工程热力学例题与习题 第6章 水 蒸 汽
7．1 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)。 7．2 本章难点
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。 7．3 例题
例1：容积为0.6m3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：
p1=3.6bar时，v1\=0.51056m3/kg h1\=2733.8kJ /kg
蒸汽质量 m=V/v1\=1.1752kg 查饱和蒸汽表得：
p2=2bar
'\时，v2=0.0010608m3/kg v2=0.88592m3/kg
'h2=504.7kJ /kg
''h2=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： v1\=vx2
-61
工程热力学例题与习题 '''''?x2v2或v1\=(1?x2)v2 由于v1\?x2v2
\v1x2?\?0.5763
v2取蒸汽为闭系，由闭系能量方程 q??u?w 由于是定容放热过程，故w?0 所以 q??u12?u2?u1 而u=h-pv 故
\) q?(hx2?p2vx2)?(h1\?p1v1'''?x2h2其中：hx2=(1?x2)h2=1773.8kJ /kg
则 q??878.3kJ /kg
Q=mq=1.1752?(-878.3) =-1032.2kJ
例2：p1=50bar t1?4000C的蒸汽进入汽轮机绝热膨胀至
p2=0.04bar。设环境温度t0?200C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：p1=50bar t1?4000C时，h1=3197kJ /kg v1=0.058m3/kg
s1=6.65kJ /kgK
则u1?h1?p1v1=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
p2=0.04bar ，此过程在h-s图上用一垂直线表示，查得h2=2020 kJ /kg v2=0.058m3/kg s2=s1=6.65kJ /kgK
u2?h2?p2v2=1914 kJ /kg
膨胀功及技术功：w?u1?u2=2907-1914=993 kJ /kg
wt?h1?h2=3197-2020=1177 kJ /kg
2）由于损失存在，故该汽轮机实际完成功量为
-62
工程热力学例题与习题 wt'??riwt=0.88?1177=1036 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wt'?h1?h2'，则
h2'?h1?wt'=3197-1036=2161 kJ /kg
''这样利用两个参数p2=0.04bar和h2=2161 kJ /kg，即可确定实际过程'终点的状态，并在h-s图上查得s2=7.12kJ /kgK，故不可逆过程熵产为
?sg?s2'?s2=7.12-6.65=0.47kJ /kgK
作功能力损失?w?T0?s?T0(?sf??sg) 因绝热过程?sf?0
则?w?T0?sg?(273?20)?0.47?137.7kJ/kg
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
W??U?m(u1?u2)
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
v1??xv1???(1?x)v1?(1?0.763)0.001074?0.763?0.6058?0.4643m3/kg
-63
工程热力学例题与习题 h1u1?(1?x)h1??h1???(1?0.763)561.4?0.763?2725.5?2212.6kJ/kg?h1?p1v1?2212.6?0.3?10?0.4643?106?3 ?2074kJ/kg 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??=0.4624时的压力p2=0.4Mpa，温度v2=v2P2t2=143.62℃。由查得的终态参数可计算出终W?m(u2?u1)??0.1(2553.6?2074)?48.0kJ1态的内能u2=2253.6kJ/kg。所以，搅拌轮功为 图7.1 V（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
w?2?pdv?p(v12?v1)
比容值可由“未饱和水与过热蒸汽表”查出，代入上式得
w?3?106(0.085?0.06818)?10?6?50.4kJ/kg
（2）对可逆定压加热过程
-64
工程热力学例题与习题 q??h?h2?h1
由过热蒸气表查得焓值后代入上式得
q?3044.1?2824.3?219.8kJ/kg
若根据水蒸气的h-s图读取v和h的数据亦可得到相近的结果。图中数据连续，且可显示过程，但所读数据不如表中数据准确。
7．4 思考及练习题
1．物质的临界状态究竟是怎样一种状态?
2．水的定压产生过程可分为哪几个阶段，经历哪几种状态，写出它们的名称。
3．对水蒸汽的热力过程和理想气体热力过程 ，在分析方法上有何异同之处。
4．试用水蒸汽的热力性质说明冰刀滑冰的机理。 5．理想气体的内能是温度的单值函数，而实际的内能则与T、v有关，试计算任意两个温度相同而比容不同的状态下蒸气的内能，从而验证上述结论。（取过热蒸气参数）。 6．饱和水蒸气的焓值是否随压力和温度的升高而不断增大？过热蒸气的焓值呢？
7．压力为3.5Mpa，温度为420℃的过热蒸气，在汽轮机中定熵膨胀，如果乏汽恰好的干饱和蒸气，则汽轮机的作功量及乏气的温度各为多少？并将该过程表示在h—s图上。 8．1kg状态为p1=1Mpa，t1=200℃的过热蒸气，在定压下被加热到300℃，试求加热量，容积变化功及内能变化。如果工质为1kg空气，结果又将如何？通过本例的计算，说明对于水蒸气和空气，在处理方法上有何异同之处。
9．利用蒸气与冷水混合来制取开水是常见的方法。现将压力为0.1MPa，干度为0.9湿蒸气，与压力为13Q2图7.2 -65