空气的物理性质

【知识点】湿空气的物理性质；湿空气焓湿图的使用方法及空气参数空气焓湿图确定方法；热湿比的概念及应用；两种不同状态空气混合点的确定方法（几何法和公式法）。【学习目标】了解湿空气的物理性质；掌握湿空气焓湿图的使用方法及空气参数空气焓湿图确定方法；掌握热湿比的概念及应用；掌握两种不同状态空气混合点的确定方法（几何法和公式法）。湿空气是指干空气和水蒸气的混合气体，凡含有水蒸气的空气就是湿空气。在空调工程中，研究与改造的对象是空气环境，所使用的媒介物往往也是湿空气，因而需要对空气的物理性质有所了解。目录8.18.2焓湿图的应用湿空气的物理性质8.1湿空气的物理性质8.1.1湿空气组成湿空气是由干空气（完全不含水蒸气的空气）和水蒸气组成的。干空气是由氮、氧、氩、二氧化碳、氖和其它一些微量气体所组成的混合气体。广泛的测定结果表明，干空气的组成比例是比较稳定的，如表8.1所示。虽然在某些局部范围内，可能因为某些因素的变化，如二氧化碳的含量随植物生长状态、气象条件、海水表面温度、污染状态等有较大的变化，从而使得空气的组成比例有所改变，但是由于其平均含量非常小，其含量的变化对干空气的热工特性影响很小，可以不予考虑。因此，在研究干空气物理性质时，允许将干空气作为一个整体来对待。8.1湿空气的物理性质在湿空气中，水蒸气所占的百分比是不稳定的，常常随着海拔、地区、季节、气候、湿源等各种条件的变化而变化，因为水蒸气在仅有压力变化的情况下就能够液化，而干空气只有其温度降低到一定临界温度以下后才能液化。相对来说，湿空气中的水蒸气数量很少，它来源于地球上的海洋、江河、湖泊表面的水分蒸发，各种生物的代谢过程，以及生产工艺过程。虽然湿空气中水蒸气的含量少，但其变化会引起湿空气干、湿度变化，进而对人体感觉、产品质量、工艺过程和设备维护等都有直接影响，这是不容忽视的；同时，湿空气中水蒸气含量的变化又会使湿空气的物理性质随之变化。因此，从空气调节的角度来说，空气的潮湿程度是我们十分关心的问题。8.1湿空气的物理性质8.1.2湿空气物理性质湿空气的物理性质除和它的组成成分有关外，还决定于它所处的状态。湿空气的状态通常可以用压力、温度、相对湿度、含湿量及焓等参数来度量和描述。这些参数称为湿空气的状态参数。所谓理想气体，就是假设气体分子是一些有弹性的、不占有空间的质点，分子相互之间没有作用力。通风空调工程中所涉及湿空气的压力和温度都可以看作属于这个范畴。因为在热力学中，常温常压下的干空气可视为理想气体；同时，湿空气中水蒸气含量一般很少，只有几克到几十克，在通风空调中应用的湿空气，其中水蒸气的质量份额最大不超过5%，而且湿空气中的水蒸气大多处于过热状态，水蒸气的分压力很小，比容很大。8.1湿空气的物理性质这样干空气可以为理想气体，水蒸气也可视为理想气体，所以湿空气可视为理想气体。因此，湿空气可以应用道尔顿分压力定律，并且也可用理想气体状态方程来表示，即（8-1）（8-2）式中为气体的绝对压力(Pa)；为气体的比容(m3/kg)；为气体的总体积(m3)；为气体的总质量(kg)；为气体的热力学温标(K)；为气体常数[J/(kg·K)]，取决于气体的性质。其中干空气和水蒸气的气体常数分别为：=287J/(kg·K)，=46lJ/(kg·K)。RTPvmRTPVPvVmTRgRqR8.1湿空气的物理性质8.1.2.1压力（1）大气压力大气压力是指大气层在地球表面单位面积上形成的压力称为大气压力。大气压力不是一个定值，它随着各个地区的海拔高度的增加而减小，同时还随着季节、天气的变化而稍有高低的。在北纬45°处的海平面上，空气温度为0℃，所测得的平均大气压力为B=101325Pa，称为一个标准大气压或物理大气压。大气压力不同，空气的状态参数也要发生变化。如图8.1所示。在空调系统中，空气的压力常用仪表测定，但仪表指示的压力不是空气压力的绝对值，而是与当地大气压力的差值，称为工作压力（也叫表压力）。它不能代表空气压力的真正大小，只有空气的绝对压力才是空气的一个基本状态参数。工作压力与绝对压力的关系为：压力=当地大气压力+工作压力8.1湿空气的物理性质需要说明的是，凡是没有特别指明是工作压力的，均应理解为绝对压力。由于大气压力不是定值，因地而异。因此，在设计和运行中应当考虑由于当地大气压的不同所引起的误差修正。由于工作压力是空气压力与当地大气压力的差值，它并不代表空气压力的真正大小，只有绝对压力才是空气的一个基本状态参数。（2）水蒸气分压力水蒸气分压力是指湿空气中水蒸气的分压力，是指湿空气中的水蒸气单独占有湿空气的体积，并具有与湿空气相同温度时所具有的压力。根据气体分子运动论的学说，气体分子越多，撞击容器壁面的机会越多，表现出的压力也就越大。因而，水蒸气分压力的大小也就反映了水蒸气含量的多少。8.1湿空气的物理性质根据道尔顿分压力定律：混合气体总压力等于各组成气体分压力之和。湿空气的总压力就等于干空气分压力和水蒸气分压力之和，即（8-3）式中为湿空气的总压力，即当地大气压（Pa）；为干空气分压力（Pa）；为水蒸气分压力（Pa）。必须指出，湿空气容纳水蒸气的数量、或反映水蒸气含量的分压力是有一定限度的。在一定温度下，空气中的水蒸气含量越多，空气就越潮湿，水蒸气分压力也越大，如果空气中水蒸气的数目超过某一限量时，多余的水蒸气就会凝结成水从空气中析出。因此，湿空气中含水蒸气的分压力大小，是衡量湿空气干燥与潮湿程度的基本指标。由干空气和过热蒸汽组成的湿空气称为未饱和空气；由干空气和饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气，相应的水蒸气分压力称之为饱和水蒸气分压力。qgPPBBgPqP8.1湿空气的物理性质8.1.2.2温度温度是分子动能的宏观结果，是表示湿空气冷热程度的物理量。湿空气中的干空气和水蒸气总是均匀混合的，故湿空气温度与干空气温度均相等。目前国际上常用的有绝对温标（又称开氏温标），符号为，单位为K；摄氏温标，符号为，单位为℃；有的国家也采有华氏温标，符号为，单位为℉。热力学温度是以气体分子热运动平均动能趋于零的温度为起点，定为0K，以水的三相点温度为定点，定义为273.16K，1K即为水三相点热力学温度的。实用的摄氏温度1℃和开氏温度1K的分度是相等的，两者的关系为：≈（8-4）华氏温度1℃和开氏温度1K的分度是不相等的，两者的关系为：（8-5）Ttt16.273115.273Tt273T]32)F([95)C(00tt8.1湿空气的物理性质温度是空气调节中的一个重要参数。当空气受热后其内部分子动能增大，则表现为温度的升高。8.1.2.3湿度空气的湿度决定于空气中所含水蒸气的分量。湿度分为绝对湿度和相对湿度。（1）绝对湿度——在每湿空气中所含有水蒸气的质量，其数值等于水蒸气在其分压力与温度下的密度，是该点水蒸气比容的倒数。根据定义则有：（8-6）由状态方程可得（8-7）3qqkg/mVmdTRmVPqqqTRdpqqq3qqqkg/mTRPd8.1湿空气的物理性质如图8.2所示。绝对湿度使用起来很不方便，因为在水分蒸发和凝结时，湿空气中的水蒸气质量是变化的，而且湿空气的容积还随着温度的变化而变化。因此，即使水蒸气质量不变，由于湿空气容积的改变，绝对湿度亦将相应地变化，因而绝对湿度不能确切地反映湿空气中水蒸气量的多少，或者说绝对湿度只能说明湿空气含水蒸气的多少，不能说明空气的干燥和潮湿程度，也不能说明空气吸收水蒸气的能力。（2）相对湿度——空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气分压力之比，也称为饱和度。相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。根据定义则有：（8-8）由状态方程可得（8-9）%100q.bqPP%100%100q.bqqq.bqqq.bqTRTRPP8.1湿空气的物理性质从上式可知，相对湿度表征空气接近饱和的程度，如果温度发生变化，它们也将相应地随着发生变化。值小，说明空气饱和程度小，即空气越干燥，吸收水蒸气的能力强；值大，说明空气饱和程度大，即空气越潮湿，吸收水蒸气的能力弱。当为100%，说明湿空气饱和；当为0，指的是干空气。8.1.2.4含湿量含湿量是指在湿空气中每kg干空气所含有得水蒸气量称为含湿量。根据定义则有：（8-10）若湿空气中含有1kg干空气及kg水蒸气，则相应地该湿空气质量应为kg。由于干空气和水蒸气在常温常压下都可以当作理想气体，因此能够分别应用理想气体状态方程式。a)kg/kg(dgqmmdd)1(d8.1湿空气的物理性质对于水蒸气（8-11a）对于干空气（8-11b）又由于空气中气体分子得自由度很大，因此湿空气中干空气和水蒸气是均匀混合的，两者具有相同的容积和相等的温度，即、；又知道干空气和水蒸气的气体常数，将其和式（8-11）代入到式（8-10）中，可以得到（8-12a）或（因为）（8-12b）当为定值时，空气中水蒸气的含量只取决于空气中水蒸气分压力的大小，含湿量是随水蒸气分压力的大小而增减的，与在本质上是同一参数。qqqqqTRmVPgggggTRmVPgqVVgqTTa)kg/kg(d622.0gqggqqPPPRPRda)kg/kg(d622.0qqPBPdgqPPBBqPdqP8.1湿空气的物理性质利用相对湿度的定义式（8-8）可得到含湿量的另一表达式如下：（8-12c）另外，对于湿空气（8-13a）对于饱和空气（8-13b）式中为空气的饱和含湿量，单位为。由上面（8-13）两式相比可得：在式（8-14）中B比和大得多，如果把视为1，在工程中应用只会造成2%～3%的误差。因此，相对湿度又可以近似表达为（8-15）a)kg/kg(d622.0q.bq.bPBPda)kg/kg(d622.0qqPBPda)kg/kg(d622.0q.bq.bbPBPdbda)g/kg(d%100qq.bqq.bq.bqbPBPBPBPBPPdd%100q.bqbPBPBddq.bPqPq.bqPBPB%100bdd（8-14）8.1湿空气的物理性质式中为湿空气的饱和湿度比，即饱和度。需要注意：①表示空气接近饱和的程度，也就是空气在一定温度下吸收水分的能力，但并不反映空气中水蒸气含量的多少；而可表示空气中水蒸气的含量，但却无法直观地反映出空气的潮湿程度和吸收水分的能力。②由工程热力学的知识我们知道，饱和水蒸气分压力是温度的单值函数，即。8.1.2.5焓在空气调节工程中，湿空气的状态经常发生变化，常需要确定状态变化过程内热量的交换量。从热工基础可知，在压力不变化的情况下，焓差值等于热交换量。而在空气调节过程里，湿空气的状态变化过程可以看成是在定压下进行的，所以能够用湿空气状态变化前后的焓差值来计算空气得到或失去的热量。bddd)(q.btfP8.1湿空气的物理性质1kg干空气焓和kg水蒸气的焓两者的总和，称为kg湿空气的焓。如果取0℃的干空气和0℃的水的焓值为0，则湿空气的焓表达式如下：（8-16）其中，干空气的焓为；水蒸气的焓。式中——干空气的定压比热，在常温下为，kJ/（kg·℃）；——水蒸气的定压比热，在常温下为，kJ/（kg·℃）；2500——0℃时水的汽化潜热，kJ/kg。将比热代入式（8-16），得到湿空气焓的计算式如下：（8-17a）或（8-17b）d)1(da)kJ/kg(dqghdhhtchgpgtchqpq2500gpcqpc01.1005.1gpc84.1qpca)kJ/kg(d)84.12500(01.1tdtha)kJ/kg(d2500)84.101.1(dtdh8.1湿空气的物理性质在式中是随着温度的变化而变化的热量，称为“显热”。而是0℃时kg水的汽化热，它仅随含湿量的变化，而与温度无关，故称为“潜热”。由此可见，湿空气的焓将随着温度和含湿量的升高而加大，随其降低而减小。在使用焓这个参数时，必须注意25