水蒸汽的蒸發和凝結

2011-09-15 楊乃恒 東北大學機械工程與自動化學院

  水在一定的壓力下加熱達到某個溫度,例如沸點溫度或稱飽和溫度Ts 時水就開始沸騰。達到飽和溫度的水稱飽和水,繼續加熱水便逐漸汽化,這時水和蒸汽的溫度保持不變,水完全變成蒸汽時,溫度仍保持不變。這時的蒸汽稱干飽和蒸汽或飽和蒸汽。水還沒完全變成飽和蒸汽之前,飽和水和飽和蒸汽共存,這時的蒸汽稱為濕飽和蒸汽,或稱濕蒸汽。如果對飽和蒸汽再加熱,蒸汽溫度開始上升。這時蒸汽的溫度超過飽和溫度,此時的蒸汽稱作過熱蒸汽。在不同的壓力下,水的飽和溫度也不同,實驗結果表明:水的飽和溫度隨壓力的提高而上升。只有在標準大氣壓力760(×133 Pa)下,水的沸點溫度才是100℃,在其他的壓力下水的飽和溫度可查表獲得。

  假設有一個容器,裝進一定量的水(不裝滿),然后將留在容器中水面上方的空氣抽走,并將容器封閉。空氣抽出后,水面上方不可能是真空狀態,而是充滿了水蒸汽(由水蒸發而得)。水蒸汽分子處于紊亂的熱運動中,它們相互碰撞并和水面碰撞。在和水面碰撞時,有的仍然彈回來,有的就掉進水面變成水分子。水蒸汽的壓力愈大,在單位時間內掉進水里的水蒸汽分子的數目就愈多。另一方面,容器中水的分子在做不停息的熱運動,水面附近動能較大的水分子有可能掙脫水面,變成水蒸汽分子。水的溫度愈高,分子運動愈劇烈,在單位時間內脫離水面的分子就愈多。在一定溫度下,水蒸汽的壓力總會自動穩定在一定數值上,這時進入水面和脫離水面的分子數相等,系統處于平衡狀態,也就是所謂的飽和狀態。飽和狀態下的水稱飽和水;飽和狀態下的水蒸汽稱飽和水蒸汽;飽和蒸汽的壓力成為飽和壓力Ps,飽和液體(或飽和蒸汽)的溫度成為飽和溫度Ts。改變飽和溫度,飽和壓力也會相應的變化。一定的飽和溫度總是對應著一定的飽和壓力;一定的飽和壓力總是對應著一定的飽和溫度。飽和溫度愈高,飽和壓力也愈高。

  由實驗可以測出飽和溫度與飽和壓力的關系,如圖1 所示。當溫度超過一定的數值tK 時,液態水不可能存在,而只可能是水蒸汽,tK 稱為臨界溫度。與臨界溫度對應的飽和壓力PK 稱為臨界壓力。所以臨界溫度和臨界壓力是最高的飽和溫度和飽和壓力。水(或者水蒸汽)的臨界狀態參數值為:

  當壓力低于一定的數值PA 時,液態水也不可能存在,而只能是水蒸汽或者冰。PA 稱為三相點壓力。與三相點壓力相應的飽和溫度tA 稱為三相點溫度。所以三相點壓力和三相點溫度是最低的飽和壓力和飽和溫度。水的三相點溫度和三相點壓力為:

  使1 kg 的飽和水在一定壓力下,完全變成相同溫度的飽和水蒸汽,所需加入的熱量稱為水的汽化潛熱,用符號r 表示,它的單位是kJ/kg。

水的汽化與凝結

  在液體的內部進行汽化的過程稱為沸騰,它必須在一定條件下進行。它的溫度t 要比飽和溫度tS 稍高一些,即液體必須處于過熱的情況下才能沸騰,過熱度Δt=(t- tS)越高,則沸騰愈強烈。在液體表面進行汽化的過程稱為蒸發。蒸發在任何狀態下都在進行。

  當蒸汽與溫度t 低于飽和溫度tS 的壁面接觸時蒸汽就會在壁面上凝結為液體。潤濕性液體(液體對固體壁面的附著能力和液體能否潤濕壁面有關,邊角θ<90°的液體叫做潤濕性液體(如水θ=50°) 的蒸汽凝結時,在壁面上形成完整的液膜,把冷卻面和蒸汽隔開。蒸汽凝結時所放出的潛熱必須要通過液膜才能傳給壁面,膜層凝結時,由于受重力場影響,凝結的液體沿著冷卻壁面向下運動。當蒸汽中混雜空氣或其它不可凝結的氣體時,凝結放熱就要受到影響,因為只有蒸汽才能凝結在冷表面上,而空氣仍將保持氣態,積集在壁面附近,阻止蒸汽向冷壁面的擴散流動影響換熱效果,有真空泵不斷抽氣,空氣的影響會大大減小。