水的定压汽化过程及其p-υ和T-s图

由液态物质转变为气态物质的过程称为汽化，反之，由气态物质转变为液态物质的过程称为液化或凝结。汽化有两种方式：一为蒸发，它是一种通过液体表面的汽化现象，在任何温度下都能进行；另一种沸腾，它是一种在液体内部和液体表面同时进行的汽化现象，在给定压力下，只有当液体达某一特定的温度时才能进行。

一、饱和温度和饱和压力

下面从分子运动论的观点，对蒸发和沸腾的物理本质作必要的阐述，从而建立饱和温度和饱和压力的概念。

图6-1所示为一气缸，底部装有液体，例如水，上部为水蒸气，用活塞把水和水蒸气封闭在气缸内。设水和水蒸气的温度均为t℃，并在整个过程中保持不变。因为水中的分子在不停地作不规则的热运动，有的分子移动动能大，有的分子移动动能小，其中总有一批分子移动动能大到足以克服水的表面张力而飞向上部的汽空间。水中动能大的分子飞出后，水中分子的平均动能要下降，水温要相应地降低。为了维持水温不变，需要由外界热源向水加热，这样就使水中始终保持一批动能足够大的分子。所以当水温不变时，单位时间从水面飞出的分子数目不变。但是另一方面，由于水分子的不断飞出，汽空间中水蒸气的分子数不断增加，致使水蒸气的压力不断增加。汽空间的水蒸气分子同样也在作不规则的热运动，其中有的分子也会通过水面返回到水中去，随着水蒸气压力的不断增加，单位时间返回到水中的水蒸气分子数从零逐渐增加。当返回的分子数增加到与飞出的分子数相等时，水量就不再减少，汽空间的水蒸气的分子也不再增加，实际上是达到了动态平衡。这时，对应于温度t℃，汽空间水蒸气的压力达到最大值，称为“饱和压力”。不难看出，水蒸气的饱和压力仅与温度有关，而且温度越高，饱和压力越高。因此，置于大气中的水，只要大气中水蒸气分压力小于对应于水温的饱和压力，蒸发现象就会发生。

图6-1 液体的蒸发

由上所述，水和水蒸气的温度与其饱和压力之间存在一一对应的关系。因此，也可以说，对水和水蒸气的给定压力p而言，存在着一个对应的饱和温度，以ts表示，即

ts＝f（p）（6-2）

其具体数值关系由附表2给出。对给定压力p的水，当水温等于对应于p的饱和温度ts时，水就开始沸腾，例如当大气压力为0.1013MPa时，把水加热到100℃时就开始沸腾。这是因为水内生成的气泡的饱和压力正好等于水的压力p，气泡产生和存在的力学条件就具备了，于是沸腾现象就发生了。如水温低于饱和温度，则不具备这个力学条件，不可能发生沸腾。可见，只有水温等于饱和温度时，水才可能沸腾。因此，可将沸腾时的水称为“饱和水”。

二、水的定压汽化过程

蒸汽锅炉在正常运行时，水是在定压下吸热汽化而变为水蒸气的。下面将从定压汽化过程开始来讨论水蒸气的热力性质。如图6-2所示，以活塞上放一定重物的容器为例，来说明定压下水的汽化过程，它与锅炉中实际的定压加热过程在本质上是一样的。

图6-2 水在容器中的定压汽化

设容器中装有1kg水，压力p＝0.1MPa，初始温度ta＝0℃，这时水的比体积υa＝0.001 m3/kg。水的三相点的参数为

p＝0.0006112MPa T＝273.16K

其中液相水的比体积为

υ′＝0.00100022m3/kg

在编制水蒸气图表时，国际上规定，处于这种状态下的水的比热力学能和比熵均为零，即

u＝0kJ/kg s＝0kJ/（kg·K）

这时，水的比焓为

h＝u＋pυ＝0＋0.0006112×106×0.00100022×10﹣3＝0.000611≈0kJ/kg

根据有关实验数据并经计算，4MPa以下0℃水的比熵均可认为等于零。因此，水在0.1 MPa、0℃时的状态点（如图6-3所示），在p-υ图和T-s图上以点a表示。

图6-3水定压汽化在p-υ图和T-s图的表示

水在定压加热时，由于受热膨胀，水的比体积略有增加，在p-υ图中，水的定压加热线自左向右水平移动。水在定压加热时，水温不断升高，在T-s图中，水的定压加热线自左向右逐渐上升。当水温上升到99.63℃时，水就开始沸腾，这一温度就是压力p＝0.1MPa时的饱和温度。这种处于饱和温度下的水就是饱和水。0.1MPa时饱和水的比体积和比熵分别为υ=0.0010434m3/kg，s′＝1.3027kJ/（kg·K），除p、t外饱和水的比状态参数均在其右上角标一符号“′”。因此，0.1MPa时饱和水的状态点，在p-υ图和T-s图上以点b表示。从a到b称为水的定压预热阶段，在此阶段中加入的单位质量热量称为比液体热，用q1表示，在T-s图上可用面积abs′s0a表示，即

在定压下对饱和水继续加热，它就逐渐吸热而变为水蒸气，在此汽化过程中，水和蒸汽的温度均为99.63℃，并保持不变。这是由于在同压、同温下干饱和蒸汽的比焓值远大于饱和水的比焓值。这一汽化过程在p-υ图和T-s图中均为自左向右的水平线。当容器中最后一滴水刚变为蒸汽时，蒸汽的温度仍为饱和温度，这时的蒸汽称为“干饱和蒸汽”，简称饱和蒸汽。0.1 MPa时的饱和蒸汽的比体积和比熵分别为υ″＝1.6946m3/kg，s″＝7.3608kJ/（kg·K）（除p、t外，干饱和蒸汽的比状态参数均在其右上角标一符号“″”）。因此，0.1MPa时饱和蒸汽的状态点在p-υ图和T-s图上以点d表示。从b到d称为饱和水的定压汽化阶段，在此阶段中加入的单位质量热量称为“比汽化潜热”，以r表示，在Ts图上可用面积bds″s′b表示，即

r＝h″－h′＝面积bds″s′b　（6-4）(www.xing528.com)

饱和水没有完全变成饱和蒸汽之前，容器中为饱和水和饱和蒸汽的混合物，这种混合物称为“湿饱和蒸汽”，简称湿蒸汽。

在定压下对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽的温度从99.63℃开始逐渐升高。当蒸汽的温度t已超过该蒸汽压力下的饱和温度ts时，这种蒸汽称为“过热蒸汽”，并以Δt＝t－ts表示该过热蒸汽的过热度。过热蒸汽的状态点在p-υ图和T-s图上以点e表示。de在p-υ图中为自左向右的水平线，在T-s图中为自左向右逐渐上升的曲线。从d到e称为过热蒸汽的定压过热阶段，在此阶段中加入的单位质量热量称为“比过热热”，以qsup表示，在T-s图上可用面积dess″d表示，即

综上所述，将水在定压下加热变为过热蒸汽经历了5种状态和3个阶段。这5种状态是：

1.未饱和水水温t低于水压p所对应的饱和温度ts，这种水称为未饱和水或“过冷水”，并以Δt＝ts－t表示这种过冷水的过冷度。处于平衡态的未饱和水是单相均匀系统。未饱和水的p和T是两个相互独立的状态参数，因此，由p和T可确定其状态。由于水的压缩性很小，因而压力p对υ，u，h和s影响不大。

2.饱和水水温t等于水压p所对应的饱和温度ts，这种水即为饱和水。饱和水是处于平衡态的单相均匀系统。饱和水的p和T不再是两个相互独立的状态参数。热力学理论（相律）和经验都表明，只要用一个状态参数就可确定饱和水的状态。

3.干饱和蒸汽水蒸气温度t等于其压力p所对应的饱和温度ts，这种蒸汽称为干饱和蒸汽，简称饱和蒸汽。与饱和水相似，干饱和蒸汽也是处于平衡态的单相均匀系统，其p和T不是两个相互独立的状态参数，而且只要用一个状态参数就可确定干饱和蒸汽的状态。

4.湿蒸汽 它是饱和水和饱和蒸汽的混合物。湿蒸汽是处于平衡态的双相（液相和汽相）非均匀系统，其中饱和水的比体积远小于饱和蒸汽的比体积，其余比状态参数（比热力学能、比焓和比熵）也是如此。因此，这些比状态参数在汽液两相的界面上发生突变。湿蒸汽的p和T也不是两个相互独立的状态参数，其中的饱和水和饱和蒸汽的状态，如上所述只要用一个状态参数就可分别确定。但要确定湿蒸汽的状态，还必须给定其中饱和蒸汽与饱和水所占的比例。工程上通常给出湿蒸汽的“干度”x，它表示1kg湿蒸汽中含xkg饱和蒸汽，（1－x）kg饱和水。因此，湿蒸汽的比体积、比热力学能、比焓和比熵的计算公式可分别写为

5.过热蒸汽蒸汽温度t高于其压力p所对应的饱和温度ts，这种蒸汽称为过热蒸汽，并以Δt＝t－ts表示其过热度。处于平衡态的过热蒸汽是单相均匀系统。过热蒸汽的p和T是两个相互独立的状态参数，因此，由p和T可确定其状态。

所经历的3个阶段是：

1.水的定压预热阶段 在此阶段中，从未饱和水变为饱和水，水温不断升高，直至达到饱和温度。

2.定压汽化阶段 在此阶段中，从饱和水变为干饱和蒸汽，温度保持饱和温度。这一阶段既是定压、又是定温的相变加热过程。

3.定压过热阶段 在此阶段中，从饱和蒸汽变为过热蒸汽，温度从饱和温度开始逐渐升高。

三、水蒸气的p-υ图和Ts图

在0.0006112MPa≤p＜22.115MPa范围内，用其中任一给定压力，对水进行定压力热汽化，可在p-υ图和T-s图上画出一系列定压加热线。它们全都经历上述5种状态和3个阶段，如图6-4所示。图中还标出：

1.饱和水线它是各种压力下饱和水状态点的连线，又称为下界线，沿此线x＝0。

2.干饱和蒸汽线 它是各种压力下干饱和蒸汽状态点的连线，又称为上界线，沿此线x＝1。

图6-4 水蒸气的p-υ图和T-s图

3.临界点C 它是饱和水线和干饱和蒸汽线的交点。水的临界点C的基本状态参数为

由于压力升高时，饱和温度随之升高，由p-υ图可以看出，饱和水的比体积υ′随压力的升高而略有增加，即饱和水线向右上方倾斜，说明水的比体积受温度的影响大于受压力的影响，而干饱和蒸汽的比体积υ″则随压力的升高而明显地减小，即干饱和蒸汽线向左上方倾斜，说明蒸汽的比体积受温度的影响小于受压力的影响；在T-s图上，饱和水线也是向右上方倾斜，说明随着压力的升高，比液体热增加，而由于比汽化潜热随压力升高而减小，干饱和蒸汽线向左上方倾斜，于是随着压力的升高饱和水和干饱和蒸汽的状态越来越接近，当压力达到pc＝22. 115MPa时，它们重合为一点，即临界点。临界点上的比汽化潜热为零，即汽化在一瞬间完成。

在图6-4所示的水蒸气p-υ图和T-s图上，饱和水线和干饱和蒸汽线还把水和饱和水蒸气分为3个区，即

（1）未饱和水区：它位于饱和水线左侧的一个较狭窄的范围内。

（2）湿蒸汽区：它位于饱和水线与干饱和蒸汽线之间。

（3）过热蒸汽区：它位于干饱和蒸汽线的右侧。过热蒸汽的压力越低，或过热度（t－ts）越高，其热力性质就越接近理想气体。