第一节 概述
一、本章的主要内容及意义
水蒸气具有良好的膨胀性能与传热性能，并且资源丰富，易于获得，成本低耗资少，无毒无味，不存在污染环境的问题，是热力工程中应用最广泛的工质。除水蒸气外，工程上常用的蒸气还有氨蒸气、氟利昂蒸气等。各种蒸汽的热力学性质尽管各有特点，但具有许多类似之处，其基本概念和分析研究方法是一致的。因此，水蒸气热力学性质的学习掌握对于其它蒸汽的热力学性质的了解也是有益的。讨论水蒸气的热力学性质其核心内容就是要讨论水蒸气各参数之间的关系。在通常情况下，水蒸气分子间的距离较小，分子间的作用力及分子本身的体积不能忽略，其热力学性质与理想气体存在较大差异，不能将理想气体的参数关系式用于水蒸气。由于水蒸气的参数关系式较复杂，不便于工程应用，从而将水蒸气的热力学参数关系绘制成了图表。由已知的水蒸气参数求取未知参数通常均是用水蒸气热力学性质图表来查取。本章的主要内容是水蒸气热力性质的基本概念以及水蒸气热力学性质图表的结构与应用。这些内容是水蒸气热力过程分析计算所必需的理论基础。 二、概念及术语
1、汽化与凝结、蒸发与沸腾
热力工程中要求工质具有良好的流动性，从而主要讨论工质的气态或液态，一般不包括固态，所涉及的相变过程主要是气液两相间的汽化与凝结。由液态变为气态的相变过程称为汽化；由气态变为液态的相变过程称为凝结或液化。汽化有蒸发与沸腾两种方式。蒸发是任何温度下，在液体表面缓慢进行的汽化现象。蒸发是在液体表面一些内动能较大的分子克服表面张力逸出液面变为蒸汽的相变过程。沸腾是在一定温度下，在液体内部剧烈进行的汽化现象。沸腾现象中，在液体内部有大量汽泡产生，沸腾也正是因此而得名。后续内容中的汽化均指沸腾。 水蒸气在密闭容器内，气、液两相平衡共存的状态称为饱和状态。饱和状态宏观上是气、液两相在没有外界作用的条件下，不会发生变化的平衡状态；但微观上是气、液两相之间汽化速度与凝结速度相等，即在同一时间内逸出液面的分子与回到液面的分子数目相等的动态平衡状态。饱和状态下的液体和蒸气分别称为饱和液体与饱和蒸汽。工质处于饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压力与饱和温度。一定的压力对应着确定的饱和温度，或者说，一定的温度对应着确定的饱和压力。饱和状态时，对应于不同的饱和压力存在不同的饱和温度，二者之间不是独立参数，存在一一对应的单值函数关系。饱和压力用p s表示，饱和温度用T s 或t s表示，则：
p s=F（T s）（7-1）该式称为饱和蒸汽压方程。饱和压力愈高，对应的饱和温度也愈高，例如：对于水蒸气，当p s=1atm=0.10325MPa时，t s=100℃；当p s=0.2MPa 时，t s=120.24℃。
nikon d2h3、五种状态
热力工程中常见的水蒸气状态有五种：温度低于相应压力下的饱和温度(t<t s)时的水称为未饱和水；温度等于相应压力下的饱和温度(t=t s)时的水称为饱和水；温度等于相应压力下的饱和温度(t=t s)时的水蒸气称为干饱和蒸汽；温度等于相应压力下的饱和温度(t=t s)时饱和水与饱和蒸汽的混合物称为湿蒸汽；温度高于相应压力下的饱和温度(t>t s)时的水蒸气称为过热蒸汽。其中饱和水，干饱和蒸汽，湿蒸汽均属于饱和状态。同样压力下的饱和水，干饱和蒸汽与湿蒸汽，其温度也一样相同，均为该压力下的饱和温度。但其余参数却各不相同，为了
便于区别，饱和水的参数符号均在右上角加“′”，如v ′，h ′，s ′；干饱和蒸汽的参数符号均在右上角加“″”，如v ″，h ″，s ″；湿蒸汽的参数符号均在右下角加“x ”，如v x ，h x ，s x 。
三、p-T 图(相图)
水的p-T 图(相图)如图7-1所示。图中有三个单相区：固相区、液相区和气相区；三条曲线：汽液两相平衡共存状态
点的联线——汽化线（液化线），液固两相平衡共存状态点
的联线——溶解线（凝固线）和汽固两相平衡共存状态点的联线——升华线（凝华线）。三条曲线相
交于三相点，三相点是三相平衡共存状态点的集合，它可以是单相的饱和固体、饱和液体或饱和气体，还可以是固、液、气三相的混合
物。三相点除压力与温度之外，其余参数如比容、焓、熵等参数则随固、液、气三相的混合比例不同而异。水蒸气三相点的压力与温度具有确定的数值，与固、液、气三相的混合比例无关，分别为：p TP =611.659Pa ，T TP =273.16K 或t TP =0.01°C 。当压力低于三相点的压力p TP 时，液相不可能存在，而只可能是气相或固相。当温度高于三相点的温度T TP 时，固相不可能存在，而只可能是气相或液相。三相点的压力与温度是气液两相平衡共存状态最低的饱和压力与饱和温度。
气相区
B → T 图7-1 水的相图
异形总动员三相点 A c 液相区
固相区
↑p 第二节 水蒸气的定压发生过程
理论上水蒸气的生产过程可以是多种多样的，但工程上应用的水蒸气，通常是在定压条件下，对水加热产生的。下面就以水蒸气的定压发生过程为例，说明水蒸气各种状态之间的关系与基本特性。
一、水蒸气定压发生过程的三个阶段
假设一活塞汽缸内盛有1千克0℃的水，在一定的压力下，对水加热。水蒸气定压发生过程一般可以分为以下三个阶段：
1、预热阶段：即由初始状态0℃的未饱和水加热为相应压力下的饱和水，也即图7-2所示的a-b 阶段。在该阶段，水随着热量的加入，温度逐渐升高，熵值增大，比容也略有增加。当水温升高到相应压力下的饱和温度t s 时，水达到饱和状态，成为饱和水。该阶段水吸收的热量称为液体热或预热热，
用q l 表示。由热力学第一定律可知液体热q l
等于该阶段的焓增，即q l = h'-h a 。
图7-2 水蒸气定压发生过程 2、汽化阶段：即由饱和水加热为干饱和蒸汽，也即图7-2所示的b-d 阶段。在该阶段，对饱和水继续加热，水开始汽化（沸腾），饱和蒸汽的比例不断地增大，温度保持饱和温度不变，比容与熵均增大。这时的水蒸气为汽液两相平衡共存的饱和状态，由初始的饱和水、湿蒸汽一直到终了的干饱和蒸汽，也即由图7-2中的b 状态点到d 状态点的根本不同之处就在于饱和水与饱和蒸汽的比例不同。这些点的压力和温度均一样，但其余参数却各不相同。汽化阶段水蒸气吸收的热量称为汽化潜热，以γ表示，单位为J/kg 。汽化潜热等于该阶段的焓增，即γ= h ″ -h'。
3、过热阶段：即由干饱和蒸汽加热为过热蒸汽，也即图7-2所示的d-e 阶段。对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽的温度、比容与熵均增大，成为温度高于相应压力下饱和温度的过热蒸汽。该阶段水蒸气吸收的热量称为过热热，用q sup 表示。过热热等于该阶段的焓增，即q sup = h e -h ″。过热蒸汽的温度与同压力下的饱和温度之差称为过热度，用D 表示，即D=t-t S 。
综上所述，水蒸气的定压发生过程经历了预热、汽化和过热三个阶段，并先后经历未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态。水蒸气的定压发生过程在p-v 图上，是一条水平线；在T-s 图上，是一条三折线。各参数的变化趋势为：比容、焓、熵均单调增大，温度除了在汽化阶段保持不变外，在预热和过热阶段均增大。显然，饱和水与干饱和蒸汽状态点是三个阶段、五种状态的分水岭。对于任何一个状态只要知道它相对于同压下的饱和水与干饱和蒸汽点的关系就可以确定它是什么状态。
二、不同压力下的水蒸气定压发生过程 如果在p-v 图与T-s 图上，并将不同压力下的饱和水与干饱和蒸汽状态点分别各用一条曲线连接起来，就得到了图7-3中B-C 线以及D-C 线，分别称为饱和水线（或下界线）与干饱和蒸汽线（或上界线），它们分别表示各压力下的饱和水以及干饱和蒸汽状态。 如图7-3所示，不同压力下的水蒸气定压发生过程的特点是随着压力的增加，相应的饱和温度t S 、饱和水的比容v ′和熵s ′均增大；而干饱和蒸汽的比容v ″和熵s ″均减小；饱和水与干饱和蒸汽状态点逐渐靠近，汽化阶段逐渐缩短，汽化潜热γ逐渐减小。不同压力下预热阶段的定压线a 1-b 1，a 2-b 2，a 3-b
3在T-s 图上间距
较小紧贴着饱和水线，未饱和水状态点a 1，a 2，a 3几乎重叠在一起。未饱和水的比容主要取决于温度，压力的高低对其影响不大，在p-v 图上未饱和水状态点a 1，a 2，a 3几乎在同一条定容线上，呈现不可压缩流体的基本特性。
B p >p c p >p c p c T c p c T c d 3
d 1d 1
d 2
d 2d 3
b 2a 3a 2a 1o o a 21
a a 3 C
b 3b 2b 1↑
p C
b 1
B b 3↑
T
→
s D →
v D 图7-3不同压力下的水蒸气定压发生过程
饱和水线与干饱和蒸汽线相交于C 点，称为临界点。此时，饱和水与干饱和蒸汽重合为一点，处于同一状态，具有相同的状态参数，即比容v ′= v ″，熵s ′= s ″，等等。这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差异以及汽化阶段已完全消失。临界状态下的各参数均称为临界参数，其参数符号均在右下角加角标"cr"。临界参数是表征物质特性的重要参数。水蒸气的临界参数值为：p cr 22.064 MPa 、t cr =373.99°C 、νcr =0.003106m 3/kg 、h cr 2085.9 kJ/kg 、s cr =4.4092kJ/(kg ⋅K)。临界压力p cr 与临界温度t cr 是汽液两相平衡共存饱和状态下的最高值。在临界压力p cr 下定压加热到临界温度t cr 时，不存在汽液分界面，为一均匀状态；再加热就直接成为过热蒸汽，不存在汽液共存的汽化阶段。当压力大于临界压力p >p cr 时，液、汽两个单相区之间不存在两相平衡共存的相转变区，两相之间也无明
确的分界。在定压（p >p cr ）条件下加热时，也不再存在汽化阶段，液、汽两相的转变为一连续渐变过程，在状态变化过程中水蒸气总是呈现为均匀状态。习惯上，当压力高于临界压力p >p cr 时，是以临界温度t cr 作为液汽两个单相区的分界，当t <t cr 时为未饱和水；t >t cr 时为过热蒸汽。因此，在任何压力下，当温度高于临界温度t >t cr 时，只可能是过热蒸汽。
p ↑
图7-4水蒸气的p-v 图与T-s 图 过热蒸汽区
过热蒸汽区
湿蒸汽区
未饱和水区
C T c o C ↑
T →
s D →
v o
T c
B
D 湿蒸汽区
未饱和水区
B 三、水蒸气的p-v 图与T-s 图
如图7-4所示，饱和水线C-B 与干
饱和蒸汽线C-D 以及临界温度T cr 定温线分别将p-v 图和T-s 图分为三个区域：
C-B 以及T cr 定温线的左方是未饱和水
区域；C-B 线与C-D 线之间为汽液两相
共存的湿蒸汽区域；C-D 以及T cr 定温线以右为过热蒸汽区域。陈飞林雪梅
综上所述，在表示水蒸气各种状态的p-v图与T-s图上，可归结为一点两线三区五态。一点是临界点C；两线是饱和水线（下界线）C-B与干饱和蒸汽线（上界线）C-D；三区是未饱和水区（液相区）、湿蒸汽区（汽液两相区）和过热蒸汽区（气相区）；五态是未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽五种状态。
第三节 水蒸气热力性质表
一、概述
蒸气的热力学性质与理想气体有较大差别，尽管其p、v、T的关系不满足理想气体状态方程式，水蒸气的热力学能和焓也不象理想气体那样是温度的单值函数，其参数关系式的形式较为复杂，但仍遵循两个彼此独立的状态参数就可以确定一个平衡状态，任何一个状态参数均是另外两个独立参数的函数。尽管目前随着计算机技术的飞速发展以及计算机的日益普及，不仅可以将复杂的水蒸气参数关系式的计算由计算机来完成，并且可以达到非常高的精度，用计算机完成水蒸气参数的确定也已成为一种目前广泛采用的手段。但习惯上，由已知的水蒸气参数求取未知参数仍普遍用水蒸气热力学性质图表来查取确定，而不是直接用复杂的参数关系式计算确定。
对于水蒸气热力过程的分析计算同样需要确定的是热力学能、焓和熵的变化值，不必确定它们的绝对值。因此，可以人为地规定任意状态为热力学能、焓和熵的计算起点，不过计算起点均是选择易于复
现又相对稳定的状态为基准。水蒸气热力学性质图表中热力学能和熵的计算起点是按照国际水蒸气会议的规定，以水的三相点温度（273.16K）和压力（611.659Pa）下饱和水的热力学能u′TP=0kJ/kg；熵s′TP=0kJ/(kg⋅K)。水蒸气热力学能的计算起点确定之后，根据焓的定义式也就可以确定任何状态下的焓焓值。例如：已知在三相点下饱和水的比容v′TP =0.00100021m3/kg、压力p′TP =611.659Pa，根据焓的定义，在三相点下饱和水的焓值为：h′TP =u′TP+p′TP v′TP =0+611.659×0.00100021=0.61J/kg ≈0 kJ/kg。
水蒸气热力学性质图表是专门研究物性的科学工作者按照水蒸气的复杂参数关系式编制的。尽管国际水蒸气会议制定了水蒸气热力性质的骨架表及允差，但由于各种水蒸气热力学性质图表所依据的参数关系式不同，其结果仍会略有差异。常用的水蒸气热力学性质图表有水蒸气的焓熵图与水和水蒸气热力性质表。水与水蒸气热力性质表有两种，一种是饱和水与饱和蒸气的热力性质表；另一种是未饱和水与过热蒸气的热力性质表。
二、饱和水与饱和蒸气的热力性质表
为了使用方便，饱和水与干饱和蒸气的热力性质表又分为以温度为序和以压力为序的两种。如表6-1和6-2所示，在以温度为序的饱和水与饱和水蒸气表中，列出了不同温度对应的饱和压力p s；而在以压力为序的表中则列出了与不同压力对应的饱和温度t s。两种表都列出了不同温度或不同压力下饱和水与干饱和蒸汽的比容（v′与v″）、焓（h′与h″）和熵（s′与s″），以及相应的汽化潜热γ。
表7-1 饱和水与干饱和蒸气的热力性质表（按温度排列）（摘录）
t p v′v″h′h″γs′s″
°C MPa m3/kg m3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/(kg⋅K) kJ/(kg⋅K)
0.01 10 50 100 200 300 0.006117
0.0012279
0.0123446
0.101325
1.55366
8.58308
0.00100021
0.00100034
0.00101216
0.00104344
0.00115641
0.00140369
206.012
106.341
12.0365
1.6736
0.12732
0.021669
0.00
42.00
209.33
419.06
852.34
1344.0
2500.53
2518.90
2591.19
2675.71
2792.47
2748.71
2500.5
2476.9
2381.9
2256.6
1940.1
1404.7
0.0000
0.1510
0.7038
1.3069
2.3307
3.2533
9.1541
8.8988
8.0745
7.3545
6.4312
5.7042
表7-2 饱和水与干饱和蒸气的热力性质表（按压力排列）（摘录）
p t v ′ v ″ h ′ h ″ γ蜗轮蜗杆传动
s ′ s ″ MPa °C m 3/kg m 3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/(kg ⋅K) kJ/(kg ⋅K)0.01 0.10 1.00 10.0 20.0
45.7988 99.634 179.916 311.037 365.789
阅文收购新丽传媒
0.0010103 0.0010432 0.0011272 0.0014522 0.0020379 14.673 1.6943 0.194380.0180260.005870
191.76417.52762.841407.21827.2
2583.722675.142777.672724.462413.05
2392.02257.62014.81317.2585.9
0.6490 1.3028 2.1388 3.3591 4.0153
8.1481 7.3589 6.5859 5.6139 4.9322
表7-1和表7-2仅仅是排序上存在差异，所确定的内容均是饱和水与干饱和蒸气的参数。当已知温度时可由表7-1确定该温度下饱和水与干饱和蒸气的参数；当已知压力时可由表7-2确定该压力下饱和水与干饱和蒸气的参数。
水与水蒸气热力性质表中无热力学能u ，需要时可由u=h-pv 计算。用该式计算热力学能时，应注意表中给出的焓值单位是kJ/kg ，而压力的单位是MPa ，h 与pv 两项之间需先统一单位再求差值。
水与水蒸气热力性质表无专门的湿蒸汽表。对于湿蒸汽的状态参数，可先由表7-1或7-2查出相应温度
或压力下的饱和水与干饱和蒸汽的参数，然后通过计算得出。由于湿蒸汽是由压力、温度相同的饱和水与饱和蒸汽所组成的混合物。同一压力（或温度）下，不同湿蒸汽状态的根本差异就在于其饱和水与饱和蒸汽的比例不同，湿蒸汽的这一特性是用参数干度或湿度来描述的。1kg 湿蒸汽中含有饱和蒸汽的质量称为干度，用x 表示；1kg 湿蒸汽中含有饱和水的质量称为湿度，用y 表示。若用m ′与m ″分别表示湿蒸汽中饱和水与饱和蒸汽的质量，则干度x 与湿度y 分别为：
m m m x ′′+′′
′=
（7-1） m
m m y ′′+′′
= （7-2） 显然，x+y=1，干度x 与湿度y 两者之间不是独立参数。而且，0≤x ≤1；0≤y ≤1。当湿蒸汽为饱和水时，x=0，y=1；当湿蒸汽为干饱和蒸汽时x=1，y=0。湿蒸汽的干度x 愈大，干饱和蒸汽的质量分额愈大，愈接近干饱和蒸汽状态；反之干度x 愈小，愈接近饱和水状态。
对于湿蒸汽由于压力与温度不再是独立参数，不能用压力和温度确定湿蒸汽状态。若已知湿蒸汽的压力（或温度）以及干度x ，则可由相应压力下的的饱和水与干饱和蒸汽的参数计算出湿蒸汽的参数。
因为1kg 湿蒸汽是由（1－x ）kg 饱和水与x kg 干饱和蒸汽混合而成的，因此，1kg 湿蒸汽的各参数就等于（1－x ）kg 饱和水的相应参数与xkg 干饱和蒸汽的相应参数之和，即
v x =(1-x)v ′+xv ″= v ′+x(v ″-v ′) (7-3) h x =(1-x)h ′+xh ″= h ′+x(h ″-h ′) (7-4) s x =(1-x)s ′+xs ″= s ′+x(s ″-s ′) (7-5)
例7-1：确定下列各点的状态（1）p=0.1MPa ，t=110°C ；（2）p=1MPa ，v=0.1m 3/kg ；（3）t=200 °C ，s=2kJ/(kg ⋅K)。
解：（1）由饱和水和饱和蒸汽表查得：p=0.1MPa 时，t s =99.634°C 。 由t=110°C > t s =99.634°C ，可知该状态为过热蒸气
（2）由饱和水和饱和蒸汽表查得：p=1MPa 时，v ′=0.0011272m 3/kg ，v ″=0.19438m 3/kg 由v ′=0.0011272m 3/kg <v=0.1m 3/kg <v ″=0.19438m 3/kg ，可知该状态为湿蒸气 （3）由饱和水和饱和蒸汽表查得：t=200 °C 时，s ′=2.3307kJ/(kg ⋅K)
由s=2kJ/(kg ⋅K)< s ′=2.3307kJ/(kg ⋅K)，可知该状态为未饱和水。 讨论：以同样压力下饱和水与干饱和蒸汽的参数为基准可以判断水蒸气所处的状态。而判断水蒸气所处的状态是查取参数的基础与前提。确定状态之后才能确定用什么表来查取参数。
例7-2求上例（2）湿蒸汽状态下的温度t s 、焓h 、熵s 及热力学能u 。
解：由饱和水和饱和蒸汽表查得：p=1MPa 时，t s =179.916°C ，v ′=0.0011272m 3/kg ，v ″=0.19438m 3/kg ，h ′=762.84 kJ/kg ，h ″=2777.67kJ/kg ，s ′=2.1388kJ/(kg ⋅K)，s ″=6.5859 kJ/(kg ⋅K)。该湿蒸汽状态的干度x 由6-3式有：
kg /m 5116.00011272
.019438.00011272
.01.0v v v v x 3=−−=
′−′′′−= 于是由6-4和6-5式有：
h= h ′+x (h ″-h ′) =762.84+0.5116(2777.67-762.84)=1793.627 kJ/kg s= s ′+x (s ″-s ′) =2.1388+0.5116(6.5859-2.1388)=4.414 kJ/(kg ⋅K) u=h-pv=1793.627-1×106×0.1×10-3=1893.627 kJ/kg 讨论：当湿蒸汽的干度已知时，可直接用式（7-3），式（7-4），式（7-5）计算比容、焓和熵。而该例中所给出的两个独立参数是压力与比容，由于它们也同样确定了一个湿蒸汽的平衡状态，所以其余参数也就确定了。而干度x 是湿蒸汽的一个状态参数，状态一定，它的数值也是确定的。这时需要先用相应已知参数的湿蒸汽参数计算式计算出干度x ，再计算其余参数。人均国民生产总值
三、未饱和水与过热蒸气的热力性质表 如表7-3所示，未饱和水与过热蒸汽的热力性质表是以温度和压力为确定未饱和水与过热蒸汽状态的两个独立变量而编制出了各状态下的比容、焓和熵。表中的黑线是未饱和水与过热蒸汽状态的分界线，黑线以上为未饱和水，粗黑线以下为过热蒸汽。
表7-3 未饱和水与过热蒸汽的热力性质表（摘录）
p 0.1MPa 1MPa
饱和参数 t s =99.634°C
v ′=0.0010431m 3/kg ，v ″=1.6943m 3/kg h ′=417.52 kJ/kg ，h ″=2675.14kJ/kg ，s ′=1.3028kJ/(kg ⋅K)，s ″=7.3589kJ/(kg ⋅K)t s =179.916°C
v ′=0.0011272m 3/kg ，v ″=0.19438m 3/kg h ′=762.84 kJ/kg ，h ″=2777.67kJ/kg ，s ′=2.1388kJ/(kg ⋅K)，s ″=6.5859 kJ/(kg ⋅K)t v h s v h s
°C m 3/kg kJ/kg kJ/(kg ⋅K) m 3/kg kJ/kg kJ/(kg ⋅K) 0.0010003 0.0010044 0.0010121 0.0010227 0.0010359 42.10 125.77 209.40 293.07 376.96 0.1510 0.4365 0.7037 0.9549 1.1925 0.0009999 0.0010040 0.0010117 0.0010223 0.0010355 0.0010511 0.0010692 0.0010901 0.0011140 42.98 126.59 210.18 293.80 377.66 461.95 546.87 632.61 719.36 0.1509 0.4363 0.7033 0.9544 1.1919 1.
4179 1.6339 1.8414 2.0418 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210
1.7448 1.8411 1.9364
2.0311 2.1253 2.2191
2696.2 2736.3 2776.0 2815.6 2855.0 2894.5
7.4146 7.5167 7.6128 7.7041 7.7912 7.8747
0.20025 0.21143
2803.0 2851.0
6.6412 6.7427
水和水蒸气热力性质表无论是“饱和水与饱和蒸汽热力性质表”还是“未饱和水与过热
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