蒸汽性質

通過了解物質的一般分子和原子結構，并將此知識應用于冰，水和蒸汽，可以更好地了解蒸汽的性質。

分子是仍具有可以存在的所有化學性質的任何元素或復合物質中的最小量。分子本身由甚至稱為原子的較小顆粒組成，這些顆粒定義了氫和氧等基本元素。

這些原子元素的特定組合提供了復合物質。一種這樣的化合物由化學式H ₂ O表示，具有由兩個氫原子和一個氧原子組成的分子。

水在地球上如此豐富的原因是因為氫和氧是宇宙中最豐富的元素之一。碳是大量豐富的另一種元素，并且是所有有機物中的關鍵成分。

大多數礦物物質可以三種物理狀態（固態，液態和蒸氣）存在，這三種狀態稱為相。在H ₂ O 的情況下，術語冰，水和蒸汽分別用于表示三相。

冰，水和蒸汽的分子排列仍未完全了解，但考慮分子通過電荷（稱為氫鍵）結合在一起很方便。

分子的激發程度決定了物質的物理狀態（或相）。

三重點

特定物質的所有三相只能在一定溫度和壓力下平衡共存，這被稱為三相點。

H ₂ O 的三相點（冰，水和蒸汽的三相處于平衡狀態）出現在273.16 K的溫度和0.006 112 bar的絕對壓力下。該壓力非常接近理想真空。如果在此溫度下壓力進一步降低，則冰會融化而不是直接升華成蒸汽，而不是融化。

冰

在冰中，分子以有序的點陣型結構鎖定在一起，并且只能振動。在固相中，分子在晶格中的運動是圍繞平均鍵合位置的振動，在該位置上，分子的間距小于一個分子的直徑。

持續增加的熱量使振動增加到一定程度，以至于某些分子最終會脫離其鄰居，并且固體開始融化為液態。在大氣壓下，熔化在0°C發生。壓力變化對熔融溫度的影響很小，對于大多數實際目的，可以將0℃作為熔點。但是，已經表明，每增加一個壓力大氣壓，冰的熔點下降0.0072℃。例如，需要13.9 bar g的壓力才能將熔融溫度降低0.1°C。

破壞晶格鍵以產生相變而又不增加冰的溫度的熱稱為熔化焓或熔化熱。當發生凍結且將等量的熱量釋放回周圍環境時，這種相變現象是可逆的。

對于大多數物質，密度會從固相變為液相時降低。但是，H ₂ O是該規則的一個例外，因為其密度會隨著融化而增加，這就是為什么冰漂浮在水上的原因。

水

在液相中，分子可以自由移動，但由于相互吸引，彼此之間的距離仍然小于一個分子直徑，并且經常發生碰撞。更多的熱量會增加分子攪動和碰撞，從而將液體的溫度提高到沸騰溫度。

的水，液體焓或顯熱（H焓_?F）的水

這是將水的溫度從0°C基準點升高到當前溫度所需的熱能。

在0°C的參考狀態下，水的焓已任意設置為零。然后，相對于此易于訪問的參考狀態，可以確定所有其他狀態的焓。

顯熱曾經是一個術語，因為添加到水中的熱量會引起溫度變化。但是，這些天接受的術語是液體焓或水焓。

在大氣壓（0 bar g）下，水在100°C沸騰，需要419 kJ的能量才能將1 kg的水從0°C加熱到其沸騰溫度為100°C。從這些圖中可以得出，在0°C至100°C之間的大多數計算中，水的比熱容（C _p）值為4.19 kJ / kg°C。

蒸汽

隨著溫度的升高和水接近沸騰狀態，一些分子獲得足夠的動能以達到一定的速度，從而使它們可以暫時從液體中逃逸到表面上方的空間中，然后再回到液體中。

進一步加熱會引起更大的激發，并且具有足夠能量離開液體的分子數量會增加。當水被加熱到沸點時，蒸汽氣泡在其中形成并上升以穿透表面。

考慮到液體和蒸氣的分子排列，邏輯上蒸汽的密度要比水的密度小得多，這是合乎邏輯的，因為蒸汽分子之間的距離更遠。因此，緊鄰水面的空間充滿了密度較小的蒸汽分子。

當離開液體表面的分子數量多于重新進入的分子數量時，水會自由蒸發。在這一點上它已經達到沸點或其飽和溫度，因為它被熱能所飽和。

如果壓力保持恒定，則增加熱量不會使溫度進一步升高，而會使水形成飽和蒸汽。同一系統中沸水和飽和蒸汽的溫度相同，但是蒸汽中每單位質量的熱能要大得多。

在大氣壓下，飽和溫度為100°C。但是，如果壓力增加，這將允許增加更多的熱量并增加溫度，而不會發生相變。

因此，增加壓力有效地增加了水的焓和飽和溫度。飽和溫度和壓力之間的關系稱為蒸汽飽和曲線（見下圖）。

水和蒸汽可以在此曲線上的任何壓力下共存，都處于飽和溫度。在高于飽和曲線的條件下的蒸汽稱為過熱蒸汽：

• 高于飽和溫度的溫度稱為蒸汽過熱度。

• 曲線下方條件下的水稱為過飽和水。

如果蒸汽能夠以與其產生的速率相同的速度從鍋爐中流出，則進一步增加熱量只會增加生產率。如果限制蒸汽離開鍋爐，并且保持熱量輸入速率，則流入鍋爐的能量將大于流出的能量。由于飽和蒸汽的溫度與其壓力相關，因此多余的能量會升高壓力，進而使飽和溫度升高。

蒸發焓或潛熱（H _fg）
這是在沸騰溫度下將水的狀態改變為蒸汽所需的熱量。它不涉及蒸汽/水混合物溫度的變化，并且所有能量都用于將狀態從液體（水）更改為蒸汽（飽和蒸汽）。

過去的潛熱是基于這樣的事實，盡管添加了熱量，但溫度沒有變化。但是，現在公認的術語是蒸發焓。

就像從冰到水的相變一樣，蒸發過程也是可逆的。當蒸汽在較低溫度下遇到任何表面時，在冷凝過程中產生蒸汽的熱量會釋放回周圍的環境。

這可以被認為是用于加熱目的的蒸汽中有用的熱量，因為當蒸汽凝結成水時，就是蒸汽中總熱量的一部分。

飽和蒸汽的焓或飽和蒸汽的總熱量
這是飽和蒸汽的總能量，僅是水的焓和蒸發的焓之和。

飽和蒸汽表
蒸汽表列出了不同壓力下蒸汽的性質。它們是在蒸汽上進行的實際測試的結果。下表顯示了在大氣壓-0 barg至5 barg下的干燥飽和蒸汽的性質。

干燥分數

溫度等于該壓力下的沸點的蒸汽稱為干飽和蒸汽。但是，在設計用于產生飽和蒸汽的工業鍋爐中生產100％干蒸汽的可能性很小，并且蒸汽通常會包含水滴。

在實踐中，由于湍流和飛濺，當蒸汽氣泡沖破水面時，蒸汽空間包含水滴和蒸汽的混合物。

在僅將熱量提供給水并且蒸汽保持與水表面接觸的任何殼式鍋爐中產生的蒸汽通常可包含約5質量％的水。

如果蒸汽的水含量為5質量％，則蒸汽被稱為95％干燥并且具有0.95的干燥分數。

濕蒸汽蒸發的實際焓是蒸汽表中干燥分數（X）和比焓（H _fg）的乘積。濕蒸汽將比干飽和蒸汽具有更低的可用熱能。

實際蒸發焓= H _fg X

因此：
實際總焓= H _f + H _fg X

由于水的特定容積比蒸汽的容積低幾個數量級，因此濕蒸汽中的水滴將占據可忽略的空間。因此，濕蒸汽的比體積將小于干蒸汽：

實際比容= V _g X
其中V _g是干燥飽和蒸汽的比容。

蒸汽相圖

蒸汽表中提供的數據也可以圖形形式表示。下面的圖像說明了水和蒸汽的各種狀態的焓和溫度之間的關系；這被稱為相圖。

當水從0°C加熱到其飽和溫度時，其狀態遵循飽和水線，直到它收到所有的液體焓H _f（A - B）。

如果繼續增加熱量，水會變成水/蒸氣混合物，并繼續增加焓，同時保持在飽和溫度H _fg（B - C）。

隨著水/蒸氣混合物的干燥度增加，其條件從飽和液體管線移至飽和蒸氣管線。因此，在這兩種狀態之間恰好中間的一點上，干燥分數（X）為0.5。同樣，在飽和蒸汽管線上，蒸汽是100％干燥的。

一旦接收到所有的蒸發焓，它便到達飽和蒸汽管線。如果在此之后繼續加熱，壓力將保持恒定，但是隨著過熱的產生，蒸汽的溫度將開始升高（C - D）。

飽和水和飽和蒸汽管線圍繞著一個存在水/蒸汽混合物的區域-濕蒸汽。在飽和水管線左側的區域中僅存在水，而在飽和蒸汽管線右側的區域中僅存在過熱蒸汽。

飽和水和飽和蒸汽管線相遇的點稱為臨界點。隨著壓力增加到臨界點，蒸發焓降低，直到在臨界點變為零為止。這表明水在臨界點直接變成飽和蒸汽。

高于臨界點，蒸汽可被視為氣體。氣態是最擴散的狀態，其中分子具有幾乎不受限制的運動，并且隨著壓力的降低，體積無限制地增加。

臨界點是可以存在水的最高溫度。高于臨界點的恒定溫度下的任何壓縮都不會產生相變。

但是，在低于臨界點的恒定溫度下壓縮會導致蒸汽從過熱區域進入濕蒸汽區域時液化。

臨界點出現在374.15°C和221.2 bar a的蒸汽下。高于此壓力，蒸汽被稱為超臨界蒸汽，沒有明確定義的沸點適用。

閃蒸蒸汽

傳統上，術語“閃蒸蒸汽”用于描述從冷凝水接收器排氣孔和來自疏水閥的開放式冷凝水排放管線發出的蒸汽。在不增加熱量的情況下如何由水形成蒸汽？

只要高壓水（且溫度高于低壓液體的飽和溫度）下降到較低壓力，就會發生閃蒸蒸汽。相反，如果高壓水的溫度低于低壓下的飽和溫度，則不能形成閃蒸蒸汽。在冷凝水通過疏水閥的情況下，通常上游溫度足夠高以形成閃蒸蒸汽。見下圖

考慮一千克冷凝水，壓力為5 bar g，飽和溫度為159°C，該蒸汽通過疏水閥達到0 bar g的較低壓力。在5 bar g的飽和溫度下，一千克冷凝物中的能量為671 kJ。根據熱力學第一定律，疏水閥疏水側流體中所含的能量必須等于高壓側流體中的能量，并構成能量守恒的原理。

因此，一千克低壓流體中包含的熱量也為671 kJ。但是，0 bar g的水只能包含419 kJ的熱量，隨后在低壓側671-419 = 252 kJ的熱量似乎不平衡，就水而言，這可能是被認為是多余的熱量。

多余的熱量使一些冷凝水沸騰成所謂的閃蒸蒸汽，沸騰過程稱為閃蒸。因此，在蒸汽疏水閥的高壓側以一千克液態水存在的一千克冷凝水現在在低壓側以水和蒸汽的形式部分存在。

在最終壓力（產生的閃蒸蒸汽的量P ₂：可以使用所確定的）
的閃蒸蒸汽的比例=（? _?F在P ₁ - （+）? _?F在P ₂）/ ? _FG在P ₂

• P ₁ =初始壓力

• P ₂ =最終壓力

• H _f =液體焓（kJ / kg）

• H _fg =蒸發焓（kJ / kg）

示例：高壓冷凝液溫度高于低壓飽和溫度的情況。
考慮壓力為5 bar g的水，其飽和溫度為159°C時包含671 kJ / kg的熱能。如果然后將壓力降低到大氣壓（0 bar g），則水只能在100°C存在，并且包含419 kJ / kg的熱能。671-419 = 252 kJ / kg的熱能差將在大氣壓下產生閃蒸蒸汽。

產生的閃蒸蒸汽的比例可以認為是過量能量與最終壓力下蒸發焓的比值。

示例：高壓冷凝水溫度低于低壓飽和溫度的情況。
溫度為90°C，即過冷至大氣飽和溫度100°C以下。注意：冷凝水溫度從其飽和溫度大幅下降（在這種情況下為159°C至90°C）通常不可行；它只是用來說明在這種情況下不會產生閃蒸蒸汽的觀點。

在這種情況下，亞飽和水位表顯示，在5 barg和90°C下，一千克冷凝水的液體焓為377 kJ。由于該焓小于大氣壓下（419 kJ）的一千克飽和水的焓，因此沒有多余的熱量可用于產生閃蒸蒸汽。冷凝物僅通過捕集阱，并在相同溫度下保持液態，但在這種情況下壓力較低，即大氣壓。參見下圖。

90°C時水的蒸汽壓為0.7 bar絕對壓力。如果較低的冷凝水壓力小于此壓力，則將產生閃蒸蒸汽。

兩種過程狀態之間能量和質量守恒的原理。
能量和質量守恒的原理使得可以從不同的方向來考慮閃蒸現象。
1 kg冷凝水在159°C和5 bar g下在大氣壓下產生0.112 kg閃蒸蒸汽。可以在下表中示意性地說明。閃蒸和冷凝水的總質量保持在1 kg。