二、汽化和液化

汽化和液化汽化和液化 背景资料背景资料 背景资料一背景资料一 水落油锅为什么会爆炸水落油锅为什么会爆炸 水一溅入热油锅 马上会产生 劈劈啪啪 的一阵爆炸声 如果油花溅在皮肤上 还 会烫起小泡 疼得很 水落在热油锅里 为什么会爆炸呢 这要从从水受热后的变化说起 水加热到 100 就达到了沸点 这时它从原来的液 体状态变成气体状态 成了水蒸气 当一滴水落进了热油锅里 由于油的沸点一般都在 200 以上 加热后的油即使没有达到沸点 也早已超过了 100 所以 水滴的温度立刻 升到沸点 变成水蒸气 水变成水蒸气后 它的体积大约要增大 1000 多倍 这一体积的变 化 不但进行得很快 同时又由于水比油的密度大 所以小水滴一进油锅就沉入锅底 而 水蒸气的密度又比油小得多 水化成的水蒸气必然要上升跃出油面 因此引起了剧烈的振 动 发出了响声和爆炸 溅起了油花 弄懂了这个道理 就知道烧菜时不能把热油锅内弄进水滴 连炒菜用的锅铲 勺子上 也不能沾着水点 还有含水分较多的食物 要放进油锅去煎炸时 必须将食物顺着锅沿 小心地放入锅里 以免油花溅到身上 背景资料二 水烧开时不会溢出来 为什么粥烧开了会溢出来背景资料二 水烧开时不会溢出来 为什么粥烧开了会溢出来 呢呢 水烧开时 水蒸气形成的气泡上升到水面 就会立即爆裂 不会积聚起来 水面的高 度不会升高得太多 水也就不会溢泻出来 粥烧开时 由于米粒的淀粉和水混合变成糊状 增大了粥的粘性 导致水蒸气形成的 气泡不易爆破 一直积聚在粥面上 愈堆愈高 就从煲盖溢泻出来 把煲盖掀开 用筷子 支承着 使盖与煲离开一段距离 利用空气冷缩气泡 就可以减轻溢出的程度 背景资料三 背景资料三 坎儿井坎儿井 绿洲的绿洲的 生命之源生命之源 入夏 进入吐鲁番盆地 浩瀚的戈壁滩上 看得见一行行排列整齐的锥形 土堆 形似坟茔 冬季 一股股热气从地中徐徐喷出 那就是坎儿井的井口 坎儿井是吐鲁番古代各民族群众的伟大创造 一 坎儿井名称的由来 坎儿井 伊朗称之为 Qanat 伊拉克称作 Madazcha 而吐鲁番则称作 kariz 三者读音显然不一样 在我国 坎儿井一词 最早出现于春秋战国时期 庄子 秋水篇 中曾有 子独不闻夫坎井之蛙乎 之句 唐代西州文书中有 胡麻井渠 的记载 明 代万历三年 公元 1575 年 石茂华 远夷谢恩求贡事 一文中有关于 牙坎 儿 的记载 到了清朝乾隆年间则称之为卡井 由此可知 坎儿井名称源自中国 它演变的过程可归纳为井 周 坎井 战国至汉 井渠 唐 元 卡井 清 坎儿井 现代 二 坎儿井 绿洲生命之源 吐鲁番是全国有名的火炉 高温少雨 水贵如油 可是吐鲁番绿洲却逐年 扩大 城乡经济日趋繁荣 论功行赏 坎儿井当推首功 吐鲁番地区共有坎儿井 1100 多道 其中吐鲁番市为 538 道 鄯善 418 道 托克逊 180 道 这些坎儿井 年径流量达 2 94 亿立方米 占吐鲁番总灌溉面 积的 30 以上 坎儿井 是绿洲生命之源 没有坎儿井 就不可能有吐鲁番那么多的绿洲 三 坎儿井 伟大的地下水利工程 坎儿井 被誉为我国古代三大工程之一 与横亘万里的长城 纵贯南北的 大运河齐名 是我国古代各族人民的伟大创造 每条坎儿井的长短 因地理环境实际利用不同而不同 长的可达 20 公里以 下 短的只有 100 米左右 按每条 4 公里计算 总长度将超过 4400 公里 比摇 篮之河黄河还长 四 坎儿井的构造 坎儿井由明渠 暗渠 竖井和涝坝四部分组成 暗渠是坎儿井的主体 即 地下水河道 一般高约 1 7 米 宽约 1 2 米 掏捞工程十分艰巨 竖井是出运 井下泥沙石砾的通道 也是通风送气口 井深因地势和地下水位高低不同而有 深有浅 一般是越靠近源头 竖井就越深 最深的井可达 90 米以上 竖井与竖 井之间的距离 随坎儿井的长度而有所不同 一般是 20 70 米 就有一口竖井 越是水源上头 间距越短 反之 间距则越长 一条坎儿井 竖井少则十多个 多则上百个 竖井井口呈长方形 长 1 米左右 宽 0 7 米 暗渠的出水口叫 龙口 和地面的明渠相联接 坎儿井水注入涝坝 然后引入渠道灌溉农田 背景资料四 蒸汽机背景资料四 蒸汽机 蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械 蒸汽机的出现曾 引起了 18 世纪的工业革命 直到 20 世纪初 它仍然是世界上最重要的原动机 后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等 16 世纪末到 17 世纪后期 英国的采矿业 特别是煤矿 已发展到相当的 规模 单靠人力 畜力已难以满足排除矿井地下水的要求 而现场又有丰富而 廉价的煤作为燃料 现实的需要促使许多人 如英国的帕潘 萨弗里 纽科门 等就致力于 以火力提水 的探索和试验 萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机 在 1698 年取得标名为 矿 工之友 的英国专利 他将一个蛋形容器先充满蒸汽 然后关闭进汽阀 在容 器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空 打开进水阀 矿井底的水受大气 压力作用经进水管吸入容器中 关闭进水阀 重开进汽阀 靠蒸汽压力将容器 中的水经排水阀压出 待容器中的水被排空而充满蒸汽时 关闭进汽阀和排水 阀 重新喷水使蒸汽冷凝 如此反复循环 用两个蛋形容器交替工作 可连续 排水 萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水 汲水深度不能超过六米 为了从几 十米深的矿井汲水 须将提水机装在矿井深处 用较高的蒸汽压力才能将水压 到地面上 这在当时无疑是困难而又危险的 纽科门及其助手卡利在 1705 年发明了大气式蒸汽机 用以驱动独立的提水 泵 被称为纽科门大气式蒸汽机 这种蒸汽机先在英国 后来在欧洲大陆得到 迅速推广 它的改型产品直到 19 世纪初还在制造 纽科门大气式蒸汽机的热效 率很低 这主要是由于蒸汽进入汽缸时 在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损 失掉大量热量 只在煤价低廉的产煤区才得到推广 1764 年 英国的仪器修理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时 注意到了这一缺点 并于 1765 年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机 并于 1769 年取得了英国的专利 初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来 驱动提水泵 为了从凝汽器中抽除凝结水和空气 瓦特装设了抽气泵 他还在 汽缸外壁加装夹层 用蒸汽加热汽缸壁 以减少冷凝损失 1782 年前后 瓦特将机器进一步改进 完成了两项重要发明 在活寒工作 行程的中途 关闭进汽阀 使蒸汽膨胀作功以提高热效率 使蒸汽在活塞两面 都作功 双作用式 以提高输出功率 这时的活塞既要向下拉动杠杆又要向上 推动杠杆 扇形平衡杠杆和拉链已不再适用 瓦特使发明了平行四边形机构 瓦特还于 18 世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上 瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展 他使原来只能提水的机械 成为 了可以普遍应用的蒸汽机 并使蒸汽机的热效率成倍提高 煤耗大大下降 因 此瓦特是蒸汽机最主要的发明人 自 18 世纪晚期起 蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用 在冶炼 纺织 机器制造等行业中也都获得迅速推广 它使英国的纺织品产量在 20 多年内 从 1766 年到 1789 年 增长了 5 倍 为市场提供了大量消费商品 加速了资金的积 累 并对运输业提出了迫切要求 在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于 1776 年 经过不断改进 至 1807 年 美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船 克莱蒙脱 号 此后 蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久 1801 年 英国的特里维西克提出了可移动的蒸汽机的概念 1803 年 这种 利用轨道的可移动蒸汽机首先在煤矿区出现 这就 是机车的雏型 英国的斯蒂芬森将机车不断改进 于 1829 年创造了 火箭 号蒸汽机车 该机车拖 带一节载有 30 位乘客的车厢 时速达 46 公里 时 引起了各国的重视 开创了铁路时代 19 世纪末 随着电力应用的兴起 蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机 械 1900 年 美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站 蒸汽机的发展在 20 世纪初达到了顶峰 它具有恒扭矩 可变速 可逆转 运行可靠 制造和维修方便等优点 因此曾被广泛用于电站 工厂 机车和船 舶等各个领域中 特别在军舰上成了当时唯一的原动机 蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作 可分为单作用和双作用式 按汽缸 布置方式 可分为立和卧式 按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽 缸中膨胀 可分为单胀式和多胀式 按蒸汽在汽缸中的流向 可分为回流式和 单流式 按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式 大气式和背压式 简单蒸汽机主要由汽缸 底座 活塞 曲柄连杆机构 滑阀配汽机构 调 速机构和飞轮等部分组成 汽缸和底座是静止部分 从锅炉来的新蒸汽 经主 汽阀和节流阀进入滑阀室 受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧 推动活 塞运动 蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高 而这又主要取决于蒸汽参数 的提高 初期蒸汽机的蒸汽压力仅为 0 11 0 13 兆帕 19 世纪初才达到 0 35 0 7 兆帕 20 世纪 20 年代曾用到 6 10 兆帕 在蒸汽温度上 19 世纪 末还不超过250 而到 20 世纪 30 年代曾用到 450 480 至于效率 瓦特初期连续运转的蒸汽机 按燃 料热值计总效率不超过 3 到 1840 年 最好的凝 汽式蒸汽机总效率可达 8 到 20 世纪 蒸汽机最 高效率可达到 20 以上 在转速方面 18 世纪末瓦特蒸汽机仅 40 50 转 分 20 世纪初转速达到 100 300 转 分 个别蒸汽机曾达到 2500 转 分 在功率方面 最初单机功率 仅几马力 20 世纪初的一台船用蒸汽机的功率可达 25000 马力 随着蒸汽参数和功率的提高 蒸汽已不可能在一个汽缸中继续膨胀 还必 须在相连接的汽缸中继续膨胀 于是出现了多级膨胀的蒸汽机 蒸汽机因受到 润滑油闪点的限制 所用蒸汽的最高温度一般都不超过 400 机车 船用等 移动式蒸汽机还略低一些 多数不高于 350 考虑到膨胀的可能性和结构的 经济性 常用压力在 2 5 兆帕以下 蒸汽参数受到限制 从而也限制了蒸汽机 功率的进一步提高 蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展 但同时经济的发展反过来又 向蒸汽机提出了更高的要求 如要求蒸汽机功率大 效率高 重量轻 尺寸小 等 尽管人们对蒸汽机作过许多改进 不断扩大它的使用范围和改善它的性能 但是随着汽轮机和内燃机的发展 蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落 蒸汽机的弱点是 离不开锅炉 整个装置既笨重又庞大 新蒸汽的压力和 温度不能过高 排气压力不能过低 热效率难以提高 它是一种往复式机器 惯性力限制了转速的提高 工作过程是不连续的 蒸汽的流量受到限制 也就 限制了功率的提高 因此 抛弃了笨重锅炉的内燃机 最终以其重量轻 体积小 热效率高和 操作灵活等优点 在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机 汽轮机则以其热效率高 单机功率大 转速高 单位功率重量轻和运行平稳等优点 将蒸汽机排挤出了 电站 接着电动机又以其使用方便 代替了蒸汽机在工业设备中的应用 然而小 功率蒸汽机热效率比汽轮机高 所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或