程吸收液体热ql汽化过程吸收汽化潜热r过热过程吸收过热热qsup不饱和水t<ts饱和水t=ts参数为vhs湿(饱和)蒸汽t=ts干(饱和)蒸汽t=ts参数为vhs过热蒸汽t>ts一、水蒸气的定压发生过程7-2水蒸气的定压发生过程6二、定压发生过程的p-v图及T-s图1.温度0.01C、压力为611.659Pa的饱和水的定压汽化过程2.温度0.01C、压力p1、p2的水的定压汽化过程7-2水蒸气的定压发生过程73.图的理解1)初始时刻v几乎相同：水的压缩性极小；2)下界限线趋势：水的比体积受t升高的影响比受p升高的影响大；3)上界限线趋势：蒸汽比体积受t升高的影响明显小于受p升高的影响；4)临界点C：上下界限线的趋势说明随着压力和饱和温度的提高，预热过程变长，汽化过程缩短，最终使汽化过程变为一点。7-2水蒸气的定压发生过程8三区液区汽液共存区汽区五态不饱和水饱和水湿饱和蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽两线上界限线下界限线4.图的构成一点(临界点)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；7-2水蒸气的定压发生过程97-3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。1.零点的规定以三相点的饱和水为基准点：t0=0.01℃，p0=611.659Pa，v0

=0.00100021m3/kg。规定：u0=0kJ/kg，s0=0kJ/(kgK)，

h0=u0+p0v0=0.6117kJ/kg0一.水蒸气参数102.温度0.01C、压力为p的不饱和水

忽略水的压缩性，认为v00.00100021m3/kg；则：u0=u0=0、s0=s0=0，h0=u0+pv0

0（压力不高时）3.压力为p、温度为ts的饱和水说明：1)当压力和温度较高时，cp不宜看作为定值，h0也不能认为是0。

2)h、s随温度(压力)的增加而增加，最大值出现在临界点。7-3水蒸气表和焓熵图114.压力为p的干饱和蒸汽说明：1)r随压力(温度)的增加而减小（由2501kJ/kg减小至0），

h在2.8~3.3MPa时达到最大。

2)s随压力(温度)的增加而减小，在临界点时最小。5.压力为p的湿饱和蒸汽湿蒸汽的参数介于饱和水与饱和蒸汽的相应参数之间7-3水蒸气表和焓熵图126.压力为p的过热蒸汽说明：过热蒸汽的u、h、s、v均大于同压力下饱和蒸汽的相应参数；过热蒸汽的cp是p、t的复杂函数，因此上式不宜用于工程计算。

7-3水蒸气表和焓熵图132.未饱和水和过热蒸气表需要p和t两个独立参数才能确定其状态。注意：1)查表前首先要判断状态点位于哪个区；

2)未饱和水和过热蒸汽表中粗黑线附近不能线性插值；

3)湿饱和蒸汽参数不能直接查表得到，需根据干度进行计算。7-3水蒸气表和焓熵图二.水蒸气表1.饱和水和饱和蒸气表按温度排列按压力排列14构成：定压线、定容线、定温线和定干度线1)定压线：湿区定压线为直线；过热区定压线斜率随温度升高而增加2)定容线：因此，定容线斜率大于定压线斜率。可用线段长度表示热量和功量7-3水蒸气表和焓熵图三.水蒸气的焓-熵图153)定温线：湿区：过热区定温线斜率小于定压线斜率，且随着过热度的增加，定温线斜率趋于0，过热蒸汽越来越接近理想气体。

4)定干度线：汇合于临界点过热区：表：数据精确但不连续，不够方便图：使用方便，但读数不够精确7-3水蒸气表和焓熵图16例7-1：已知水蒸气压力p=0.5MPa，比体积v=0.35m3/kg问它是过热蒸汽、干饱和蒸汽还是湿饱和蒸汽？用水蒸气表求出其他参数。解：由水蒸气表，p=0.5MPa时：因此：所以该水蒸气是湿饱和蒸汽。由水蒸气表查得：17187-4水蒸气的基本热力过程基本热力过程：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)一.研究概述19二.定容过程思考：定容加压时湿蒸气干度如何变化？v<vc时，定容加压x下降

v>vc时，定容加压x上升

7-4水蒸气的基本热力过程20三.定压过程如：水蒸气定压发生过程水蒸气在换热器中的换热过程四.定温过程7-4水蒸气的基本热力过程21五.定熵过程如：水蒸气在汽轮机中的膨胀作功过程水在水泵中压缩耗功的过程。7-4水蒸气的基本热力过程22例题7-2：1kg压力p1=3MPa、温度t1=450℃的蒸汽，可逆绝热膨胀到p2=0.005MPa，试根据水和水蒸气表求终态参数t2、v2、h2、s2，并求膨胀功和技术功。解：由于t1=450℃>233.84℃，为过热蒸汽。查表得初态参数：

v1=0.107715m3/kg，h1=3344kJ/kg，s1=7.0788kJ/(kgK)

计算得到：u1=h1p1v1=3020.855kJ/kg

终态时：p2=0.005MPa，s2=s1=7.0788kJ/(kgK)

查饱和蒸汽表，得0.005MPa时饱和水和饱和蒸汽的参数：

v=0.0010052m3/kg，h=137.77kJ/kg，s=0.4763kJ/(kgK)v=28.196m3/kg，h=2561.2kJ/kg，s=8.3952kJ/(kgK)r=2423.4kJ/kg23由于s<s2<s，则终态时水蒸气为湿饱和蒸汽。干度为：则终态参数为：v2=(1x)v+xv=23.516m3/kg

h2=h+x=2158.89kJ/kg

u2=h2

p2v2=2041.31kJ/kg

w=

u=u1u2=979.545kJ，

wt=

h=h1

h2=1185.115kJ

24例题7-3：某3m3的刚性容器，内储压力为3.5MPa的饱和水和饱和蒸汽，蒸汽与水的质量比为1:9，现将饱和水通过阀门排出容器，使容器内蒸汽和水的总质量降低一半。如果要保持容器内温度和压力不变，需从外界传入多少热量。解：3.5MPa的饱和水和饱和蒸汽的参数分别为：

v=0.0012345m3/kg，h=1049.8kJ/kg，

s=2.7253kJ/(kgK)，u=1045.48kJ/kgv=0.05702m3/kg，

h=2801.3kJ/kgs=6.1218kJ/(kgK)，u=2601.73kJ/kg

初态时干度为：x1

=0.1，则vx1=0.006813m3/kg，m=440.33kg，ux1=(1x)u+xu=1201.105kJ/kg

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终态时容器内仍然是饱和水和饱和蒸汽的混合物，且温度和压力不变，则：vx2=