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工程热力学(第版)第6章.水蒸气练习题.doc 11页
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工程热力学(第版)第6章.水蒸气练习题
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本章基本要求
理解水蒸汽的产生过程，掌握水蒸汽状态参数的计算，学会查水蒸汽图表和正确使用水蒸汽h-s图。
掌握水蒸汽热力过程、功量、热量和状态参数的计算方法。
自学水蒸汽基本热力过程(§7-4)。
1．水蒸汽是实际气体，前面章节中适用于理想气体的计算公式，对于水蒸汽不能适用，水蒸汽状态参数的计算，只能使用水蒸汽图表和水蒸汽h-s图。
2．理想气体的内能、焓只是温度的函数,而实际气体的内能、焓则和温度及压力都有关。
3．查水蒸汽h-s图，要注意各热力学状态参数的单位。
例1：容积为0.6的密闭容器内盛有压力为3.6bar的干饱和蒸汽，问蒸汽的质量为多少，若对蒸汽进行冷却，当压力降低到2bar时，问蒸汽的干度为多少，冷却过程中由蒸汽向外传出的热量为多少
解：查以压力为序的饱和蒸汽表得：
=3.6bar时，=0.51056
=2733.8kJ /kg
m=V/=1.1752kg
查饱和蒸汽表得：
=2bar时，=0.0010608
=504.7kJ /kg
=2706.9kJ /kg
在冷却过程中，工质的容积、质量不变，故冷却前干饱和蒸汽的比容等于冷却后湿蒸汽的比容即：
取蒸汽为闭系，由闭系能量方程
由于是定容放热过程，故
其中：==1773.8kJ /kg
Q=mq=1.) =-1032.2kJ
例2：=50bar 的蒸汽进入汽轮机绝热膨胀至=0.04bar。设环境温度求：
（1）若过程是可逆的，1kg蒸汽所做的膨胀功及技术功各为多少。
（2）若汽轮机的相对内效率为0.88时，其作功能力损失为多少
解：用h-s图确定初、终参数
初态参数：=50bar 时，=3197kJ /kg =0.058
=6.65kJ /kgK
则=2907 kJ /kg6.65kJ /kgK
终态参数：若不考虑损失，蒸汽做可逆绝热膨胀，即沿定熵线膨胀至=0.04bar ，此过程在h-s图上用一垂直线表示，查得=2020 kJ /kg
==6.65kJ /kgK
=1914 kJ /kg
膨胀功及技术功：=3 kJ /kg
=77 kJ /kg
2）由于损失存在，故该汽轮机实际完成功量为
=0.6 kJ /kg
此不可逆过程在h-s图上用虚线表示，膨胀过程的终点状态可以这样推算，按题意，则
=61 kJ /kg
这样利用两个参数=0.04bar和=2161 kJ /kg，即可确定实际过程终点的状态，并在h-s图上查得=7.12kJ /kgK，故不可逆过程熵产为
=7.12-6.65=0.47kJ /kgK
作功能力损失
因绝热过程
例3：0.1kg水盛于一绝热的刚性容器中，工质的压力的0.3Mpa，干度为0.763。一搅拌轮置于容器中，由外面马达带动旋转，直到水全变为饱和蒸汽。求：
（1）完成此过程所需的功；
（2）水蒸汽最终的压力和温度。
解：取容器内的工质为系统，搅拌轮搅拌工质的功变为热，是不可逆过程。
（1）系统绝热，q=0。系统的边界为刚性，因而没有容积变化功，可是由于搅拌轮搅拌，外界对系统作了功。由热力学第一定律
即外界消耗的功变了热，工质吸收热内能增加，因而只要计算初终态的内能变化就可求得耗功量。
对于初态，已知p1=0.3Mpa，x=0.763，于是
因为容器是刚性的，终态和初态比容相等，因而终态是v2=0.4643m3/kg的干饱和蒸汽。由饱和水与饱和蒸气表可查得相应于v2==0.4624时的压力p2=0.4Mpa，温度t2=143.62℃。由查得的终态参数可计算出终态的内能u2=2253.6kJ/kg。所以，搅拌轮功为
（2）终态如图7.1所示，为v2=v1、x=1的干饱和蒸气，p2=0.4Mpa，t2=143.62℃。
例4：1kg水贮存于有负载的活塞-气缸装置中，压力为3Mpa，温度为240℃。定压下对工质慢慢加热直至其温度达320℃，求：
（1）举起负载活塞作多少功？
（2）外界需加入多少热量？
解：取装置中的工质水为系统，由饱和水与饱和蒸气表查得对应于3Mpa的饱和温度为233.84℃。现初态温度高于此值，可知初态为刚高于饱和温度的过热蒸气，故工质在整个加热过程均为过热蒸气。
（1）在缓慢加热的条件下，可认为热源与工质温差很小而视过程为可逆过程故
比容值可由“未饱和水与过热蒸汽
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工程热力学第七章水蒸气作业
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热工基础课件作者宋长华05水蒸气.ppt 10页
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制作：宋长华
本章主要内容
水蒸气的相变及相图
水蒸汽的定压产生过程
水蒸气的状态参数和热力性质表
水蒸气的h-s图
水蒸气的典型热力过程
湿空气的性质
本章教学要求
掌握：水蒸气定压产生过程在p-v图和T-s图上所表现的相变规律；水蒸气图表的使用方法，利用分析计算水蒸气的基本热力过程；
理解：水蒸气饱和状态的概念及参数特征；水蒸气图表的选择应用。
了解：水蒸气参数对电厂热力设备的影响，水蒸气h-s图的结构特点。。
重点：饱和状态的概念及参数特征；水蒸气定压产生过程在p-v图和T-s图上所表现的相变规律；利用水蒸气图表确定水和水蒸气的状态参数；水蒸气定压过程和绝热过程的分析计算。
难点：水蒸气参数对电厂锅炉结构的影响；水蒸气图表的选择应用；
18世纪，蒸汽机的发明，水蒸气是唯一工质。
直到19世纪，内燃机发明，才有燃气工质。
目前水蒸气仍是火力发电、核电、供暖、化工的常用工质。
优点：膨胀性能好，流动性好，热力性能稳定，便宜，易得，无毒，传热性能好。
是其它实际气体的代表。
一、汽化与凝结
2、沸腾——在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。
1、蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。
汽化方式有两种：1）蒸发，2）沸腾。
（一）汽化：液态→汽态（如电厂锅炉中水的汽化过程）
特点：能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。
特点：有汽泡产生；在一定的压力下，液体沸腾时的温度（沸点）是一定的。
5-1 水的相变及相图
表面和内部
火电厂锅炉中水的汽化采用的是哪种方式？
（二）凝结（液化）
定义：物质从汽态转变成液态的过程，称为液化。（如火电厂凝汽器中的排汽凝结成水的过程）
特点：在一定压力下，蒸汽的温度（低）等于沸点时，才可能出现凝结。
5-1 水的相变及相图
（三）饱和状态
饱和水：饱和状态下的水；
饱和蒸汽：饱和状态下的水蒸汽。
液体在有限密闭空间内汽化，同时也有液化，当汽化速度与液化速度相等，即汽液两相达到动态平衡，这种状态称为饱和状态。
饱和状态示意图
5-1 水的相变及相图
饱和状态参数
饱和压力：在饱和状态下的水和水蒸汽的压力pS
饱和温度：在饱和状态下的水和水蒸汽的温度tS
饱和状态的特点：
①汽水共存；
②汽水同温；
③饱和压力与饱和温度成一一对应关系。
5-1 水的相变及相图
ps上升， ts上升
ts上升， ps上升
如青藏高原：ps=0.06MPa
ts=85.95 ℃
使水汽化的方法：
1）加热升温；2）降压扩容。
凝结（放热）
沸腾（吸热）
(饱和状态)
沸点 = 凝结温度 = 饱和温度
三、水的相图（p－t 图）
（三）水的相图(p—T图)
图中，AB线、AC线和AD线分别称为固-液共存的溶解线或凝固线、液-汽共存的汽化线或凝结线和固-汽共存的升华线或凝华线。
三条曲线将水三相图分为固相、液相和气相三个单相区域。三条曲线相交于A点，称为三相点。水的三相点的压力和温度具有确定的数值，分别为：
当压力低于三相点压力PA时，液相不可能存在，而只可能是汽相或固相；
当温度高于三相点温度TA时，固相不可能存在，而只能是液相或汽相。
所以，三相点的压力是最低的液-气两相平衡的饱和压力；三相点的温度是最低的液-气两相平衡的饱和温度。
水蒸气的定压产生过程
湿饱和蒸汽
干饱和蒸汽
一、水蒸气的定压产生过程
（省煤器）
（水冷壁）
（过热器）
5-2 水蒸气的定压产生过程
未饱和水（过冷水）
1、预热阶段参数变化特点
注意比较v0和v′的大小！
注意比较v′和v″的大小！
湿（饱和）蒸汽
干（饱和）蒸汽
为什么水的汽化阶段除了压力不变，温度也保持不变呢？
2、汽化阶段参数变化特点
干度x：湿蒸汽中饱和蒸汽所占的质量百分比。
显然： x+y=1； 湿蒸汽：0&x&1；
饱和水的x=0； 干蒸汽的x=1
湿度y：湿蒸汽中饱和水所占的质量百分比。
湿蒸汽的干度
干饱和蒸汽
过热度：D = t - ts
3、过热阶段参数变化特点
水蒸气定压产生过程中热量的计算
1.水的定压预热阶段：
2.饱和水的定压汽化过程：
3.干蒸汽的定压过热过程：
整个水蒸气产生过程吸热量(1kg水)：
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工程热力学2.ppt 143页
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工程热力学2
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热力学第一定律 一、热力学第一定律的实质 1、表述方式： 1）热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们间的比值是一定的。 2）热可变为功，功也可变为热；一定量的热消失时，必产生一定量的功；消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。 2、热能的本质：是组成物质的分子、原子等微粒的杂乱运动的能量，微粒的杂乱运动就叫做热运动。 3、热能和机械能的当量关系： Q=AJW 式中：AJ为热功当量，国际单位制中AJ=1 4、第一定律的作用： 1）是能量守恒与转化定律在热现象上的应用,是热工计算的主要依据 2）对热力学一般理论的建立和发展也有非常重大的意义。 二、内能 （一）能量与内能
能量是物质运动的度量。按运动形态不同可分
动能：取决于物体宏观运动的速度
位能：取决于物体在外力场中所处的位置
内热能：物体因热运动而具有的能量
热力状态变化过程中不起作用
原子核能：
因此，热力学中把物体的内热能叫做内能
气体的内能：
（1）分子的移动动能
分子的内动能，
（2）分子的转动动能
是温度的函数
（3）分子内部的振动动能
（4）分子间的位能——分子的内位能，是比容和温度
3、内能的单位和表示符号：单位
（二）内能是状态参数 1、状态参数的特征
（1）工质从始状态1变化到终状态2，
其参数的变化量都相等。
（2）工质经过一个循环后，其参数
的变化量为零。
2、内能是状态参数的证明
根据热力学第一定律得：∮dQ=∮dW
∮（dQ - dW）=0 对任意两个循环：1-a-2-c-1和1-b-2-c-1,由上式可得
∫1-a-2 (dQ - dW) + ∫2-c-1(dQ - dW)=0
∫1-b-2 (dQ - dW) + ∫2-c-1(dQ - dW)=0
对比两式，有 ∫1-a-2 (dQ - dW) = ∫1-b-2 (dQ - dW)
dU = dQ – dW 则可得
△U1-a-2=△U1-b-2=
dU=U2 – U1
∮dU=0 符合状态参数的特征，因此U为状态参数。
3、内能是两个独立状态参数的函数
（三）总能量
E=U + EK + EP
对于闭口系统：
三、能量的传递和转化 1、能量的传递方式：（1）作功：有宏观位移
（2）传热：不需要有宏观位移
2、热量和功是过程量 3、热量和功的区别：
作功过程中往往伴随着能量形态的变化
传热过程中不出现能量形态的转化 4、热能转化为机械能的过程
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