术语广角
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水,一种神奇的物质。水蒸气,还是,水蒸汽?就从这个问题开始吧(本文得自并受益于全国科技名词委代晓明老师课程中案例的启发以及他的亲自鼓励)。
水,有三种基本相态:气、液、固。液态水的气化(汽化)[或固态水(冰)的升华],会生成水蒸气。特别地,若使用工业锅炉加热水,会获得大量的传热介质——蒸汽(高温、高压、高质量流量,携带大量热能的水蒸气),可应用于各种工业场合,如电力、化工、机械等。
恒压下,将1kg水从0℃加热到沸腾,其将剧烈气化(汽化),水温不再升高(即到达饱和温度,日常所说的“沸点”),这一过程所消耗的热量,称为饱和水的比焓(1个大气压下,为418.68kJ/kg);继续加热,水逐渐蒸发,成为水蒸气(密闭空间内,若气、液两相的水处于动态平衡状态,此时的气态水即饱和蒸汽)。水的饱和温度,随压力上升而上升(0.6082kPa,饱和温度为0℃; 50kPa左右,约80~85℃;1个大气压,100℃;4MPa,200℃)。
恒压下,对1kg饱和温度的水继续加热,使其全部蒸发,会获得湿饱和蒸汽(含有一定水分),对湿饱和蒸汽继续加热,使其所含水全部转化为气体(其间湿饱和蒸汽温度不变),即得到干饱和蒸汽。为将1kg饱和温度的水转化为干饱和蒸汽所消耗的热量,称为汽化热(汽化潜热)。饱和水的比焓与汽化潜热相加,即得到干饱和蒸汽的比焓,其表征了单位质量蒸汽所携带的总能量。
水的诸多参数都随会温度、压强的不同而发生改变。例如:汽化热,101.33kPa下,水的汽化热为2258kJ/kg,随压力增加,汽化热变小。水的比热容,0℃,100kPa下,约为4.15kJ/(kg·K),会随温度、压力变化而改变。卡路里,是一个借助水的热力性质定义的单位——1g水在1个大气压下提升1℃所需的能量,而将卡路里换算为焦耳时,会出现1卡路里相当于4.184~4.19焦耳的不同说法,这取决于换算时所选择的定义(4℃卡路里、15℃卡路里、20℃卡路里、营养学卡路里、热化学卡路里等)。
对干饱和蒸汽继续加热,压力不变,蒸汽温度继续升高,便得到过热蒸汽(生产中常用)。
实际生产中,过热蒸汽经过管输,因损耗、泄漏、设备用热,温度、压力逐渐降低,比焓也有所下降。采用计算机监控气体工质的温度、压力参数,能够利用模型计算出过热蒸汽的比焓值,结合质量流量数据完成能量计量(流量×用热前后流体比焓之差=热量消耗),实时获知用热情况,有利于蒸汽输送设施的维护和节能改进。
当前,对蒸汽基本性质的研究,对于工程应用具有非常重要的意义,但由于试验条件苛刻,难度较大,进展较为缓慢。国际上通过合作,基于对H2O流体(指水和蒸汽)热力性质的试验数据,制订了“普通水物质1985年IAPS热力性质骨架表”(IST-85);在此基础上,制订了国际水和蒸汽性质协会IAPWS公式,最新版为IAPWS-IF97(为国标GB/T 34060-2017《蒸汽热量计算方法》所参考采用),其已成为水和蒸汽热力性质工业计算的基础。
采用工业软件计算蒸汽性质参数,与查表相比,能够更为精确地分析系统的能量效率和“‘火用’[音“用”,手机打字法通常无法输入;也称“有用能”,意指环境条件下可以被利用的能量(存在无法利用的能量,如流动阻力、系统与环境温差造成的损失等)]效率”(某过程中,系统输出有效能量与系统获得的有效能量的比值;对应地,热效率,指输出热量与输入热量的比值)。然而,蒸汽并非理想气体,水和蒸汽的性质数据高度非线性,由于基础数据有限,在边界区域,软件计算的拟合误差不可避免。
水和蒸汽的性质,与水的分子结构及分子间相互作用有关。对水本身的研究,方兴未艾,是一片无垠的原野。
水,由1个氧(O)原子和2个氢(H)原子组成。水分子的立方体结构模型如下图所示:氧原子居于中央,氢原子居于底面2个对角的顶点,三者呈109.5°的夹角(实测104.5°),顶面的另2个对角点,也有2个电子云端点。
组成水的氢、氧元素,分别有其同位素。氢的同位素,为氘(D)、氚(T)。氢与氘的化合物,为重水(分为D2O、HDO)。据某些研究,低氚水(氚含量低于0.015%)具有一定的抗癌、抗氧化作用。氧除了氧-16外,还有氧-17、氧-18:氧-18与H形成的氧-18水,被用作同位素示踪标记原子;更有氘氧-18水(双标记水),能够用于准确测定生理过程中能量代谢的状态。
最后,以下图作为本文的结束。
附:两个概念:1)饱和水蒸气压力:在一定温度下,空气中水蒸气呈饱和状态时水蒸气部分所产生的压力。2)饱和蒸汽压力:饱和状态下的蒸汽的压力。