1.水蒸氣是熱力工程中最為常見(jiàn)的工質(zhì)
在18世紀(jì)發(fā)明的蒸氣機(jī)，水蒸氣是唯一的工質(zhì)，直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有了燃?xì)夤べ|(zhì)。盡管在各種熱力設(shè)備或系統(tǒng)中，已采用了其他物質(zhì)作為工質(zhì)，如空氣、各種制冷劑、燃?xì)獾鹊?，但水蒸氣目前仍是暖通、火力發(fā)電、核電、化工等行業(yè)熱力設(shè)備或系統(tǒng)中最為普遍采用的工質(zhì)。
作為工質(zhì)，水蒸氣具備：來(lái)源豐富，耗資少，無(wú)毒無(wú)味，比熱容大，傳熱好，良好的膨脹和載熱性能等優(yōu)點(diǎn)。
2.水蒸氣是實(shí)際氣體
水蒸氣在工程應(yīng)用中，一般處于離液態(tài)不遠(yuǎn)的狀態(tài)，是一種實(shí)際氣體。只有在空氣中，由于其含量極小，可視作理想氣體處理。
在熱力設(shè)備或系統(tǒng)工作過(guò)程中，涉及到物質(zhì)的聚集態(tài)主要是液態(tài)和氣態(tài)。那么，對(duì)于非理想氣體的性質(zhì)及其熱力過(guò)程如何分析呢？本章將以水蒸汽為例，說(shuō)明實(shí)際氣體熱力性質(zhì)的基本特點(diǎn)和確定方法、參數(shù)計(jì)算以及基本熱力過(guò)程分析的基本方法。
重點(diǎn)內(nèi)容：
了解實(shí)際氣體熱力性質(zhì)的基本特點(diǎn)，與理想氣體的區(qū)別所在。
一、純物質(zhì)聚集態(tài)的變化
純物質(zhì)通常以三種聚集態(tài)固相、液相及氣相狀態(tài)存在。
1.純物質(zhì)聚集態(tài)的變化
融解與凝固→固態(tài)與液態(tài)；汽化與凝結(jié)→液態(tài)與氣態(tài)；升華與凝華→固態(tài)與氣態(tài)。
2.聚集態(tài)變化的影響因素
純物質(zhì)種類、壓力、溫度
二、純物質(zhì)的p-t相圖
1. p-t相圖
指在p-t圖上，純物質(zhì)在發(fā)生聚集態(tài)變化時(shí)壓力及溫度的變化規(guī)律。如圖7-2所示。
注意：
(1)三相點(diǎn)是三條相平衡曲線的交點(diǎn)。
(2)臨界點(diǎn)以上區(qū)域（虛線以上區(qū)域，即溫度及壓力均高于臨界點(diǎn)溫度及壓力）為氣液相不分或共存區(qū)域，只體現(xiàn)流體的特性。
(3)多數(shù)物質(zhì)壓力增大將使凝固點(diǎn)溫度增加。但對(duì)于水等少數(shù)物質(zhì)，壓力的增大將使其凝固點(diǎn)溫度降低。
圖7-2 純物質(zhì)的p-t相圖
2.幾個(gè)基本概念
(1)三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)（每種純物質(zhì)的三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)的壓力和溫度都是唯一確定的。）
臨界狀態(tài)(臨界點(diǎn))：臨界點(diǎn)（狀態(tài)）是氣-液共存的狀態(tài)，而且氣、液的狀態(tài)參數(shù)值相同，例如具有相同的比容、密度等等。
▲任何純物質(zhì)都有自己唯一確定的臨界狀態(tài)，而且臨界參數(shù)是唯一確定的，分別為臨界溫度Tc、臨界壓力pc 和臨界比容vc，是實(shí)際氣體性質(zhì)的重要參數(shù)。
▲在p≥pc下，定壓加熱過(guò)程不存在汽化段，水由未飽和態(tài)直接變化為過(guò)熱態(tài)。
▲當(dāng)t>tc時(shí)，無(wú)論壓力多高都不可能使氣體液化。
▲在臨界狀態(tài)下，可能存在超流動(dòng)特性。
▲在臨界狀態(tài)附近，水及水蒸氣有大比熱容特性。
三相點(diǎn)：在一定的溫度和壓力下，氣相、液相和固相三相共存而處于平衡的狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的溫度和壓力稱為三相點(diǎn)溫度和壓力。
▲三相點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)氣相和液相轉(zhuǎn)變的最低點(diǎn)
▲三相點(diǎn)是出現(xiàn)固相物質(zhì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀辔镔|(zhì)的升華現(xiàn)象的起始點(diǎn)。
▲對(duì)于每種物質(zhì)，其三相點(diǎn)的溫度及壓力都有確定的數(shù)值，是實(shí)際氣體性質(zhì)的重要參數(shù)之一。
(2)相平衡曲線：包括融解線（或與凝固線）；汽化線（或凝結(jié)線）；升華線（或凝華線）。
(3)單相區(qū)：固相區(qū)、液相區(qū)及氣相區(qū)。
3.水的臨界點(diǎn)
水臨界點(diǎn)： pc=22.129MPa，tc=374.15 ℃。
4.水的三相點(diǎn)
水三相點(diǎn)：pA=611.2Pa，tA=0.01 ℃。
部分純物質(zhì)的三相點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表7-1。可以看出常溫常壓下為氣態(tài)物質(zhì)的三相點(diǎn)溫度極低，而固態(tài)物質(zhì)的三相點(diǎn)溫度較高。
表7-1 部分純物質(zhì)的三相點(diǎn)參數(shù)
mercury —汞，水銀。zinc —鋅 (Zn)。
三、汽化與凝結(jié)的微觀解釋
1.汽化與凝結(jié)
汽化是由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過(guò)程，其中工質(zhì)需要吸收熱量。而凝結(jié)則是由氣態(tài)變成液態(tài)的物理過(guò)程，在此過(guò)程中工質(zhì)需要放出熱量。
液體汽化有兩種形式：蒸發(fā)和沸騰。蒸發(fā)是在液體表面進(jìn)行的汽化現(xiàn)象。由于液體分子處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)分子的動(dòng)能大小不等，在液體表面總會(huì)有一些動(dòng)能大的分子克服鄰近分子的引力而逸出液面，形成蒸氣，這就是蒸發(fā)。蒸發(fā)可以在任何溫度下進(jìn)行，但溫度愈高，能量較大的分子愈多，蒸發(fā)愈強(qiáng)烈。與蒸發(fā)不同，在給定的壓力下，沸騰是在某一特定溫度（飽和溫度）下發(fā)生、在液體內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行并且伴隨著大量汽泡產(chǎn)生的劇烈的汽化現(xiàn)象。液體沸騰時(shí)，盡管對(duì)其繼續(xù)加熱，但液體的溫度保持不變。
凝結(jié)是汽化相反的過(guò)程，同沸騰現(xiàn)象相同只能在某一特定溫度（飽和溫度）下發(fā)生。
2.微觀解釋
(1)密閉容器中的汽化與凝結(jié)
當(dāng)液體在有限的密閉空間內(nèi)汽化時(shí)，則不僅有分子逸出液體表面而進(jìn)入蒸氣空間，而且也會(huì)有分子從蒸氣空間落到液體表面，回到液體中。開(kāi)始時(shí)，單位時(shí)間從液面逸出的分子多于返回液面的分子，蒸氣空間中的分子數(shù)不斷增加。但當(dāng)蒸氣空間中蒸氣的密度達(dá)到一定程度時(shí)，在同一時(shí)間內(nèi)逸出液面的分子就會(huì)與回到液面的分子數(shù)目相等，則氣、液兩相達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。見(jiàn)圖7-3。
圖7-3密閉容器中物質(zhì)汽化與凝結(jié)的微觀機(jī)理
(2)具有自由液面的汽化
無(wú)論蒸發(fā)還是沸騰，如果液面上方是和大氣相連的自由空間，那么一般情況下汽化過(guò)程可以一直進(jìn)行到液體全部變?yōu)檎魵鉃橹埂?/span>
(3)飽和狀態(tài)
上述液面上蒸氣空間中的蒸氣和液體兩相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。
使未飽和液體達(dá)到飽和狀態(tài)的途徑：
3.飽和蒸氣壓曲線
飽和溫度與飽和壓力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)兩者的函數(shù)關(guān)系ps＝f(ts),繪出的曲線稱為飽和蒸汽壓曲線，如圖7-4所示。對(duì)于水飽和蒸汽壓函數(shù)關(guān)系為：
，其中壓力ps的單位為MPa。
四、 H2O的“五態(tài)”
水蒸氣的“五態(tài)”包括：未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽五種
圖7-4 部分物質(zhì)的飽和蒸氣壓曲線
狀態(tài)。
▲未飽和液體（Unsaturated-liquid）：t<ts(ps)，過(guò)冷度ts-t描述了遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)的程度。
▲飽和液體(Saturated-liquid)、飽和濕蒸汽(Saturated Wet-vapor)、飽和蒸汽(Saturated-Vapor)：均為飽和狀態(tài)。其中的汽相稱為飽和蒸汽，液相稱為飽和液體，汽液共存則為飽和濕蒸汽。
▲過(guò)熱蒸汽（Supersaturated-vapor）：t> ts(ps)，過(guò)熱度t- ts描述了遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)的程度。
五、H2O的p-v-t熱力學(xué)面
以壓力p、溫度T及比容v的三維坐標(biāo)系表示水的各種狀態(tài)的曲面，稱為p-v-T熱力學(xué)面，如圖7-5所示。
圖7-5 H2O的p-v-t熱力學(xué)面
前述的純物質(zhì)的p-t相圖實(shí)際上是p-v-t熱力學(xué)面在p-t坐標(biāo)面上的投影，而p-v相圖則是p-v-t熱力學(xué)面在p-v坐標(biāo)面上的投影，見(jiàn)圖7-6。
圖7-6 p-v-t熱力學(xué)面與p-t相圖間的關(guān)系
應(yīng)該注意p-v-t熱力學(xué)面包括：
一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn)；
四個(gè)線：三個(gè)飽和線和一個(gè)三相線；
六個(gè)區(qū)：三個(gè)單相區(qū)和三個(gè)兩相區(qū)。
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