實(shí)際氣體水氣的形成

1、2021-11-61熱工學(xué)儲建工程系儲建工程系李鳳名李鳳名tel國石油大學(xué)勝利學(xué)院 2021-11-62第五章第五章 水蒸氣的性質(zhì)水蒸氣的性質(zhì) 及蒸汽動力循環(huán)及蒸汽動力循環(huán)n第一節(jié)實(shí)際氣體第一節(jié)實(shí)際氣體n第二節(jié)第二節(jié) 水蒸汽的形成水蒸汽的形成n第三節(jié)第三節(jié) 水和水蒸汽的圖表水和水蒸汽的圖表 n第四節(jié)第四節(jié) 水蒸汽的基本熱力過程水蒸汽的基本熱力過程n第五節(jié)第五節(jié) 蒸汽動力基本循環(huán)蒸汽動力基本循環(huán) n第六節(jié)第六節(jié) 實(shí)用蒸汽動力循環(huán)實(shí)用蒸汽動力循環(huán) 上篇上篇 工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)熱工學(xué)熱工學(xué)2021-11-63前言前言第五章第五章 水蒸氣的性質(zhì)及蒸汽動力循環(huán)水蒸氣的性質(zhì)及蒸

2、汽動力循環(huán)思考幾個問題思考幾個問題1.為什么要學(xué)習(xí)水蒸氣？為什么要學(xué)習(xí)水蒸氣？2.水蒸汽的主要優(yōu)點(diǎn)？水蒸汽的主要優(yōu)點(diǎn)？ 3.為什么單獨(dú)研究水蒸氣？為什么單獨(dú)研究水蒸氣？4.如何進(jìn)行水蒸氣熱力計算？如何進(jìn)行水蒸氣熱力計算？5.本章主要內(nèi)容？本章主要內(nèi)容？2021-11-64前言前言1.1.為什么要學(xué)習(xí)水蒸氣？為什么要學(xué)習(xí)水蒸氣？ （1 1）是最早應(yīng)用的工質(zhì)；）是最早應(yīng)用的工質(zhì)； （2 2）水蒸氣現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用）水蒸氣現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用于動力應(yīng)用和熱應(yīng)用中；于動力應(yīng)用和熱應(yīng)用中； （3 3）應(yīng)用前景仍然看好。）應(yīng)用前景仍然看好。2.2.水蒸汽的主要優(yōu)點(diǎn)：水蒸汽的主要優(yōu)點(diǎn)： （1 1）易于獲得；）易于獲

3、得； （2 2）污染小，且易于治理；）污染小，且易于治理； （3 3）有適宜的熱力學(xué)參數(shù)。）有適宜的熱力學(xué)參數(shù)。3.3.為什么單獨(dú)研究水蒸氣？為什么單獨(dú)研究水蒸氣？ （1 1）與理想氣體相差甚遠(yuǎn)；）與理想氣體相差甚遠(yuǎn)； （2 2）與實(shí)際氣體不同，臨界）與實(shí)際氣體不同，臨界點(diǎn)溫度高，環(huán)境下為液態(tài)；點(diǎn)溫度高，環(huán)境下為液態(tài)； （3 3）熱力過程中往往有物質(zhì)）熱力過程中往往有物質(zhì)集態(tài)的變化。集態(tài)的變化。 4.4.如何進(jìn)行水蒸氣熱力計算？如何進(jìn)行水蒸氣熱力計算？ （1 1）參數(shù)的獲得以查圖、查）參數(shù)的獲得以查圖、查表為準(zhǔn)確、簡捷；表為準(zhǔn)確、簡捷； （2 2）不受工質(zhì)性質(zhì)限制的公）不受工質(zhì)性質(zhì)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.本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 （1 1）一些新概念和新術(shù)語；）一些新概念和新術(shù)語； （2 2）水蒸氣產(chǎn)生的一般原理；）水蒸氣產(chǎn)生的一般原理； （3 3）水蒸氣參數(shù)間的關(guān)系；）水蒸氣參數(shù)間的關(guān)系； （4 4）h h2 2o o圖、表結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；圖、表結(jié)構(gòu)及應(yīng)用； （5 5）h h2 2o o熱力過程分析計算。熱力過程分析計算。2021-11-65n一、實(shí)際氣體概念一、實(shí)際氣體概念 （和理想氣體相對）（和理想氣體相對）1.1.為何要研究實(shí)際氣體？為何要研究實(shí)際氣體？ （1 1）常溫常壓某些氣體可視為理想氣

5、體；）常溫常壓某些氣體可視為理想氣體； 工程實(shí)際中的許多設(shè)備所應(yīng)用工質(zhì)（如汽輪機(jī)中水工程實(shí)際中的許多設(shè)備所應(yīng)用工質(zhì)（如汽輪機(jī)中水蒸氣），在常溫常壓下不能作為理想氣體處理。蒸氣），在常溫常壓下不能作為理想氣體處理。 （2 2）理想氣體只是為研究實(shí)際氣體而提出的一個概念。）理想氣體只是為研究實(shí)際氣體而提出的一個概念。2.2.具體研究內(nèi)容具體研究內(nèi)容 （1 1）首先研究實(shí)際氣體的狀態(tài)方程式：）首先研究實(shí)際氣體的狀態(tài)方程式：v=v=1 1(p,t)(p,t) （2 2）尋求氣體的熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系式：）尋求氣體的熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系式： u=u=2 2(p,t) (p,t) ，h=h=3 3(p,t)(p,t)

6、 （3 3）尋找氣體比熱關(guān)系：）尋找氣體比熱關(guān)系：c cp p=4 4(p,t)(p,t)， c cv v=5 5(p,t)(p,t) （4 4）建立和驗(yàn)證實(shí)際氣體狀態(tài)方程式。）建立和驗(yàn)證實(shí)際氣體狀態(tài)方程式。第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體2021-11-663.3.研究方法研究方法 （1 1）理論分析法）理論分析法 從物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究氣體分子的運(yùn)動以及分子間的從物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究氣體分子的運(yùn)動以及分子間的相互作用，分析微觀粒子的運(yùn)動對氣體宏觀性質(zhì)的影響，從而對相互作用，分析微觀粒子的運(yùn)動對氣體宏觀性質(zhì)的影響，從而對氣體定律做相應(yīng)的修正。氣體定律做相應(yīng)的修正。 優(yōu)點(diǎn)：此法物理意

7、義清楚，能概括地反映實(shí)際氣體的全面特征，優(yōu)點(diǎn)：此法物理意義清楚，能概括地反映實(shí)際氣體的全面特征，有一定的普遍意義。有一定的普遍意義。 不足：計算精度往往不高。不足：計算精度往往不高。 （2 2）實(shí)驗(yàn)研究法）實(shí)驗(yàn)研究法 以熱力學(xué)微分方程式為工具，借助于實(shí)驗(yàn)裝置，利用測定的一以熱力學(xué)微分方程式為工具，借助于實(shí)驗(yàn)裝置，利用測定的一 系列狀態(tài)參數(shù)值，來整理出實(shí)際氣體的狀態(tài)方程式和內(nèi)能、焓、系列狀態(tài)參數(shù)值，來整理出實(shí)際氣體的狀態(tài)方程式和內(nèi)能、焓、熵的關(guān)系式。熵的關(guān)系式。 優(yōu)點(diǎn)：方便準(zhǔn)確，可利用易測量求取不可直接測定的參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：方便準(zhǔn)確，可利用易測量求取不可直接測定的參數(shù)。 不足：必須借助于熱力學(xué)微分方

8、程式。不足：必須借助于熱力學(xué)微分方程式。第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體2021-11-67第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體n二、理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體的偏差二、理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體的偏差 1.1.理想氣體與實(shí)際氣體的差異理想氣體與實(shí)際氣體的差異 （1 1）實(shí)際氣體分子間有作用力，分子有體積，非彈性的；）實(shí)際氣體分子間有作用力，分子有體積，非彈性的； 理想氣體分子間無作用力，分子是一些彈性質(zhì)點(diǎn)。理想氣體分子間無作用力，分子是一些彈性質(zhì)點(diǎn)。 （2 2）理論上，當(dāng)壓力）理論上，當(dāng)壓力p0p0、比容、比容v v 時，實(shí)際氣體成為理想氣體；時，實(shí)際氣體成為理想氣體； （3 3）工程上，）工程

9、上，o2o2、n2n2、h2h2、空氣、燃?xì)獾葰怏w在較低壓力、較高溫度、空氣、燃?xì)獾葰怏w在較低壓力、較高溫度時，作為理想氣體處理，偏差很小。時，作為理想氣體處理，偏差很小。 （4 4）壓縮因子（）壓縮因子（z-p z-p 圖）圖），令trpvzg2021-11-68第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體n綜上所述：綜上所述：n（1 1）理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用于實(shí)際氣體時會產(chǎn)生偏差）理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用于實(shí)際氣體時會產(chǎn)生偏差trpvzg實(shí)際氣體ptrvgi理想氣體ivvz 所以2021-11-69n（2 2）能不能把實(shí)際氣體當(dāng)作理想氣體處理要考慮兩點(diǎn)）能不能把實(shí)際氣體當(dāng)作理想氣體處理要考慮兩點(diǎn)n第一點(diǎn)：氣

10、體的種類第一點(diǎn)：氣體的種類n第二點(diǎn)：氣體所處的狀態(tài)第二點(diǎn)：氣體所處的狀態(tài)n（3 3）必須建立實(shí)際氣體狀態(tài)方程以進(jìn)行精確計算。）必須建立實(shí)際氣體狀態(tài)方程以進(jìn)行精確計算。n三、實(shí)際氣體狀態(tài)方程（三、實(shí)際氣體狀態(tài)方程（范德瓦爾方程范德瓦爾方程） 1.1.范方程的導(dǎo)出范方程的導(dǎo)出 范德瓦爾從理想氣體和實(shí)際氣體間的差別出發(fā)，范德瓦爾從理想氣體和實(shí)際氣體間的差別出發(fā)，對理想氣體方程進(jìn)行了修正：對理想氣體方程進(jìn)行了修正： （1 1）分子體積的存在，減少了分子運(yùn)動的空間，則實(shí)）分子體積的存在，減少了分子運(yùn)動的空間，則實(shí)際氣體分子比理想氣體分子更頻繁撞擊容器壁，使容際氣體分子比理想氣體分子更頻繁撞擊容器壁，使容

11、器壁所受的壓力增大：器壁所受的壓力增大：第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體vtrpgbvtrpg2021-11-610n（2 2）分子間有相互作用力）分子間有相互作用力n在氣體內(nèi)部，每一個分子受到四周分子的吸引，相互在氣體內(nèi)部，每一個分子受到四周分子的吸引，相互作用抵消而處于力的平衡作用抵消而處于力的平衡n器壁附近的分子，總是受到臨近內(nèi)部分子的吸引力，器壁附近的分子，總是受到臨近內(nèi)部分子的吸引力，減小了分子撞擊器壁的次數(shù)，使壓力降低。引力的大減小了分子撞擊器壁的次數(shù)，使壓力降低。引力的大小與外層和內(nèi)部分子密度成正比。小與外層和內(nèi)部分子密度成正比。第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體2021-11-611

12、修正為修正為bvtrpgbvtrpgrtbvvap)(22va0)(23abavvpbtrpvg或上式即為范方程上式即為范方程a、半經(jīng)驗(yàn)方程，、半經(jīng)驗(yàn)方程，a、b由實(shí)驗(yàn)確定由實(shí)驗(yàn)確定b、精確度不高、精確度不高c、頗為切近的反映了物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)在性質(zhì)上的特征、頗為切近的反映了物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)在性質(zhì)上的特征d、為理論研究方法開拓了道路、為理論研究方法開拓了道路第一節(jié)第一節(jié) 實(shí)際氣體實(shí)際氣體2021-11-612。vvppfft1t ct2gcaabbddmmnnct = 常量常量h范德瓦爾方程的理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線范德瓦爾方程的理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線（理論曲線）（實(shí)驗(yàn)曲線）。2021-11-6132)

13、1()1 (1)(1)(3226322000vevtvrcvavatbrvtcatrbvtrpggg方程：rwb. 1，都是常數(shù)；、個參數(shù)其中cabcab0008。適用于c8 . 1方程：侯馬丁)(. 2houandmartin55443475. 53332475. 5222)()()()(bvtbbvabvectbabvectbabvtrpccttttg都是常數(shù)，、個參數(shù)其中53332229bcbacbab,)(,vcccccctprtvpztpfx（代表常數(shù)）質(zhì)。適用于極性和非極性物年，馬丁增加一項：19595475.555)()(bvecactt年，侯虞鈞又修正：1981。修正為將444

14、44)()()(bvtbabva四四.實(shí)際氣體狀態(tài)方程舉例（了解）實(shí)際氣體狀態(tài)方程舉例（了解）2021-11-614方程kwongdlich re. 3)(21bvvtabvtrpg,42748. 05 . 22ccgptra ,08654. 0ccgptrb 。壓力都能有滿意的結(jié)果在臨界溫度以上對任何方程：berthelot. 4trbvtvapg)()(2為常數(shù)，、ba在低壓范圍內(nèi)，比范德瓦爾方程準(zhǔn)確。2021-11-6151 1、汽化、汽化各種物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝鈶B(tài)）的現(xiàn)象或過程就是汽化。各種物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝鈶B(tài)）的現(xiàn)象或過程就是汽化。如水變汽。物質(zhì)汽化過程中要吸收大量的能量。

15、如水變汽。物質(zhì)汽化過程中要吸收大量的能量。 兩種汽化形式：兩種汽化形式：（1 1）液體表面的蒸發(fā)；隨時可以進(jìn)行。）液體表面的蒸發(fā)；隨時可以進(jìn)行。（2 2）液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的沸騰；達(dá)到一定溫度才可進(jìn)行。）液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的沸騰；達(dá)到一定溫度才可進(jìn)行。第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的形成水蒸氣的形成一、液體的汽化一、液體的汽化2 2、液化、液化各種物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程或現(xiàn)各種物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程或現(xiàn)象就是液化。如蒸汽凝結(jié)為水。象就是液化。如蒸汽凝結(jié)為水。液化時物質(zhì)要向外釋放能量液化時物質(zhì)要向外釋放能量熱能。熱能。2021-11-616n3 3、飽和狀態(tài)（、飽和狀態(tài)（汽化和液化現(xiàn)象分析）汽化和液化

16、現(xiàn)象分析）體，如右圖，容器內(nèi)盛有液的分子，液體表面附近動能較大這就是蒸發(fā)；汽化和液化：) 1 (，上部空間有了蒸汽分子液面，必有一些分子碰撞回到凝結(jié)成液體，這就是液化。的。汽化和液化是同時進(jìn)行汽化和液化的速度：)2(當(dāng)液體的溫度增大時，動能，液體分子就具有更大的出去，就會有更多的分子飛散汽化速度就會增加；反之，汽化速度就會降低。所以，溫度。汽化速度取決于液體的到空間，會克服表面的張力飛散率，蒸汽分子撞擊液面的幾，決定了液化速度的大小而這取決于上部空間蒸汽的壓力。液化速度取決于蒸汽的tp壓力。2021-11-617在一定時刻，的總狀態(tài)將不會再改變但oh2兩過程時時進(jìn)行，為動態(tài)平衡。狀態(tài)。此動態(tài)平

17、衡狀態(tài)為飽和液體上部的蒸汽為飽和蒸汽；汽化速度會等于液化速度，下部的液體為飽和液體；此時，汽、液的溫度相同，；為飽和溫度st蒸汽的壓力稱為。飽和壓力sp一一對應(yīng)，與sstp)(sstfp 有解釋如下：一一對應(yīng)，汽化速度與st一一對應(yīng)，液化速度與sp飽和狀態(tài)時，一一對應(yīng)。與sstp二者速度相等，例如：，對于oh2100statmps1應(yīng)。各自沒有第二個值相對也是一一對應(yīng)。n（3 3）飽和狀態(tài)）飽和狀態(tài)2021-11-618 tt s1pp s1 飽和液體干飽和蒸汽4100sstp，對于oh2barps10100stbarps19 .179stbarps1 . 08 .45st2021-11-61

18、9第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的定壓生成過程水蒸氣的定壓生成過程2021-11-620前前 言言 為什么要研究為什么要研究h h2 2o o的定壓過的定壓過程呢？程呢？ 1.h1.h2 2o o在鍋爐內(nèi)的加熱過程在鍋爐內(nèi)的加熱過程不是定壓過程；不是定壓過程； 但由于但由于h h2 2o o在液態(tài)時的焓值在液態(tài)時的焓值受壓力影響極小，則可把其加受壓力影響極小，則可把其加熱過程視為定壓過程；熱過程視為定壓過程； 這樣，研究定壓過程也就這樣，研究定壓過程也就有了實(shí)際意義。有了實(shí)際意義。 2.2.對于任何工質(zhì)，都要想對于任何工質(zhì)，都要想法獲得其有關(guān)參數(shù)。法獲得其有關(guān)參數(shù)。 從參數(shù)的角度看，采用定從參數(shù)的角度看

19、，采用定壓或其它過程來討論參數(shù)，都壓或其它過程來討論參數(shù)，都可以達(dá)到目的?？梢赃_(dá)到目的。 3.3.從實(shí)驗(yàn)手段來看，定壓從實(shí)驗(yàn)手段來看，定壓過程是非常容易實(shí)現(xiàn)的。過程是非常容易實(shí)現(xiàn)的。 要討論要討論h h2 2o o的定壓加熱、的定壓加熱、汽化過程，不足為怪。汽化過程，不足為怪。 實(shí)際上，流體流經(jīng)許多實(shí)際上，流體流經(jīng)許多設(shè)備的實(shí)際過程可按定壓過設(shè)備的實(shí)際過程可按定壓過程處理：程處理： 熱水流經(jīng)室內(nèi)散熱器的熱水流經(jīng)室內(nèi)散熱器的放熱過程；放熱過程； 煙氣流經(jīng)換熱設(shè)備放熱煙氣流經(jīng)換熱設(shè)備放熱過程等等。過程等等。 壓降小是一方面；關(guān)鍵壓降小是一方面；關(guān)鍵在于參數(shù)變化受壓力變化影在于參數(shù)變化受壓力變化影響

20、甚微。響甚微。第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的定壓生成過程水蒸氣的定壓生成過程2021-11-62101. 01、如右圖，汽缸中有 kg的純水，活塞上可以加不同重量下?？墒顾幵诓煌膲毫﹂_始對活塞加熱，可觀察到：.一：觀察到飽和溫度）（st.1開始加熱，變汽，到達(dá)某溫度時，水開始動態(tài)平衡，將有出現(xiàn)汽、液而不再加熱。此溫度為飽和溫度st有三個加熱階段：）（ .2的到由sstttta).(（不變）的sttb).(的到由ssttttc).(水的容積稍增大；預(yù)熱階段；汽化階段；過熱階段。第二節(jié)第二節(jié) 水蒸氣的定壓生成過程水蒸氣的定壓生成過程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未飽和水狀態(tài) 飽和水狀態(tài) 濕飽和蒸汽狀態(tài) 干飽和蒸汽狀態(tài) 過熱蒸汽狀態(tài)過熱階段水蒸氣的定壓生成過程飽和水的汽化階段水的預(yù)熱階段sttsttsttsttsttaaaaaaaaaaa說明：在此a可代表,vuhs2021-11-633一、水的定壓加熱預(yù)熱階段汽化階段過熱階段p過冷水未飽和水飽和水濕飽和蒸汽飽和蒸汽干)(過熱蒸汽pp,shvtsstt stt ,shvtsst2021

22、-11-634x干度濕蒸汽中汽的質(zhì)量濕蒸汽的質(zhì)量汽化潛熱)(ssthhs預(yù)熱階段汽化階段過熱階段p過冷水未飽和水飽和水濕飽和蒸汽飽和蒸汽干)(過熱蒸汽pp,shvtsstt stt ,shvtsst2021-11-6357-2 h2o的定壓加熱、汽化過程的五種集態(tài)：存在oh2未飽和水（過冷水）；飽和水濕飽和汽；屬于)4(屬于)5(屬于) 1 (屬于)2(（即將變汽）；屬于汽、水共存的)3(飽和蒸汽；過熱蒸汽。各階段變化有特點(diǎn)：預(yù)熱階段：體積稍增大，溫度升高，汽化階段：迅速增大，v溫度不變，（汽化潛熱）rqs過熱階段體積增大，溫度升高，x干度濕蒸汽中汽的質(zhì)量濕蒸汽的質(zhì)量2021-11-636三、

23、水蒸氣定壓生成過程中熱量的計算三、水蒸氣定壓生成過程中熱量的計算1.水的定壓預(yù)熱階段水的定壓預(yù)熱階段1ts11x1液體熱液體熱0220( )( )()lsuqqrqhhhhhhhh lq2.飽和水的定壓汽化過程飽和水的定壓汽化過程汽化潛熱汽化潛熱kj/kgrhhr3.3.水蒸氣的定壓過熱過程水蒸氣的定壓過熱過程st2過熱熱過熱熱2kj/kgsuqhh1kg1kg水從水從1 1狀態(tài)被加熱到狀態(tài)被加熱到2 2狀態(tài)所吸收的熱量狀態(tài)所吸收的熱量0kj/kglqhhsuqkj/kgsrtsss s2021-11-637c2010c1020pvts 水的臨界參數(shù)水的臨界參數(shù)四四、水蒸汽的、水蒸汽的p-vp

24、-v圖和圖和t-st-s圖圖2122x1x111x122x222.115mpa;374.12ccpt， 30.003147m /kg;cv 2095.2kj/kg;4.4237kj/(kg k)cchsxxctcpctt2021-11-638t p水蒸氣的水蒸氣的p pv v和和tsts圖圖一點(diǎn)一點(diǎn): :臨界點(diǎn)；臨界點(diǎn)； 兩線兩線: :飽和水線、干飽和蒸汽線；飽和水線、干飽和蒸汽線；三區(qū)三區(qū): :未飽和水區(qū)、濕飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)；未飽和水區(qū)、濕飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)；五態(tài)五態(tài): :未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽。未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽。sv2021-11-6