实际气体水气的形成

1、2021-11-61热工学储建工程系储建工程系李凤名李凤名tel国石油大学胜利学院 2021-11-62第五章第五章 水蒸气的性质水蒸气的性质 及蒸汽动力循环及蒸汽动力循环n第一节实际气体第一节实际气体n第二节第二节 水蒸汽的形成水蒸汽的形成n第三节第三节 水和水蒸汽的图表水和水蒸汽的图表 n第四节第四节 水蒸汽的基本热力过程水蒸汽的基本热力过程n第五节第五节 蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环 n第六节第六节 实用蒸汽动力循环实用蒸汽动力循环 上篇上篇 工程热力学工程热力学热工学热工学2021-11-63前言前言第五章第五章 水蒸气的性质及蒸汽动力循环水蒸气的性质及蒸

2、汽动力循环思考几个问题思考几个问题1.为什么要学习水蒸气？为什么要学习水蒸气？2.水蒸汽的主要优点？水蒸汽的主要优点？ 3.为什么单独研究水蒸气？为什么单独研究水蒸气？4.如何进行水蒸气热力计算？如何进行水蒸气热力计算？5.本章主要内容？本章主要内容？2021-11-64前言前言1.1.为什么要学习水蒸气？为什么要学习水蒸气？ （1 1）是最早应用的工质；）是最早应用的工质； （2 2）水蒸气现在仍广泛应用）水蒸气现在仍广泛应用于动力应用和热应用中；于动力应用和热应用中； （3 3）应用前景仍然看好。）应用前景仍然看好。2.2.水蒸汽的主要优点：水蒸汽的主要优点： （1 1）易于获得；）易于获

3、得； （2 2）污染小，且易于治理；）污染小，且易于治理； （3 3）有适宜的热力学参数。）有适宜的热力学参数。3.3.为什么单独研究水蒸气？为什么单独研究水蒸气？ （1 1）与理想气体相差甚远；）与理想气体相差甚远； （2 2）与实际气体不同，临界）与实际气体不同，临界点温度高，环境下为液态；点温度高，环境下为液态； （3 3）热力过程中往往有物质）热力过程中往往有物质集态的变化。集态的变化。 4.4.如何进行水蒸气热力计算？如何进行水蒸气热力计算？ （1 1）参数的获得以查图、查）参数的获得以查图、查表为准确、简捷；表为准确、简捷； （2 2）不受工质性质限制的公）不受工质性质限制的公式仍

4、可采用。式仍可采用。 如：如：q=du+q=du+w w ds dsq/t q/t 等等 5.5.本章主要内容本章主要内容 （1 1）一些新概念和新术语；）一些新概念和新术语； （2 2）水蒸气产生的一般原理；）水蒸气产生的一般原理； （3 3）水蒸气参数间的关系；）水蒸气参数间的关系； （4 4）h h2 2o o图、表结构及应用；图、表结构及应用； （5 5）h h2 2o o热力过程分析计算。热力过程分析计算。2021-11-65n一、实际气体概念一、实际气体概念 （和理想气体相对）（和理想气体相对）1.1.为何要研究实际气体？为何要研究实际气体？ （1 1）常温常压某些气体可视为理想气

5、体；）常温常压某些气体可视为理想气体； 工程实际中的许多设备所应用工质（如汽轮机中水工程实际中的许多设备所应用工质（如汽轮机中水蒸气），在常温常压下不能作为理想气体处理。蒸气），在常温常压下不能作为理想气体处理。 （2 2）理想气体只是为研究实际气体而提出的一个概念。）理想气体只是为研究实际气体而提出的一个概念。2.2.具体研究内容具体研究内容 （1 1）首先研究实际气体的状态方程式：）首先研究实际气体的状态方程式：v=v=1 1(p,t)(p,t) （2 2）寻求气体的热力学函数关系式：）寻求气体的热力学函数关系式： u=u=2 2(p,t) (p,t) ，h=h=3 3(p,t)(p,t)

6、 （3 3）寻找气体比热关系：）寻找气体比热关系：c cp p=4 4(p,t)(p,t)， c cv v=5 5(p,t)(p,t) （4 4）建立和验证实际气体状态方程式。）建立和验证实际气体状态方程式。第一节第一节 实际气体实际气体2021-11-663.3.研究方法研究方法 （1 1）理论分析法）理论分析法 从物质内部微观结构出发，研究气体分子的运动以及分子间的从物质内部微观结构出发，研究气体分子的运动以及分子间的相互作用，分析微观粒子的运动对气体宏观性质的影响，从而对相互作用，分析微观粒子的运动对气体宏观性质的影响，从而对气体定律做相应的修正。气体定律做相应的修正。 优点：此法物理意

7、义清楚，能概括地反映实际气体的全面特征，优点：此法物理意义清楚，能概括地反映实际气体的全面特征，有一定的普遍意义。有一定的普遍意义。 不足：计算精度往往不高。不足：计算精度往往不高。 （2 2）实验研究法）实验研究法 以热力学微分方程式为工具，借助于实验装置，利用测定的一以热力学微分方程式为工具，借助于实验装置，利用测定的一 系列状态参数值，来整理出实际气体的状态方程式和内能、焓、系列状态参数值，来整理出实际气体的状态方程式和内能、焓、熵的关系式。熵的关系式。 优点：方便准确，可利用易测量求取不可直接测定的参数。优点：方便准确，可利用易测量求取不可直接测定的参数。 不足：必须借助于热力学微分方

8、程式。不足：必须借助于热力学微分方程式。第一节第一节 实际气体实际气体2021-11-67第一节第一节 实际气体实际气体n二、理想气体状态方程用于实际气体的偏差二、理想气体状态方程用于实际气体的偏差 1.1.理想气体与实际气体的差异理想气体与实际气体的差异 （1 1）实际气体分子间有作用力，分子有体积，非弹性的；）实际气体分子间有作用力，分子有体积，非弹性的； 理想气体分子间无作用力，分子是一些弹性质点。理想气体分子间无作用力，分子是一些弹性质点。 （2 2）理论上，当压力）理论上，当压力p0p0、比容、比容v v 时，实际气体成为理想气体；时，实际气体成为理想气体； （3 3）工程上，）工程

9、上，o2o2、n2n2、h2h2、空气、燃气等气体在较低压力、较高温度、空气、燃气等气体在较低压力、较高温度时，作为理想气体处理，偏差很小。时，作为理想气体处理，偏差很小。 （4 4）压缩因子（）压缩因子（z-p z-p 图）图），令trpvzg2021-11-68第一节第一节 实际气体实际气体n综上所述：综上所述：n（1 1）理想气体状态方程应用于实际气体时会产生偏差）理想气体状态方程应用于实际气体时会产生偏差trpvzg实际气体ptrvgi理想气体ivvz 所以2021-11-69n（2 2）能不能把实际气体当作理想气体处理要考虑两点）能不能把实际气体当作理想气体处理要考虑两点n第一点：气

10、体的种类第一点：气体的种类n第二点：气体所处的状态第二点：气体所处的状态n（3 3）必须建立实际气体状态方程以进行精确计算。）必须建立实际气体状态方程以进行精确计算。n三、实际气体状态方程（三、实际气体状态方程（范德瓦尔方程范德瓦尔方程） 1.1.范方程的导出范方程的导出 范德瓦尔从理想气体和实际气体间的差别出发，范德瓦尔从理想气体和实际气体间的差别出发，对理想气体方程进行了修正：对理想气体方程进行了修正： （1 1）分子体积的存在，减少了分子运动的空间，则实）分子体积的存在，减少了分子运动的空间，则实际气体分子比理想气体分子更频繁撞击容器壁，使容际气体分子比理想气体分子更频繁撞击容器壁，使容

11、器壁所受的压力增大：器壁所受的压力增大：第一节第一节 实际气体实际气体vtrpgbvtrpg2021-11-610n（2 2）分子间有相互作用力）分子间有相互作用力n在气体内部，每一个分子受到四周分子的吸引，相互在气体内部，每一个分子受到四周分子的吸引，相互作用抵消而处于力的平衡作用抵消而处于力的平衡n器壁附近的分子，总是受到临近内部分子的吸引力，器壁附近的分子，总是受到临近内部分子的吸引力，减小了分子撞击器壁的次数，使压力降低。引力的大减小了分子撞击器壁的次数，使压力降低。引力的大小与外层和内部分子密度成正比。小与外层和内部分子密度成正比。第一节第一节 实际气体实际气体2021-11-611

12、修正为修正为bvtrpgbvtrpgrtbvvap)(22va0)(23abavvpbtrpvg或上式即为范方程上式即为范方程a、半经验方程，、半经验方程，a、b由实验确定由实验确定b、精确度不高、精确度不高c、颇为切近的反映了物质的气态、液态在性质上的特征、颇为切近的反映了物质的气态、液态在性质上的特征d、为理论研究方法开拓了道路、为理论研究方法开拓了道路第一节第一节 实际气体实际气体2021-11-612。vvppfft1t ct2gcaabbddmmnnct = 常量常量h范德瓦尔方程的理论曲线和实验曲线范德瓦尔方程的理论曲线和实验曲线（理论曲线）（实验曲线）。2021-11-6132)

13、1()1 (1)(1)(3226322000vevtvrcvavatbrvtcatrbvtrpggg方程：rwb. 1，都是常数；、个参数其中cabcab0008。适用于c8 . 1方程：侯马丁)(. 2houandmartin55443475. 53332475. 5222)()()()(bvtbbvabvectbabvectbabvtrpccttttg都是常数，、个参数其中53332229bcbacbab,)(,vcccccctprtvpztpfx（代表常数）质。适用于极性和非极性物年，马丁增加一项：19595475.555)()(bvecactt年，侯虞钧又修正：1981。修正为将444

14、44)()()(bvtbabva四四.实际气体状态方程举例（了解）实际气体状态方程举例（了解）2021-11-614方程kwongdlich re. 3)(21bvvtabvtrpg,42748. 05 . 22ccgptra ,08654. 0ccgptrb 。压力都能有满意的结果在临界温度以上对任何方程：berthelot. 4trbvtvapg)()(2为常数，、ba在低压范围内，比范德瓦尔方程准确。2021-11-6151 1、汽化、汽化各种物质由液态转变为蒸汽（气态）的现象或过程就是汽化。各种物质由液态转变为蒸汽（气态）的现象或过程就是汽化。如水变汽。物质汽化过程中要吸收大量的能量。

15、如水变汽。物质汽化过程中要吸收大量的能量。 两种汽化形式：两种汽化形式：（1 1）液体表面的蒸发；随时可以进行。）液体表面的蒸发；随时可以进行。（2 2）液体内部产生气泡的沸腾；达到一定温度才可进行。）液体内部产生气泡的沸腾；达到一定温度才可进行。第二节第二节 水蒸气的形成水蒸气的形成一、液体的汽化一、液体的汽化2 2、液化、液化各种物质由气态转变为液态的过程或现各种物质由气态转变为液态的过程或现象就是液化。如蒸汽凝结为水。象就是液化。如蒸汽凝结为水。液化时物质要向外释放能量液化时物质要向外释放能量热能。热能。2021-11-616n3 3、饱和状态（、饱和状态（汽化和液化现象分析）汽化和液化

16、现象分析）体，如右图，容器内盛有液的分子，液体表面附近动能较大这就是蒸发；汽化和液化：) 1 (，上部空间有了蒸汽分子液面，必有一些分子碰撞回到凝结成液体，这就是液化。的。汽化和液化是同时进行汽化和液化的速度：)2(当液体的温度增大时，动能，液体分子就具有更大的出去，就会有更多的分子飞散汽化速度就会增加；反之，汽化速度就会降低。所以，温度。汽化速度取决于液体的到空间，会克服表面的张力飞散率，蒸汽分子撞击液面的几，决定了液化速度的大小而这取决于上部空间蒸汽的压力。液化速度取决于蒸汽的tp压力。2021-11-617在一定时刻，的总状态将不会再改变但oh2两过程时时进行，为动态平衡。状态。此动态平

17、衡状态为饱和液体上部的蒸汽为饱和蒸汽；汽化速度会等于液化速度，下部的液体为饱和液体；此时，汽、液的温度相同，；为饱和温度st蒸汽的压力称为。饱和压力sp一一对应，与sstp)(sstfp 有解释如下：一一对应，汽化速度与st一一对应，液化速度与sp饱和状态时，一一对应。与sstp二者速度相等，例如：，对于oh2100statmps1应。各自没有第二个值相对也是一一对应。n（3 3）饱和状态）饱和状态2021-11-618 tt s1pp s1 饱和液体干饱和蒸汽4100sstp，对于oh2barps10100stbarps19 .179stbarps1 . 08 .45st2021-11-61

18、9第二节第二节 水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程2021-11-620前前 言言 为什么要研究为什么要研究h h2 2o o的定压过的定压过程呢？程呢？ 1.h1.h2 2o o在锅炉内的加热过程在锅炉内的加热过程不是定压过程；不是定压过程； 但由于但由于h h2 2o o在液态时的焓值在液态时的焓值受压力影响极小，则可把其加受压力影响极小，则可把其加热过程视为定压过程；热过程视为定压过程； 这样，研究定压过程也就这样，研究定压过程也就有了实际意义。有了实际意义。 2.2.对于任何工质，都要想对于任何工质，都要想法获得其有关参数。法获得其有关参数。 从参数的角度看，采用定从参数的角度看

19、，采用定压或其它过程来讨论参数，都压或其它过程来讨论参数，都可以达到目的。可以达到目的。 3.3.从实验手段来看，定压从实验手段来看，定压过程是非常容易实现的。过程是非常容易实现的。 要讨论要讨论h h2 2o o的定压加热、的定压加热、汽化过程，不足为怪。汽化过程，不足为怪。 实际上，流体流经许多实际上，流体流经许多设备的实际过程可按定压过设备的实际过程可按定压过程处理：程处理： 热水流经室内散热器的热水流经室内散热器的放热过程；放热过程； 烟气流经换热设备放热烟气流经换热设备放热过程等等。过程等等。 压降小是一方面；关键压降小是一方面；关键在于参数变化受压力变化影在于参数变化受压力变化影响

20、甚微。响甚微。第二节第二节 水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程2021-11-62101. 01、如右图，汽缸中有 kg的纯水，活塞上可以加不同重量下。可使水处在不同的压力开始对活塞加热，可观察到：.一：观察到饱和温度）（st.1开始加热，变汽，到达某温度时，水开始动态平衡，将有出现汽、液而不再加热。此温度为饱和温度st有三个加热阶段：）（ .2的到由sstttta).(（不变）的sttb).(的到由ssttttc).(水的容积稍增大；预热阶段；汽化阶段；过热阶段。第二节第二节 水蒸气的定压生成过程水蒸气的定压生成过程2021-11-622一2021-11-6232021-11-624s

21、tt2021-11-625stt2021-11-626stt2021-11-627stt2021-11-628stt2021-11-629stt2021-11-630stt2021-11-631stt2021-11-632未饱和水状态 饱和水状态 湿饱和蒸汽状态 干饱和蒸汽状态 过热蒸汽状态过热阶段水蒸气的定压生成过程饱和水的汽化阶段水的预热阶段sttsttsttsttsttaaaaaaaaaaa说明：在此a可代表,vuhs2021-11-633一、水的定压加热预热阶段汽化阶段过热阶段p过冷水未饱和水饱和水湿饱和蒸汽饱和蒸汽干)(过热蒸汽pp,shvtsstt stt ,shvtsst2021

22、-11-634x干度湿蒸汽中汽的质量湿蒸汽的质量汽化潜热)(ssthhs预热阶段汽化阶段过热阶段p过冷水未饱和水饱和水湿饱和蒸汽饱和蒸汽干)(过热蒸汽pp,shvtsstt stt ,shvtsst2021-11-6357-2 h2o的定压加热、汽化过程的五种集态：存在oh2未饱和水（过冷水）；饱和水湿饱和汽；属于)4(属于)5(属于) 1 (属于)2(（即将变汽）；属于汽、水共存的)3(饱和蒸汽；过热蒸汽。各阶段变化有特点：预热阶段：体积稍增大，温度升高，汽化阶段：迅速增大，v温度不变，（汽化潜热）rqs过热阶段体积增大，温度升高，x干度湿蒸汽中汽的质量湿蒸汽的质量2021-11-636三、

23、水蒸气定压生成过程中热量的计算三、水蒸气定压生成过程中热量的计算1.水的定压预热阶段水的定压预热阶段1ts11x1液体热液体热0220( )( )()lsuqqrqhhhhhhhh lq2.饱和水的定压汽化过程饱和水的定压汽化过程汽化潜热汽化潜热kj/kgrhhr3.3.水蒸气的定压过热过程水蒸气的定压过热过程st2过热热过热热2kj/kgsuqhh1kg1kg水从水从1 1状态被加热到状态被加热到2 2状态所吸收的热量状态所吸收的热量0kj/kglqhhsuqkj/kgsrtsss s2021-11-637c2010c1020pvts 水的临界参数水的临界参数四四、水蒸汽的、水蒸汽的p-vp

24、-v图和图和t-st-s图图2122x1x111x122x222.115mpa;374.12ccpt， 30.003147m /kg;cv 2095.2kj/kg;4.4237kj/(kg k)cchsxxctcpctt2021-11-638t p水蒸气的水蒸气的p pv v和和tsts图图一点一点: :临界点；临界点； 两线两线: :饱和水线、干饱和蒸汽线；饱和水线、干饱和蒸汽线；三区三区: :未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区；未饱和水区、湿饱和蒸汽区、过热蒸汽区；五态五态: :未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。sv2021-11-6