工程热力学与传热学（第十六讲）10

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二、水蒸气的p-v图和T-s图

在不同压力下对水进行定压加热汽化过程，可在p-v图和T-s图上得到一系列定压加热线。它们全都经历上述五种状态和三个阶段。如图10-3所示。

pTcp2p1cd液d0tc//db/d//b//dd/d//b0pa00b/a/b汽avb/baa//aa0b0d00/a//s图10?3水蒸气的p?v和T?s图图10-3中标有饱和水线、干饱和蒸汽线和临界点。

（1）饱和水线：是各个压力下饱和水状态点的连线，又称下界限，沿此线干度x=0；

（2）干饱和蒸汽线：是各个压力下饱和蒸汽状态点的连线，又称上界限，沿此线干度x=1；

（3）临界点C：是饱和水线和干饱和蒸汽线的交点。图中，饱和水线和干饱和蒸汽线把水和水蒸气分为三个区：（1）未饱和水区：位于饱和水线左侧的一个较狭窄的范围内；（2）湿蒸汽区：位于饱和水线和干饱和蒸汽线之间；（3）过热蒸汽区：位于干饱和蒸汽线的右侧。

由p-v图看出，随着压力升高，由于饱和水比容随压力的升高而略有增加，故饱和水线向右上方倾斜，而干饱和蒸汽比容则随压力的升高而明显减小，故干饱和蒸汽线向左上方倾斜。即饱和水线比干饱和蒸汽线陡。

由T-s图看出，随着压力升高，饱和温度升高，比液体热增加，而比汽化潜热随压力的升高而减小。

饱和水的比熵随压力的升高而增加，故饱和水线也向右上方倾斜。而干饱和蒸汽线的比熵随压力的升高而减小，，故干饱和蒸汽线也向左上方倾斜。

这样随着压力的升高，同压或同温下的饱和水和饱和蒸汽的状态点越来越接

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近，当压力达到22.115Mpa时，它们重合为一点，即临界点C。

在临界点上汽液两相差异完全消失，汽化过程不再存在，汽液相变将在瞬间完成，比汽化潜热为零。

临界参数：临界点的状态参数称为临界参数。每种物质有不同的临界点和临界参数。

水的临界参数为：pc=22.115MPatc=374.120Cvc=0.003147m3/kg临界温度是最高的饱和温度，高于临界温度时，液态水是不可能存在的，只能是过热的水蒸气。

当t>tc时，无论压力多大，都不能用单纯压缩的方法使蒸汽液化。临界压力是最高的饱和压力，高于临界压力时，没有等压汽化阶段，加热水直接变为过热蒸汽。

p-v图上，连接各个压力下00C的未饱和水状态点，可得到00C未饱和水线。由于液体压缩性很小，不同压力下温度一致的水比容基本相等，，故在p-v图上未饱和水线基本为一条垂直于横轴的直线。

T-s图上，各种压力下00C水的热力学温度都是273K，它的比熵都近似为零，故重合于纵坐标轴上一点；

由于水的不可压缩性，不同压力下的为饱和水的定压线几乎都是靠在一起并和下界限重合的，只有当压力极高时，才和下界限有一定的分开。

综上分析，水的相变过程在p-v图和T-s图上所表示的规律可归纳为：一点（临界点）、两线（x=0，x=1）、

三区（未饱和水区、湿蒸汽区、过热蒸汽区）、

五态（过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽）。以上探讨的是水和水蒸汽，对于其他纯物质的液体和蒸汽，同样具有与水和水蒸汽类似的p-v图和T-s图以及类似的热力性质。

蒸汽饱和温度随压力升高而升高，随压力降低而降低的特性，在工程中有着广泛的应用。

例如，保持蒸汽锅炉较高的工作压力可使饱和蒸汽具有较高的温度；高压锅可缩短煮食时间，也可用于医疗器械的高温消毒；

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制冷空调系统的蒸汽压缩制冷装置中，制冷剂液体经节流降压降温，可在低温下蒸发，从而从冷库中吸热，然后制冷剂蒸气经压缩机绝热压缩升压升温，又可在高于环境温度下向环境放热而冷凝等。

第三节水蒸汽表和h-s图

一、水和水蒸气表

水蒸气不属于理想气体，不满足理想气体的状态方程（PV=RT）。通过试验研究得到的水蒸气状态方程比较繁杂，不适于工程实际计算。

为了计算的便利，人们将不同温度和压力下的未饱和水、饱和水、饱和蒸汽和过热蒸汽的比容、焓、熵等各种状态参数列成水蒸汽表。

水和水蒸气表分为两类：

一类是饱和水和饱和蒸汽表。又分为按温度排列（附表3）和按压力排列（附表4）两种。

表中，饱和水和饱和蒸汽分别用“/〞和“//〞表示。另一类是未饱和水和过热蒸汽（附表5）。

表中，未饱和水的参数在上方；过热蒸汽的参数在下方。中间用粗黑水平线隔开。

对于饱和水和干饱和水蒸汽，根据已知温度（或压力），从附表3（或附表4）中查得相应的饱和压力（或饱和温度）、饱和水和干饱和水蒸汽的比容、比焓、比熵以及汽化潜热。

对于湿蒸汽，根据已知温度（或压力），从附表3（或附表4）中查出饱和水和干饱和蒸汽的各个参数，再由给定的干度x由公式（10-5）计算出湿蒸汽的比容、比焓和比熵。

对未饱和水和过热蒸汽，根据已知压力和温度，由附表5中可直接查得相应的比容、比焓和比熵。

对于比内能，可由焓的定义式求出（u=h-pv）。对于中间状态的参数，应当用直线内插法求出。

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二、水蒸汽的h-s图

利用水和水蒸气表查出状态参数，对过程或循环进行分析计算，其优点是数值的确切度高。不足的是要常用直线内插法，不太便利也不直观。

热力工程中常以焓为纵坐标、以熵为横坐标建立h-s图（莫里尔图），以及压焓p-h图进行计算。（压焓p-h图放在第十一章介绍）

h-s图是根据水蒸汽表中的数据绘制的。它和其他状态参数坐标图一样，图上的一点表示一个确定的平衡状态，从通过该点的各定值线，可查得相应的各状态参数值。图上的一条线表示一个确定的热力过程，查取初、终态的参数值，就可对该过程进行热工计算。

附图1所示的h-s图的结构示意图如图10-4所示。

图中给出了：饱和水线（x=1）、饱和蒸汽线（x=0）、临界点（C）、定焓线、定熵线、定压线、定温线及湿蒸汽的定干度线等八条线。

由于工程上所用蒸汽多为干度较大的湿蒸汽、饱和蒸汽或过热蒸汽，因此实用的h-s图只保存图中右上部分（即图中黑线框出的部分）。

对于干度较低的湿蒸汽和水的参数，仍由水和水蒸气表查处。

图10?4h?s图示意图x?0hh1h2h3Cp1p2p3u1u2uu33t1t2t3s1s2s3x?1x1x2s第四节水蒸气的基本热力过程*

对蒸汽热力学性质的分析和对理想气体一样，归纳出基本热力过程（如定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程等）就可大大简化对工程的计算和分析。

但由于水蒸气为实际气体，不符合简单的状态方程，因此不能用分析方法求

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出初、终状态参数的数值。

另外，由于水的比热、焓不是温度的单值函数，热量不能用比热和温差求得，因此一般都是利用水蒸汽表和h-s图进行水蒸气热力过程的计算。

水蒸气热力过程的分析计算的基本步骤：

（1）根据已知初态的两个独立参数，在图上（或水蒸气表上）找到代表初态的点，并查处其它初态参数值；

（2）根据过程条件（沿定压线、定温线、定熵线）和终态的一个参数值，找到终态的点，并查处其它终态参数值；（各过程如图10-5所示）

（3）根据过程特点和热力学定律计算工质与外界的功和热量等。所用计算公式如下：定容过程

定压过程

定温过程绝热过程

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qv?0蒸汽的热力过程在热力工程中是经常遇到的。

例如，蒸汽动力装置中，水在锅炉中的加热、汽化和过热过程；汽轮机排气在冷凝器中的凝结过程；给水在回热器中的预热；

回热用的抽汽在回热器中的冷却和凝结过程等都是定压过程。过热蒸汽在汽轮机中膨胀；冷凝水在水泵中被压缩等都是绝热过程。注意：蒸汽在汽轮机内的实际绝热膨胀过程，由于存在摩擦损失，为不可逆绝热过程。

在这一过程中，比熵增加。如图10-6所示的过程线1-3。此时单位质量工质在汽轮机内所做的技术功为

w/t，s?h1?h3实际技术功w/t，s与可逆时的技术功wt，s