对热工学基础中水蒸气一章教学内容的探讨

热工学基础是暖通制冷和热能动力工程专业的核心专业基础课，对学好专业起着至关重要的作用，而这其中水蒸气一章又是重中之重，他不仅在热能动力工程中应用广泛，而且也大量用于暖通空调中。这是因为水蒸气具有良好的热力性质，并且具有极易取得、价格低廉、对人体无害、对环境没有污染等众多优点。因此，指导学生学好本章内容，对提高本专业学生素质、打下坚实专业基础有着十分重要的作用。

一、搞清楚水蒸气的性质

气体在热工学基础中分为理想气体和实际气体，那么水蒸气到底属于那一类。首先理想气体是一种假象气体，他必须满足两个假定条件：一是气体分子本身不占有体积；二是气体分子间没有相互作用力。在实际应用中，实际存在的气体不可能完全符合理想气体的假定条件。但对于压力不是太高、温度不太低、体积比较大且距离它的液体状态较远的气体，做这样的假想完全能满足工程精度的要求。可以完全认为是理想气体。例如氧、氢、氮、一氧化碳等这些气体都可以视为理想气体。但是工程上应用的水蒸气，大多是刚刚脱离液态或离液态较近，其分子之间的相互作用力及分子本身所占有的体积均不能忽略，因此，不能把水蒸气当作理想气体来看待，应视为实际气体。由于水蒸气的性质比理想气体复杂的多，所以描述他的实际气体状态方程式往往十分复杂，应用起来很不方便。在工程计算中都是用水蒸气表或焓熵图来确定状态参数值的。水蒸气的图表都是通过大量实验，并结合理论公式的分析计算而得到的。为了能熟练的掌握应用水蒸气图表确定水蒸气状态参数，必须弄清一些有关水蒸气基本概念和水蒸气的产生过程。

二、理解有关水蒸气的基本概念

有关水蒸气的基本概念较多，但只要认真听讲都很好理解。比如，水的状态有三种，即气、液、固三种。这三种状态随温度和压力的改变是可以相互转化的。例如，在一标准大气压常温下，水是液态，但是当温度升高到100℃时，水就变成水蒸气成为气态，而当温度降到0℃时，水就要结冰成为固态。根据水的状态变化就产生了汽化与液化的概念。其中由水变成水蒸气的过程叫汽化，汽化形式又分为蒸发和沸腾。由水蒸气变成水的过程叫液化。液化速度取决于蒸汽的压力，而汽化速度取决于液体的温度。当汽化速度和液化速度相等时，虽然液化和汽化仍在进行，但气相空间的蒸汽分子数不再增加，气液两相处于动态平衡，这种状态称为饱和状态；此状态下的蒸汽称为饱和水蒸汽；液体称为饱和液体；蒸汽的压力称为饱和压力；汽、液的温度称为饱和温度。

三、掌握水蒸气的定压发生过程

通过对水蒸气的定压发生过程的学习，使得同学们从根本上理解水蒸气表和水蒸气焓熵图的绘制原理。目前工程上所用的水蒸气都是在锅炉中把水在一定的压力下加热产生的。水蒸气的定压发生过程一般包括三个阶段：水的预热过程，饱和水的汽化过程和饱和蒸汽的过热过程。

水的预热过程是将水在一定的压力下由未饱和水加热到饱和水的过程。在一定压力下，水开始加热，此时水的温度低于该压力下的饱和温度，此时的水叫未饱和水；继续加热，当温度达到该压力下的饱和温度时，水温就不再升高，此时的水叫饱和水。

饱和水的汽化过程是将饱和水在一定的压力下加热到饱和蒸汽的过程。对饱和水继续加热，饱和水开始沸腾，在定温下产生蒸汽而形成饱和水和饱和蒸汽的混合物，这种混合物称为湿饱和蒸汽。再继续加热，饱和水全部汽化为蒸汽，这种蒸汽称为干饱和蒸汽。

饱和蒸汽的过热过程是将干饱和蒸汽在一定的压力下加热到过热蒸汽的过程。对干饱和蒸汽继续加热，其温度进一步升高，此时的蒸汽称为过热蒸汽。

从以上可以看出，在压力一定时，水在加热过程中共经历了五种状态：未饱和水状态、饱和水状态、湿蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。若在不同的压力下重复上述试验，可得到相似的汽化过程，依此类推。将其不同压力下的发生过程分别表示在p-v图与h-s图上，将不同压力下饱和水的状态点相连成一条曲线称为饱和水线，或者下界线；将不同压力下的饱和蒸汽状态点连成一条曲线，称为饱和蒸汽线，或者上界线。随着压力的升高下界线和上界线之间的距离越来越短，当达到某一压力时，气化过程将缩为一点，该点称为临界点。在临界点上，饱和水、湿蒸汽、饱和蒸汽的共为一点，也就是达到了汽水无法区别的状态。此压力称为临界压力，此温度称为临界温度。

从上面的分析可以看出：水的定压发生过程可以概括为： 一点（临界点），两线（饱和水线，饱和蒸汽线），三区（未饱和水区，湿蒸汽区，过热蒸汽区），五状态（未饱和水状态，饱和水状态，湿蒸汽状态，干饱和蒸汽状态，过热蒸汽状态）。

四、熟练掌握水蒸气基本热力过程的计算

为了解决热工计算问题，人们经过大量的实践得出实验数据，通过两种方法解决水蒸气状态参数问题，分别是水和水蒸气表、焓熵图。尤其是焓熵图应用最为广泛，适用性最强。在h-s图中主要有饱和水线、定压线、定温线、定容线、定干度线、定焓线和定熵线。要求学生熟练掌握该图的查法。通过例题练习掌握用h-s图查水蒸气的参数的方法。并掌握水蒸气的基本热力过程，能够通过焓熵图熟练计算水蒸气的热力过程。

参考文献：

[1]刘春泽.热工学基础[M].北京：机械工业出版社，2004-01.

[2]王修彦.工程热力学[M].北京：机械工业出版社，2008-01.

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