水蒸汽的性质

水蒸汽的性质

水蒸汽的性质是热力学和工程领域的重要研究内容。本文详细介绍了饱和蒸汽的物理特性、蒸汽表中的热力学参数及其单位，并引用了国际水和水蒸气性质协会（IAPWS）发布的工业用水和水蒸汽热力性质计算公式（IAPWS-IF97）。

饱和蒸汽的物理特性

饱和蒸汽每一个状态点的热力学特性参数是固定的，所以我们可以使用蒸汽表来查询不同蒸汽压力所对应的温度、比容（v）、密度（ρ）、热焓（h）和熵（s）等。

理解蒸汽表中的热力学参数及单位

1. 压力

上述蒸汽表中的压力是指绝对压力，而绝对压力（bara）=相对压力（表压barg）+大气压（1bar），因此，如果知道管道上压力表读数是5barg，那我们查蒸汽表时，需要查6bar(a)对应的参数。在我国，一般把气体的压力用'公斤'描述。

在海平面气压称为1个大气压, 即1atm,它等于760mmHg压力。

• atm: 标准大气压
• 1atm=0.101325MPa
• =101.325kPa
• ≈1bar
• at:工程大气压
• 1at=1kg/cm²
• =0.0980665MPa
• ≈100kPa
• =1bar。

2. 比容

单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号'v'表示，单位为m³/kg,其数值是密度的倒数，即v=1/ρ，由压力与温度所决定。

3. 比重量

比重就是密度，单位体积中物体的质量，用kg/m³表示，ρ=1/v

4. 蒸汽比焓

单位质量蒸汽中所含的热量称为比焓，也称热焓值，用符号'h'表示，单位为kJ/kg或kcal/kg。

1kcal=1大卡
=4.184千焦(kJ)

这里介绍三个不同的热焓值：

• hf = 液体焓 (显热)

• 水在液态下，把它的温度从0℃提高到可以汽化的温度，这个阶段吸收的热量称为水的液体焓或显热。

• 我们把0℃的水的焓定义为零，于是其它状态的焓就可以根据其参考状态得出。

• 在大气压下(0 bar g)，水在100℃时沸腾，把1kg水从0℃加热到100℃需要吸收419 kJ热量。由此可以推导出水的比热容Cp是4.19 kJ/(kg·℃)。

• hfg = 蒸发焓(潜热)：

• 蒸发焓有时也用r表示

• 在沸腾温度下水变成蒸汽所需要吸收的热量，期间，水和蒸汽的混合物温度不上升，所有的能量都用来把水由液态变为气态，即饱和蒸汽。

• 正如从冰到水的相变过程，蒸发的过程也是可逆的。当蒸汽遇到较低温度的表面时，蒸汽冷凝会放出同样多的热量。

• 当蒸汽作为加热用途时，通常就是利用这部分热量，也就是从蒸汽冷凝成凝结水所释放的热量。

• hg = 饱和蒸汽的总焓 (总热量)

• 这是指饱和蒸汽的总能量，它是水的焓值和蒸发焓的总和。

• 理论上，蒸汽焓（hg）应该等于相同温度下液体焓（hf）加上汽化热（hfg），这一关系可以用下面的公式表示：

• hg = hfg⁺hf

• 然而，在实际情况中，这种关系并不总是成立，因此，我们发现GB/T34060中的蒸汽焓不等于汽化热和液体焓之和。原因如下：

• 温度和压力的影响

• 温度和压力的变化会对汽化热和液体焓产生显著影响。例如，随着温度的升高，汽化热通常会减少，而在接近临界点时，汽化热甚至会趋近于零。这意味着在不同条件下，汽化热并不是一个常数，因此不能简单地将其与液体焓相加来获得蒸汽焓。

• 实际测量和理论计算的差异

• 在实际应用中，蒸汽焓通常是通过实验测量或者理论模型（如IAPWS-IF97）计算得出的。这些方法已经考虑到了相变过程中各种复杂因素的影响，比如非理想效应和过渡区的行为。而单纯将汽化热和液体焓相加并不能完全反映这些复杂因素，从而导致与实际测量值存在差异。

• 相变过程中的非理想行为

• 在相变过程中，尤其是在接近临界点附近，物质表现出强烈的非理想行为。此时，界面逐渐消失，汽液两相的性质趋于一致，传统的相变理论不再适用。这就使得简单的将汽化热和液体焓相加无法准确描述蒸汽焓。

5. 比熵：

熵是工程热力学中的一个状态参数。熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向和大小。熵的变化只与其始末状态有关，与达到这一状态的过程无关。当系统的熵增大时，系统从外界吸热。当系统的熵减小时，系统对外界放热。而1kg工质的熵，便是比熵。

可以简单的认为：熵值=焓值/温度

举例：

在大气压力下，根据蒸汽表可知道将1kg的水蒸发成蒸汽需要加入2256.54kJ的热量。因为这个过程发生在恒定温度373.15K（即100℃），因此蒸发线的平均温度也是373.15 K。

从饱和水到饱和蒸汽过程比熵的变化为：

2256.54/373.15=6.0473kJ/(kg·K)

水蒸气的计算

水蒸汽的计算一般都是按照国际水和水蒸气性质协会（The International Association for the Properties of Water and Steam，简称 IAPWS）发布的工业用水和水蒸汽热力性质计算公式 IAPWS-IF97。包括规范GB/T34060也是引用的IAPWS-IF97计算数据和计算方法。