水蒸气的热力性质和过程

第六章 水蒸气的热力性质和过程第一节 概述 第二节 水的定压汽化过程和 水蒸气的p 图及T 水蒸气的p-v图及T-s图 第三节 水蒸气表 第四节 水蒸气的h-s图 水蒸气的h 第五节 水蒸气的基本热力过程

第一节 概范德瓦尔方程( p+ a )(v b) = RT 2 v

述

实际气体的热力学能和焓不仅是温度的函数，且与体积有 关，所以比热容也是温度和体积的函数。c p 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 图及T 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饱和蒸汽

相应的温度和压力称为饱 饱 和温度( 饱和压力， 和温度(ts)和饱和压力 饱和压力 两者一一对应。 ts =f(P)

饱和水

二、水的定压汽化过程容器中装有1kg水， p = 0.1MPa0℃ 100℃ 100℃

t a = 0°C100℃

va = 0.001 m 3 kg>100℃

vap

v′

vxT

v ′′

v

e b c d

a

b c

d

e a

v

s

p T a b va v’ vx v” v c d e v Ts a s0 s’ sx s” s s b c d e

五个状态： 五个状态： (1)a:未饱和水(过冷水),t < ts 过冷度 t = ts- t , :未饱和水 p、T 是独立的状态参数，单相均匀系= f ( p, T )。 (2)b:饱和水，t = ts , p、T 不再是独立的状态参数 ：饱和水， 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 ：干饱和蒸汽 处于平衡态单相均匀系= f ( p或T )。v”,u”,h”,s”

p T a b va v’ vx v” v c d e v Ts a s0 s’ sx s” s s b c d e

(4)c:湿蒸汽，饱和水和饱和蒸汽的混合物 t = ts , p、T 不是独 ：湿蒸汽 立的状态参数。 处于平衡态双相非均匀系= f ( p或T,x )。 干度x:1kg湿蒸汽中含xkg的饱和蒸汽，(1-x)kg饱和水。 干度v x = xv ′′ + (1 x )v ′

u x = xu ′′ + (1 x )u ′

s x = xs ′′ + (1 x )s ′

hx = xh ′′ + (1 x )

(5)e:过热蒸汽，t > ts , 过热度 t = t- ts , :过热蒸汽 p、T 是独立的状态参数，单相均匀系= f ( p , T )。

三个阶段： 三个阶段： 1)定压预热阶段 定压预热阶段a-b:未饱和水变为饱和水。比液体热： 定压预热阶段

ql =

∫

tS 0

c p dt = h ′ h o = 面积 ab s ′s o a

2)定压汽化阶段 定压汽化阶段b-c-d:饱和水变为干饱和蒸汽，既是定压又是 定压汽化阶段 ： 定温的相变加热过程。比汽化潜热：

r = h " h ' = 面积 bd s ′′s ′b3)定压过热阶段 定压过热阶段d-e:饱和蒸汽变成过热蒸汽，比过热热： 定压过热阶段

qsup = ∫ c p dt = h h ′′ = 面积dess ′′dp a b va v’ vx v” v c dtS

t

T e v Ts a s0 s’ sx s” s s b c d e

水蒸气的p 图和T 三、水蒸气的p-v图和T-s图p未 饱 和

水 区

C过热蒸汽区

T x=1

未 饱 和 水 区

C过热蒸汽区

x=0

湿蒸汽区

0 v

0

x=0

湿蒸汽区

x=1 s

1、一点二线三区五态。 2、当压力升高时，饱和温度随之升高，汽化过程缩短，比汽化 潜热减少，预热过程变长，比液体热增加。 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 按温度排列， t→p, v’,h’,s’, v”,h”,s” 按压力排列， 2. 按压力排列，附表3 p→ts, v’,h’,s’, v”,h”,s” 湿蒸汽： v’,h’,s’ v”,h”,s” x 二、未饱和水与过热水蒸气表 t,p → v, h, s u=h-pvvx

hx

sx

三、计算步骤1、确定状态 已知(p,t) t >ts 过热蒸汽 ts v <v’ 未饱和水 Sx,hx h t <ts 未饱和水

已知(p,v) v’<v <v” 湿蒸汽 x v’,v” v >v” 过热蒸汽

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、 ,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=151.85°C,v’=0.0010928m3/kg,v”=0.37481m3/kg 湿蒸汽v v' x= = 0.96 v" v'

h’=640.1kJ/kg,h”=2748.5kJ/kg ’ ” s’=1.8604kJ/(kg K),s”=6.8215kJ/(kg K)hx = xh"+(1 x)h' = 0.96× 2748.5 + (1 0.96)×640.1 = 2663.78kJ / kg s x = xs"+(1 x) s' = 0.96×6.8215 + (1 0.96)×1.8604 = 6.6231kJ /( kg K )

u x = hx pv = 2663.78 0.5×10 6 ×0.36×10 3 = 2483.78kJ / kg

第四节 水蒸气的h-s图 水蒸气的hh

一、定压线 定压线：dqp = dh, dq = T.ds, 定压线 h s X=1

=p

T

定压预热阶段：向上凹曲的曲线；C

定压汽化阶段：直线； 定压过热阶段：上凹曲的曲线。

二、定温线 定温线：在湿蒸汽区定压线 定温线 s 就是定温线，因而定温线在湿蒸 汽区为直线；在过热蒸汽区为向 右凸曲的曲线， 越往右，定温线 越趋于水平。 三、定干度线 定干度线：湿蒸汽区不同定压线上干度相同的状态点的 定干度线 连线。

第五节 水蒸气的基本热力过程目的：1)初、终状态参数； 2)过程功、热量以及焓、熵的变化量。 h = u + pv q = h + wt q = u + ww = ∫ pdv1 2

wt = ∫ vd p1

2

q = ∫ Tds1

2

可逆过程

q p = h 求解步骤：

q v = u

1)根据初态已知条件查图或表得到其他状态参数。 2)根据过程特征和终态参数查图或表得到其他终态参数。 3)根据初、终状态参数求出功、热

量以及焓、熵变化量。

一、定容过程(v= 常数 )体积功 技术功

wv = ∫ pdv = 01

2

wt ,v = ∫ vdp = v( p1 p 2 )2 1

q v = u 2 u1 = (h2 p 2 v 2 ) (h1 p1v1 ) = h2 h1 v( p 2 p1 )

二、定压过程(p= 常数 )体积功 技术功wp =

∫

2

1

pdv = p (v 2 v1 )2 1

h

p1 2 t2

w t , p = ∫ vdp = 02

x=1 1 x1 s

= (u 2 + p 2 v 2 ) (u 1 p1 v1 ) = h 2 h1

q p = u 2 u1 + ∫ pdv = u 2 u 1 + p (v 2 v1 )1

三、定温过程(T= 常数 )单位质量热量：qT = ∫1 Tds = T (s 2 s1 )2

体积功： wT = qT (u 2 u1 ) = T (s 2 s1 ) (u 2 u1 )

= T (s 2 s1 ) [(h2 p 2 v 2 ) (h1 p1v1 )]

技术功： wt ,T = qT (h2 h1 ) = T (s 2 s1 ) ( h2 h1 )

四、绝热过程(s = 常数 )体积功：ws = q s (u 2 u1 ) = u1 u 2 = (h1 p1v1 ) (h2 p 2 v 2 ) 技术功：wt , s = q s (h2 h1 ) = h1 h2

h 1

p1 t1 p2

1-2可逆过程： wt ,s = h1 h2w 1-3不可逆过程： t ,s = h1 h3'

2

3

s

绝热效率(相对内效率): η oi = w 绝热效率(相对内效率): t ,s

wt′, s

h1 h3 = h1 h2