第二节 水蒸气

一、概述

（一）汽化与凝结

物质由液态变为气态的相变过程称为汽化；由气态变为液态的相变过程称为凝结或液化。汽化有蒸发与沸腾两种方式。蒸发是任何温度下，在液体表面缓慢进行的汽化现象。蒸发是在液体表面一些内动能较大的分子克服表面张力逸出液面变为蒸汽的相变过程。沸腾是在一定温度下，在液体内部剧烈进行的汽化现象。沸腾现象中，在液体内部有大量气泡产生，沸腾也正是因此而得名。后续内容中的汽化均指沸腾。

（二）饱和状态、饱和温度与饱和压力

水蒸气在密闭容器内，汽、液两相平衡共存的状态称为饱和状态。饱和状态宏观上是汽、液两相在没有外界作用的条件下，不会发生变化的平衡状态，但微观上是汽、液两相之间汽化速度与凝结速度相等，即在同一时间内逸出液面的分子与回到液面的分子数目相等的动态平衡状态。饱和状态下的液体和蒸汽分别称为饱和液体与饱和蒸汽。工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压力与饱和温度。饱和状态时，对应于不同的饱和压力存在不同的饱和温度，二者之间不是独立参数，存在一一对应的单值函数关系。饱和压力用p_s表示，饱和温度用T_s或t_s表示，则p_s=f（T_s）或p_s=f（t_s）。

（三）五种状态

热力过程中常见的水蒸气状态有五种：温度低于相应压力下的饱和温度(t<t_s)时的水称为未饱和水；温度等于相应压力下的饱和温度(t=t_s)时的水称为饱和水；温度等于相应压力下的饱和温度(t=t_s)时的水蒸气称为干饱和蒸汽；温度等于相应压力下的饱和温度(t=t_s)时的饱和水与饱和蒸汽的混合物称为湿蒸汽；温度高于相应压力下的饱和温度(t＞t_s)时的水蒸气称为过热蒸汽。其中饱和水，干饱和蒸汽，湿蒸汽均属于饱和状态。同样压力下的饱和水，干饱和蒸汽与湿蒸汽，其温度也一样相同，均为该压力下的饱和温度，但其余参数却各不相同。为了便于区别，饱和水的参数符号均在右上角加“′”，如v′、h′、s′；干饱和蒸汽的参数符号均在右上角加“″”，如v″、h″、s″；湿蒸汽的参数符号均在右下角加“x”，如v_x、h_x、s_x。

二、水蒸气的定压发生过程

（一）水蒸气定压发生过程的三个阶段

如图3-2所示，假设一活塞汽缸内盛有1kg 0℃的水，活塞上承受一个不变的压力，对水加热。水蒸气定压发生过程一般可以分为以下三个阶段。

1.预热阶段

水定压吸热，温度逐渐升高，熵值增大，比体积也略有增加。当水温升高到相应压力下的饱和温度t_s时，成为饱和水，如图3-2（b）所示。未饱和水加热到饱和水的过程就是预热阶段，即图3-3所示的a—b阶段。

2.汽化阶段

对饱和水继续加热，水开始沸腾，在定温下产生蒸汽，比体积与熵均增大，形成湿蒸汽，如图3-2（c）所示，直至形成干饱和蒸汽，如图3-2（d）所示。由饱和水加热为干饱和蒸汽的过程就是汽化阶段，即图3-3所示的b—d阶段。汽化阶段水蒸气吸收的热量称为汽化潜热，以r表示，单位为J/kg。

3.过热阶段

对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽的温度、比体积与熵均增大，成为温度高于相应压力下饱和温度的过热蒸汽，如图3-2（e）所示。由干饱和蒸汽加热为过热蒸汽的过程就是过热阶段，即图3-3所示的d—e阶段。过热蒸汽的温度与同压力下的饱和温度之差称为过热度，用D表示，即D=t-t_s。

综上所述，水蒸气的定压发生过程经历了预热、汽化和过热三个阶段，并先后经历未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态。水蒸气的定压发生过程在p-v图上，是一条水平线；在T-s图上，是一条三折线。各参数的变化趋势为：比体积、焓、熵均单调增大，温度除了在汽化阶段保持不变外，在预热和过热阶段均增大。

（二）不同压力下的水蒸气定压发生过程

如果在p-v图与T-s图上将不同压力下的饱和水与干饱和蒸汽状态点分别各用一条曲线连接起来，就得到了图3-4中A—C线以及B—C线，分别称为饱和水线（或下界线）与干饱和蒸汽线（或上界线），它们分别表示各压力下的饱和水以及干饱和蒸汽状态。

如图3-4所示，不同压力下的水蒸气定压发生过程的特点是：随着压力的增加，相应的饱和温度t_s、饱和水的比体积v′和熵s′均增大；而干饱和蒸汽的比体积v″和熵s″均减小；饱和水与干饱和蒸汽状态点逐渐靠近，汽化阶段逐渐缩短，汽化潜热r逐渐减小。饱和水线与干饱和蒸汽线相交于C点，称为临界点。这时汽化阶段已完全消失。临界状态下的各参数均称为临界参数，是表征物质特性的重要参数，其参数符号均在右下角加角标“cr”。水蒸气的临界参数值为：p_cr=22.064MPa、t_cr=373.99℃、v_cr=0.003106m³/kg、h_cr=2085.9kJ/kg、s_cr=4.4092kJ/(kg·K)。

如图3-4所示，饱和水线C—A与干饱和蒸汽线C—B以及临界温度T_cr定温线分别将p-v图和T-s图分为三个区域：C—A以及T_cr定温线的左方是未饱和水区域；C—A线与C—B线之间为汽液两相共存的湿蒸汽区域；C—B以及T_cr定温线以右为过热蒸汽区域。

综上所述，在表示水蒸气各种状态的p-v图与T-s图上，可归结为一点两线三区五态。一点是临界点C；两线是饱和水线（下界线）C—A与干饱和蒸汽线（上界线）C—B；三区是未饱和水区（液相区）、湿蒸汽区（汽液两相区）和过热蒸汽区（气相区）；五态是未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽五种状态。

三、水和水蒸气的热力性质图表

（一）水和水蒸气的热力性质表

水与水蒸气热力性质表有两种：一种是饱和水与饱和蒸汽的热力性质表；另一种是未饱和水与过热蒸汽的热力性质表。

1.饱和水与饱和蒸汽的热力性质表

为了使用方便，饱和水与饱和蒸汽的热力性质表又分为按温度排列和按压力排列两种，见附表1和附表2。两种表都列出了不同温度或不同压力下饱和水与干饱和蒸汽的比体积（v′与v″）、焓（h′与h″）和熵（s′与s″），以及相应的汽化潜热γ。水与水蒸气热力性质表中无热力学能u，需要时可由u=h-pv计算。

饱和水与饱和水蒸气热力性质表无专门的湿蒸汽表。对于湿蒸汽的状态参数，可先由附表1或附表2查出相应温度或压力下的饱和水与干饱和蒸汽的参数，然后通过计算得出。由于湿蒸汽是由压力、温度相同的饱和水与饱和蒸汽所组成的混合物，所以同一压力（或温度）下，不同湿蒸汽状态的根本差异就在于其饱和水与饱和蒸汽的比例不同，湿蒸汽的这一特性是用参数干度来描述的。1kg湿蒸汽中含有饱和蒸汽的质量称为干度，用x表示。若用m′与m″分别表示湿蒸汽中饱和水与饱和蒸汽的质量，则干度x为

显然0≤x≤1。湿蒸汽的干度x越大，干饱和蒸汽的质量份额越大，越接近干饱和蒸汽状态；反之干度x越小，越接近饱和水状态。当湿蒸汽为饱和水时x=0；当湿蒸汽为干饱和蒸汽时x=1。

1kg湿蒸汽的各参数就等于（1-x）kg饱和水的相应参数与xkg干饱和蒸汽的相应参数之和，即

2.未饱和水与过热蒸汽的热力性质表

未饱和水与过热蒸汽的热力性质表是以温度和压力为两个独立变量而编制出的未饱和水和过热蒸汽各状态下的比体积、焓和熵。表中的粗黑线是未饱和水与过热蒸汽状态的分界线，粗黑线以上为未饱和水，粗黑线以下为过热蒸汽，见附表3。

水和水蒸气热力性质表无论是“饱和水与饱和蒸汽的热力性质表”还是“未饱和水与过热蒸汽的热力性质表”，毕竟不是连续的，若要确定这些间隔中状态点的状态参数，需要通过直线内插法求得。

【例3-2】 已知下列各状态：

（1）p=3MPa，t=300℃。

（2）p=5MPa，t=155℃。

（3）p=0.3MPa，x=0.92。

试利用水和水蒸气热力性质表查出或计算出各状态的比体积、焓、熵和热力学能。

解

（1）p=3MPa时，t_s=233.84℃，因此此状态为过热蒸汽，由附表3得： v=0.08116m³/kg；h=2994.2kJ/kg；s=6.5408kJ/（kg·K）；u=h-pv=2750.92kJ/kg。

（2）p=5MPa时，t_s=263.92℃，因此此状态为未饱和水，用内插法根据附表3得：v=0.001093525m³/kg；h=656.525kJ/kg；s=1.8865kJ/（kg·K）；u=h-pv=651.057kJ/kg。

（3）由p=0.3MPa，查饱和水与饱和蒸汽的热力性质表（附表2）得：t_s=133.54℃；v′=0.0010735m³/kg，h′=561.4kJ/kg，s′=1.6717kJ/（kg·K）；v″=0.60586m³/kg，h″=2725.5kJ/kg，s″=6.9930kJ/（kg·K）。所以v_x=（1-x）v′+xv″=v′+x（v″-v′）=0.55748m³/kg。

h_x=(1-x)h′+xh″=h′+x(h″-h′)=2552.372kJ/kg

s_x=(1-x)s′+xs″=s′+x(s″-s′)=6.5673kJ/(kg·K)

u_x=h_x-pv_x=2385.128kJ/kg

（二）水蒸气的焓-熵图

利用水和水蒸气热力性质表可以查出状态参数，并且精确度高，但是常要用到内插法，不太方便、也不直观。在热工计算中广泛应用的是焓-熵图（h-s图），利用h-s图无需内插计算，可以很容易地确定水蒸气的状态参数，对水蒸气的热力过程进行分析计算时，用h-s图更加直观方便。

水蒸气的h-s图如图3-5所示，除定焓线与定熵线之外，h-s图上的线群有如下四族：

（1）定压线群。定压线在湿蒸汽区为斜率恒定的斜直线（温度恒定），在过热蒸汽区为斜率越来越大（温度升高）的曲线。定压线群整体呈放射线型，定压线间的距离随着横坐标熵的增大而越来越大。

（2）定温线群。在湿蒸汽区压力一样的点势必温度也一样，也即定压线就是定温线。在过热蒸汽区定温线是渐趋平坦的曲线。

（3）定容线群。定容线是较定压线更陡的曲线。

（4）定干度线群。在湿蒸汽区的定干度线群交于临界点C。水蒸气的h-s图上，在x=0的饱和水线与x=1的干饱和蒸汽线的下面为湿蒸汽区，在x=0的饱和水线的左侧为未饱和水区，在x=1的干饱和蒸汽线的右上方为过热蒸汽区。

热力过程中应用的水蒸气多为干度较高的湿蒸汽及过热蒸汽，因此实用的h-s图只限于图3-5中右上方框出的部分。h-s图所包括的状态范围均属这部分区域。在h-s图的这个区域内，根据水蒸气任意两个彼此独立的状态参数，可以确定一个状态点，进而可以读出该状态下的其余参数。

【例3-3】 如图3-6所示，某汽轮机水蒸气的入口压力与温度分别为p₁=17MPa，t₁=550℃。经可逆绝热膨胀做功后，排汽压力为p₂=0.01MPa。试由h-s图求：

（1）水蒸气在汽轮机入口处的比体积、焓和熵。

（2）水蒸气在汽轮机出口处的比体积和焓。

（3）1kg水蒸气流过汽轮机所做的轴功。

解

（1）在h-s图（附图1）上，p₁=17MPa的定压线与t₁=550℃的定温线的交点1，即水蒸气在汽轮机入口处的状态点。于是可读得：v₁=0.02m³/kg，h₁=3430kJ/kg，s₁=6.44kJ/（kg·K）。

（2）在h-s图（附图1）上，s₂=s₁=6.44kJ/（kg·K）的定熵线与p₂=0.01MPa的定压线的交点2，即水蒸气在汽轮机出口处的状态点。于是可读得：v₂=17m³/kg，h₂=2040kJ/kg。

（3）由稳定流动能量方程可得1kg水蒸气流过汽轮机所作的轴功为

w_s=h₁-h₂=3430-2040=1390 （kJ/kg）