饱和空气及水蒸气的状态与变化

湿空气中的水蒸气对生产工艺和生活过程影响比较大，它也被广泛的当做动力装置和加热设备的工质。因此要求我们对水蒸气的性质有一定深度的认识和了解，才能合理地人工控制湿空气的各项物理参数。

1.水的蒸发与沸腾　水由液相转变为气相的过程称为汽化。从微观看，汽化就是液体分子脱离液面束缚，跃入气相空间的过程；另一方面，气相空间的蒸汽分子也会不断冲撞液面被液体分子重新捕获变为液体，这是凝结过程。

汽化有蒸发和沸腾两种形式。蒸发是指液体表面的汽化过程，通常在任何温度下都可以发生，沸腾是指液体内部汽化过程，它只能在达到沸点温度时才会发生。

水在封闭容器中，随着蒸发的进行，气相空间蒸汽分子的密度不断增多。当汽化和凝结速度相等时，意味着汽化与凝结达到动态平衡，这时的状态称为饱和状态。饱和状态下的压力称为饱和压力，温度称为饱和温度。这时的蒸汽和水分别称为饱和蒸汽和饱和水。由于汽化速度取决于液体温度而凝结速度取决于蒸汽的压力，当达到动平衡的饱和状态时，饱和温度ts与饱和压力ps之间必然存在单值函数关系：

式中：ts——饱和液体温度，也是饱和蒸汽温度；

ps——饱和蒸汽压力，当气相空间有多种气体时，ps是该液体的饱和蒸汽分压力。

日常遇到的蒸发现象都是在自由空间中进行的，液面以上的空间中不仅有蒸汽分子，还有大量其他气体。蒸汽分子密度很小、分压力很低，其汽化速度往往大于凝结速度，宏观上呈现汽化过程。若提高液体温度将会提高蒸发速度。

在一定的总压力p下，液体加热到p所对应的饱和温度时，液体内部涌出大量气泡。这种在液体内部进行的汽化过程就是沸腾。这个饱和温度也称为该压力下液体的沸点。沸腾现象不仅可用加热方法实现，也可用减压方法实现。如果将高温水减压，当压力降低到对应热水温度的饱和压力以下时，也会使水中产生大量气泡而达到沸腾状态。例如，当压力为101325Pa时水的沸点是100℃，当压力降到12335Pa时水的沸点是50℃。

2.水蒸气的定压形成过程　工程上应用的蒸汽一般是由锅炉在定压力下对水加热而产生的。其产生过程简化为如图6－1所示。在一端封闭的筒状容器中盛有定量的纯水，用一个可移动的活塞压在水面上，并与外界介质隔开。活塞上加载不同重量，可使水处在各种不同的压力下。

未达到ts温度的水称为未饱和水，或称为过冷水，如图6－1（a）所示。对水加热，水温将不断上升，水的比容也稍有增加，当水温达到压力p所对应的饱和温度ts时，开始沸腾，达到饱和温度的水称为饱和水，如图6－1（b）所示。水在定压下从未饱和状态加热到饱和状态的过程称为预热阶段。

把预热到ts的饱和水继续加热，饱和水剧烈沸腾。在定压下产生蒸汽而形成饱和液体和饱和蒸汽的混合物，称为湿蒸汽，如图6－1（c）所示。湿蒸汽的体积随着蒸汽的产生而逐渐加大，直到水为全部变为蒸汽，温度仍然是ts，但比容迅速增大，这时的蒸汽称为干饱和蒸汽或简称饱和蒸汽，如图6－1（d）所示。在饱和水定压加热为干饱和的气化阶段中，液体的温度不变，所加入的热量用于增加蒸汽所需要的能量和容积增大对外作出的膨胀功。这一热量称为汽化潜热，即将单位质量饱和液体转成同温度的干饱和蒸汽所吸收的热量。(www.xing528.com)

图6－1　水蒸气定压发生过程

如果对饱和蒸汽再加热［图6－1（e）］，蒸汽的温度将开始上升，比容进一步增大，这一过程就是蒸汽的定压过热阶段。这时，蒸汽的温度就会超过饱和温度，这种蒸汽称为过热蒸汽。过热蒸汽的温度超过同压力下饱和温度之值称为过热度。

将上述蒸汽形成过程在压容图和温熵图上表示出来如图6－2，状态点a代表不同压力下的未饱和水，状态点b是饱和水，c点表示湿蒸汽，d点表示干饱和蒸汽，e点表示过热蒸汽。将相应的点连起来，如图6－2中的aa1a2…未饱和水状态线，虽然压力提高，只要温度不变，其比容就基本保持不变，所以未饱和水状态在一条垂直线上；bb1b2…饱和液体线，随着饱和温度的升高，水的比容明显增大；dd1d2…饱和蒸汽线。当到某压力下，汽化过程线缩为一点就是两条饱和线会合的临界点K。这一点（临界点）、两线（饱和液体和饱和蒸汽线）将P—V图和T—s图分为三个区域与五个状态。饱和液体线左侧为液态区域，饱和蒸汽线右侧为过热蒸汽区域，两条饱和线之间为湿蒸汽区。五种状态是a－b－c－d－e分别代表未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。在湿饱和蒸汽区，湿蒸汽的成分用干度x表示干饱和蒸汽的质量成分，而（1－x）则为饱和水的质量成分。因此，饱和液体线也就是x＝0的等干度线，饱和蒸汽线就是x＝1的等干度线。

图6－2　水蒸气形成过程压容图和温熵图上的表示

3.湿空气中水蒸气的状态　湿空气中水蒸气的状态也可用p—V图来分析如图6－3。当湿空气的温度为t，所含水蒸气的分压力为pv时，湿空气中水蒸气的状态描述在p—V图上就是a点。此时水蒸气分压力为pv，低于温度t所对应的水蒸气的饱和分压力ps，水蒸气处在过热蒸气状态。这种由干空气和过热水蒸气所组成的湿空气称为未饱和空气。

图6－3　湿空气中水蒸气的p—V图

若在温度t不变的情况下，向湿空气中增加水蒸气，则水蒸气分压力将不断增加。湿空气中水蒸气状态将沿定温线a—b变化而达到饱和状态b。在温度t下，此时的水蒸气分压力达到最大值，湿空气中的水蒸气为饱和水蒸气。这种由干空气和饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气。如在温度t不变的情况下继续向饱和空气中加入水蒸气，则会有水滴析出，而湿空气保持饱和状态。

对未饱和的湿空气，在水蒸气分压力pv不变的情况下冷却，使未饱和空气的温度t下降。这时湿空气中水蒸气的含量没有变化，湿空气中水蒸气的状态将沿pv定压线a—c变化也达到饱和状态点。点c是对应于水蒸气分压力pv的饱和温度，称为露点温度，用td表示。如继续冷却，将有水蒸气变为凝结水析出。