Video 6-3 水蒸气的定压发生过程在线视频

我们这一小节

来介绍水蒸气的定压发生过程

因为我们的蒸汽动力循环里面有锅炉

也就是说

水蒸气一般是在锅炉里面产生的

但是由于锅炉本身很复杂

所以我们用一个气缸

上面加一个重物来代替锅炉里面

水蒸气的定压发生过程

因为这两个定压发生过程无论是锅炉

还是在我们这个容器上面加重物

它俩的最终的这个过程特点

是完全一样的

我们来看一下这个示意图

一个容器里面有水 用蓝色来表示

然后上面有一个棕色的一个重物

在这个过程中

这个重物一直在那儿存放着

也就是说它的压力是不变的

我们水放进去

这个水它的温度

低于这个压力下的饱和温度

然后我们对它进行加热

它的温度就要升高

当第一个水蒸气分子要产生的时候

我们把那个状态叫做饱和状态

饱和水的一个状态

这时候它的温度是饱和温度

然后我们接着继续加热

在这个过程中

也有不断的水分子由液相变成气相

我们用图来表示

上半部分的颜色

比下面的颜色要浅一点

表示气相 深色表示液相

在这个水蒸气发生过程中

它的温度是不变的 还是饱和温度

我们继续加热

直到最后一个液态的水分子

变成气态的水分子 也是变成水蒸气

这个时候它是饱和气态

它的温度还是饱和温度

我们接着还继续进行加热

在这个基础上再加热的时候

它的温度怎么样 就要升高了

这个时候的温度要高于饱和温度

我们把最开始温度

低于饱和温度的这个水叫做未饱和水

而在饱和温度下的这个水

叫做饱和水

里面既有水蒸气

又有水的这个状态叫做湿饱和蒸汽

然后里面全是水蒸气

而且还处于饱和状态下

我们把它叫做干饱和蒸汽

温度高于饱和温度下的这个状态

叫做过热蒸汽

然后我们来看一下这五种状态

它的一些热力学状态参数有什么特点

我们首先把饱和水的比容

用v’来表示

然后干饱和蒸汽的比容用v”来表示

然后你来看其他三个状态

它的比容是怎样的一个关系

实际上我们这示意图

已经画出来了 对吗

未饱和水的比容小于饱和水的

然后湿饱和蒸汽的比容

比饱和水的要大一些

然后干饱和蒸汽比湿饱和蒸汽还要大

然后过热蒸汽它的比容是最大的

也就是说在这加热过程中

这个比容是一直增加的

然后我们再来看焓

焓也是 饱和水的焓用h’来表示

然后干饱和蒸汽的焓用h”来表示

未饱和水的焓它是小于饱和水的焓的

然后湿饱和蒸汽的焓

它是大于饱和水的焓的

过热蒸汽的焓

它是大于干饱和蒸汽的焓的

也就是说在这个加热过程中

它的焓是增加的

实际上

这个我们可以由我们前面讲过的

热力学的第一定律来解释的

我们就把热力学的

第一定律的表达式写出来

q=△u+w

然后这个w实际上就是pdv

由于是一个定压的一个过程

所以我们可以把压力提出来

它就是内能的变化量加上压力

乘以比容的变化量

我们可以把压力放到里面去

实际上就是内能的变化量

加上推进功的变化量

内能加上推进功不就是焓吗

所以说加热的热量

实际上就是焓的变化量

就是焓的增加量

也就是说在水蒸气的定压发生过程中

加入的热量全变成了焓

所以它的焓是一直增加的

也就是说在我们刚才的介绍的水的

这个实际物质的汽化过程中

它的温度是不变的 一直是饱和温度

但是它的焓是增加的

干饱和蒸汽的焓

减去饱和水的焓等于什么

就是它的汽潜热

这是对于水这种物质是这样的

在汽化过程中

温度不变 但是焓是增加的

而我们的理想气体

我们前面讲过第三章理想气体

理想气体的焓跟温度是一一对应的

也就是说对于理想气体

焓是温度的单值函数

也就是说

理想气体与实际气体是不一样的

在焓与温度的依变关系

这个方面两者是不同的

我们再来看一下熵的变化

还是我们把饱和水的熵用s’来表示

干饱和蒸汽的熵用s”来表示

未饱和水的熵要小于饱和水的熵的

湿饱和蒸汽的熵比饱和水的要大

但是它小于干饱和蒸汽的熵

过热蒸汽的熵是最大的

这个也可以用我们前面

学过的知识来解释

熵变等于熵流加上熵产 对吧

所谓的熵流就是系统与外界交换热量

而产生的这个熵

在这个加热的过程中

对系统加热量

它的熵一定是永远增加的

因为它吸热

我们在水蒸气的定压发生过程中

我们看了它经过了五个状态

然后我们把它过程进行一个细分

由未饱和水到饱和水这个过程

叫做水的预热过程

而从饱和水变成干饱和蒸汽的这个过程

叫做汽化过程

由干饱和蒸汽到过热蒸汽

这个过程叫做过热过程

对于未饱和水 我们有一个术语

来衡量它未饱和的程度

这个术语叫什么 叫做过冷度

这个过冷度

它是相对于饱和水的温度而言的

这个过冷度应该是如何来定义

它是什么

它是饱和温度减去未饱和水的温度

也就是说是一个温差

而且这个值永远是大于零的

也就是未饱和水

相对于饱和水它差了多少度

达到饱和 把它叫做过冷度

未饱和水有的时候也叫做过冷水

我们再来看过热蒸汽

我们过冷水有一个过冷度

过热蒸汽应该有一个什么

应该有一个过热度

这个过热度是什么

过热蒸汽相对于干饱和蒸汽

它高出来的那一块的温度

也就是过热蒸汽的温度

减去干饱和蒸汽的温度

减去饱和温度

这两个术语很重要

有过冷度 过热度是什么含义

这个非常清楚

刚才我们是针对水而言有那五种状态

对于一般的工质

实际上也是存在这五种状态的

只不过说我们刚才说的未饱和水 是吧

然后饱和水 然后湿饱和蒸汽

当然那个汽是三点水那个汽

然后干饱和蒸汽也是三点水那个汽

过热蒸汽也是三点水那个汽

对于一般所有的工质

我们可以有这种通用的说法

第一个是未饱和液或者是过冷液

或者是压缩液 它指的是同一种物质

也就是说没有达到

饱和温度的时候那个液体

接下来是什么 是饱和液

然后湿饱和蒸气或者说湿蒸气

接下来是干饱和蒸气或者说饱和蒸气

最后一个是过热蒸气

这是对于所有的物质

都存在这样的五态

相应的这个说法或者说叫法

饱和液和干饱和蒸气

它俩之间差一个什么东西

差一个什么量 差一个汽化潜热

也就是说干饱和蒸气的焓值

减去饱和液的焓值

等于这个物质

在这个温度下的汽化潜热

我们刚才是把水蒸气的定压发生过程

它的一些参数的变化

做了一个描述和对比

现在我们把这过程

表示在压力比容和温度熵的图上

也就是p-v图和T-s图上

这个怎样来表示

实际上它是要做一系列的

水蒸气定压发生过程

从小到大 对压力 对吧

那我们来简单地列出来几个

定压下的状态参数的数值

我们左侧是一系列的压力

紧接着第二列是对应的饱和温度

然后接下来是饱和水的比容

各个压力下的 然后紧接着是什么

干饱和蒸汽的比容在各个压力下的

然后饱和水的熵 s’

然后在最后一列是什么

干饱和蒸汽的熵

我们把各个压力下的这些特征点的数值

放在我们的p-v图和T-s图上

我们把这些点都给点上

第一个压力下的一些点

第二个压力

然后把所有的具有共性的点

比如说饱和水的点用一条线来连起来

就是我们的A上去这条线

然后在饱和汽的线也连起来

是B的这个线

最上面那个点是我们的临界点

高于临界压力的这点

一定是在临界点的上面了 毫无疑问

在T-s图上相应的也是

但是在T-s图上这个等压线

是一个什么线 它是一个折线

左侧向下的这一段是过冷液

然后中间水平的是气液两相区

然后d到e是过热区

每一个压力下的特征点

都给它标示出来

然后所有的饱和水的点连起来

所有的饱和气液的点连起来

就是我们在T-s图上的表示

c点是我们的临界点

在p-v图和T-s图上

希望大家掌握这样几点

一个是一点 第二个是两线

第三个三区 第四个是五态

一点两线三区五态

一点是什么

临界点

是我们的临界点 C那点

然后两线 两线是什么

左侧的饱和液线 A到C之间的

然后饱和气线

C和B之间的这个线 这是两线

三区 既然是区就是一个区域 对吧

那么这三区是什么 过冷水区 左侧的

也就是饱和液线左侧的这个区域

它叫做过冷水区或者说未饱和水区

第二个区是什么 是湿蒸汽区

是饱和液线和饱和汽线

中间的这一部分 叫做湿蒸汽区

另外一个区 过热区 过热蒸汽区

五态

五态那就是刚才那两线加上三区

过冷水 饱和水 湿蒸汽

饱和蒸汽和过热蒸汽

这个非常重要 大家一定要掌握

一点两线三区五态

然后我们再来看在我们这个过冷区

它这线实际上它的等压线是非常密集的

只不过我们画图的时候

为了表示它是不同的压力下的等压线

所以把它画得区分得很清晰

实际上它是非常非常密集的

我们来解释一下

为什么过冷液的等压线与饱和液线

非常接近 为什么 我们来看一下

如果说在我们的T-s图上

我们做一个等温线

那也就是意味着

在这个线上温度是不变的 是吧

如果说在等温条件下

各个等压线之间的熵的差值

也就是熵变非常小

这个线也是密集的 对吧

我们下面来进行分析

首先我们知道

对于液体实际上就是过冷液

它是近似来说是不可压缩的

也就是说它的这个比容变化是很小的

它的比容是变化的非常小的

而我们知道

内能它可以写成比容和温度的函数的

而我们由热力学第一定律

δq=du+pdv

这是我们的热力学第一定律

对于任何过程都适用

对于我们这个过程当然也适用了 对吧

但是我们知道

过冷液它的比容是近似不变化

也是变化非常小的

也就是说这dv可以认为它等于零的

可以认为等于零的 对吧

这一项就没有了 dv这一项就没有了

然后如果说当温度不变

也就是T不变

你的内能怎么样

刚才说了内能是温度和比容的函数

比容不变 现在温度又不变

你这du怎么样 du近似等于零了

对吧 du而近似等于零

dv还近似等于零

那δq怎么样

你δq就是近似等于零了 对吗

然后我们再来看△s

△s=δq/t积分

而你这δq近似等于零

所以你这个熵的变化量怎么样

就近似等于零

各个等压线之间的这个熵变

近似等于零

那意味着什么

意味着你这个过冷液的等压线

彼此接近的

与这个饱和液线是非常接近的

所以我们解释了为什么是这样 对吧

我们把这一小节的主要内容

我们一起来总结一下

对于水和水蒸气这种实际的物质

在它的汽化过程中

也就是说从饱和液变成饱和蒸汽

在这个过程中 这个温度是不变的

都是等于饱和温度

但是它的焓是增加的

这个与我们前面讲的理想气体

是完全不一样的

理想气体的焓跟温度有啥关系

它是一一对应的

焓是温度的单值函数

理想气体是这样

而水 水蒸气这种实际的工质

它跟理想气体是不一样

这一点大家一定要非常清楚

还有第二点

我们这个过冷水它有一个过冷度

来表征它未饱和的程度 对吗

这个过冷度是什么

饱和温度减去未饱和水的温度

还有对于过热蒸汽有一个过热度

这个过热度是什么

过热蒸汽的温度减去饱和温度

然后对于我们水蒸气的定压发生过程

我们说我们希望大家掌握这几点

一个是一点 这个点是什么 临界点

然后两线 这两个线是什么

饱和液线 饱和汽线

然后三区 这三区是什么

未饱和水区或者说过冷水区

然后湿蒸汽区 然后过热蒸汽区

五态

五态实际上是刚才那个两线和三区

也就是过冷水 饱和水 湿蒸汽

然后干饱和蒸汽 过热蒸汽

这大家一定要非常清楚

我们后面

蒸汽动力循环的时候一定要用到

这是我们这一小节的主要内容