水蒸汽的蒸发和凝结

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:杨乃恒

  水在一定的压力下加热达到某个温度,例如沸点温度或称饱和温度Ts 时水就开始沸腾。达到饱和温度的水称饱和水,继续加热水便逐渐汽化,这时水和蒸汽的温度保持不变,水完全变成蒸汽时,温度仍保持不变。这时的蒸汽称干饱和蒸汽或饱和蒸汽。水还没完全变成饱和蒸汽之前,饱和水和饱和蒸汽共存,这时的蒸汽称为湿饱和蒸汽,或称湿蒸汽。如果对饱和蒸汽再加热,蒸汽温度开始上升。这时蒸汽的温度超过饱和温度,此时的蒸汽称作过热蒸汽。在不同的压力下,水的饱和温度也不同,实验结果表明:水的饱和温度随压力的提高而上升。只有在标准大气压力760(×133 Pa)下,水的沸点温度才是100℃,在其他的压力下水的饱和温度可查表获得。

  假设有一个容器,装进一定量的水(不装满),然后将留在容器中水面上方的空气抽走,并将容器封闭。空气抽出后,水面上方不可能是真空状态,而是充满了水蒸汽(由水蒸发而得)。水蒸汽分子处于紊乱的热运动中,它们相互碰撞并和水面碰撞。在和水面碰撞时,有的仍然弹回来,有的就掉进水面变成水分子。水蒸汽的压力愈大,在单位时间内掉进水里的水蒸汽分子的数目就愈多。另一方面,容器中水的分子在做不停息的热运动,水面附近动能较大的水分子有可能挣脱水面,变成水蒸汽分子。水的温度愈高,分子运动愈剧烈,在单位时间内脱离水面的分子就愈多。在一定温度下,水蒸汽的压力总会自动稳定在一定数值上,这时进入水面和脱离水面的分子数相等,系统处于平衡状态,也就是所谓的饱和状态。饱和状态下的水称饱和水;饱和状态下的水蒸汽称饱和水蒸汽;饱和蒸汽的压力成为饱和压力Ps,饱和液体(或饱和蒸汽)的温度成为饱和温度Ts。改变饱和温度,饱和压力也会相应的变化。一定的饱和温度总是对应着一定的饱和压力;一定的饱和压力总是对应着一定的饱和温度。饱和温度愈高,饱和压力也愈高。

  由实验可以测出饱和温度与饱和压力的关系,如图1 所示。当温度超过一定的数值tK 时,液态水不可能存在,而只可能是水蒸汽,tK 称为临界温度。与临界温度对应的饱和压力PK 称为临界压力。所以临界温度和临界压力是最高的饱和温度和饱和压力。水(或者水蒸汽)的临界状态参数值为:

  当压力低于一定的数值PA 时,液态水也不可能存在,而只能是水蒸汽或者冰。PA 称为三相点压力。与三相点压力相应的饱和温度tA 称为三相点温度。所以三相点压力和三相点温度是最低的饱和压力和饱和温度。水的三相点温度和三相点压力为:

  使1 kg 的饱和水在一定压力下,完全变成相同温度的饱和水蒸汽,所需加入的热量称为水的汽化潜热,用符号r 表示,它的单位是kJ/kg。

水的汽化与凝结

  在液体的内部进行汽化的过程称为沸腾,它必须在一定条件下进行。它的温度t 要比饱和温度tS 稍高一些,即液体必须处于过热的情况下才能沸腾,过热度Δt=(t- tS)越高,则沸腾愈强烈。在液体表面进行汽化的过程称为蒸发。蒸发在任何状态下都在进行。

  当蒸汽与温度t 低于饱和温度tS 的壁面接触时蒸汽就会在壁面上凝结为液体。润湿性液体(液体对固体壁面的附着能力和液体能否润湿壁面有关,边角θ<90°的液体叫做润湿性液体(如水θ=50°) 的蒸汽凝结时,在壁面上形成完整的液膜,把冷却面和蒸汽隔开。蒸汽凝结时所放出的潜热必须要通过液膜才能传给壁面,膜层凝结时,由于受重力场影响,凝结的液体沿着冷却壁面向下运动。当蒸汽中混杂空气或其它不可凝结的气体时,凝结放热就要受到影响,因为只有蒸汽才能凝结在冷表面上,而空气仍将保持气态,积集在壁面附近,阻止蒸汽向冷壁面的扩散流动影响换热效果,有真空泵不断抽气,空气的影响会大大减小。

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