《工程熱力學(xué)》課程中結(jié)合典型例子講解液體汽化特性

高寒陽(yáng)

摘要：汽化是由液態(tài)到氣態(tài)的過(guò)程。使液體發(fā)生汽化有兩種方式，一種是加熱，另一種是降壓。利用加熱使液相氣化是我們常用的手段，但在一些應(yīng)用場(chǎng)合，減壓氣化更加有效。比如超空泡魚雷、對(duì)熱敏物料如食物、藥品進(jìn)行干燥、

關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué);汽化;教學(xué)實(shí)例

工程熱力學(xué)是高等學(xué)校機(jī)械工程學(xué)科的必修課程。該課程邏輯縝密、概念抽象、公式繁多，一直以來(lái)均為高校教學(xué)難點(diǎn)之一。我們認(rèn)為，將枯燥的概念和實(shí)際生活相結(jié)合，讓實(shí)際生活中鮮活的應(yīng)用實(shí)例加深學(xué)生對(duì)抽象理論的理解，是提高學(xué)生興趣、提升教學(xué)效果的最為行之有效的方法。在本文中，我們利用工程、生活實(shí)例來(lái)降解飽和溫度與飽和壓力下發(fā)生的汽化現(xiàn)象。

汽化是由液態(tài)到氣態(tài)的過(guò)程。使液體發(fā)生汽化有兩種方式，一種是加熱，另一種是降壓。比如，從表1中我們可以看到，使水汽化有兩種途徑，一種是在一個(gè)大氣壓下將水加熱到100℃，另一種途徑則為減壓，比如在50℃下將壓力降到0.0123446MPa以下。

利用加熱使液相氣化是我們常用的手段，比如水的沸騰。但飽和溫度和飽和壓力的一一對(duì)應(yīng)高速我們汽化也可以通過(guò)降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。同學(xué)往往這種汽化途徑，以及飽和溫度和飽和壓力的一一對(duì)應(yīng)難以理解。我們可以用以下實(shí)例來(lái)讓同學(xué)意識(shí)到在有些場(chǎng)合，減壓汽化更為有效，我們可以利用減壓汽化這一現(xiàn)象為生活甚至軍事提供助力：

（1）負(fù)壓干燥：是一種將物料置于負(fù)壓條件下，并適當(dāng)通過(guò)加熱達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)下的沸點(diǎn)或者通過(guò)降溫使得物料凝固后通過(guò)溶點(diǎn)來(lái)干燥物料的干燥方式。負(fù)壓蒸發(fā)具有的優(yōu)點(diǎn)有，蒸發(fā)溫度低，對(duì)濃縮熱敏物料有益;溶液沸點(diǎn)低，可利用低溫?zé)嵩矗山档蜕a(chǎn)費(fèi)用和投資;最重要的是，負(fù)壓干燥可以在較低的溫度下對(duì)熱敏物料如食物、藥品進(jìn)行干燥，保證了此類物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)不受到高溫破壞。

（2）超空泡魚雷：物體在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服與水的摩擦所造成的黏性阻力，這種阻力是空氣阻力的800 倍。物體的體積越大，移動(dòng)速度越快，遇到的阻力就越大。當(dāng)物體在水中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在固體和液體的交界面上，壓力會(huì)大大降低，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生接近真空的負(fù)壓。此時(shí)，即使是常溫下，局部的水也會(huì)沸騰，形成低壓的微小氣泡（在 0 .02 個(gè)大氣壓， 20 ℃ 的水就會(huì)沸騰）。利用空泡在水下運(yùn)動(dòng)物體周圍形成一種氣體包絡(luò)，使流體對(duì)物體的浸濕面積減小，物體所承受的阻力大幅度降低，從而極大提高水中運(yùn)動(dòng)物體的速度。美國(guó)超空泡魚雷最高能夠達(dá)到約1549 米/秒，大大超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水中音速。

但減壓汽化也有其不利之處，我們也要主要到這種現(xiàn)象帶來(lái)的危害。最典型的現(xiàn)象就是汽蝕現(xiàn)象對(duì)管道閥門的危害。汽蝕現(xiàn)象由閃蒸和空化作用兩階段組成，閃蒸是當(dāng)液體靜壓低于飽和蒸汽壓，快速形成汽液兩相的現(xiàn)象;而當(dāng)蒸汽泡的環(huán)境壓力升高時(shí)，汽泡破裂，蒸汽又變回液相，這就是空化作用。閃蒸產(chǎn)生蒸汽泡，對(duì)設(shè)備材質(zhì)已開始有侵蝕破壞作用，而當(dāng)蒸汽泡破裂，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力，這種空化作用進(jìn)一步加速了對(duì)設(shè)備材質(zhì)的破壞。

此外，在工程熱力學(xué)這一課題講解中，在講解常規(guī)工質(zhì)水屬性的基礎(chǔ)上，增加對(duì)其它工質(zhì)的了解也是十分有益的。例如低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)的應(yīng)用：工業(yè)生產(chǎn)所排放的低溫余熱熱能占總產(chǎn)熱量的百分之五十以上。由于沒有有效的回收方法，余熱通常會(huì)被直接排放到環(huán)境中，對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，因此對(duì)余熱熱能的回收利用已成為節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。當(dāng)熱源溫度低于370℃時(shí)，以水為工質(zhì)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)已不能有效地回收余熱，采用以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的熱力循環(huán)，能有效將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為電能。開發(fā)環(huán)保、價(jià)廉、熱性能優(yōu)異的低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)對(duì)節(jié)能減排具有重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。

通過(guò)這些工程、生活實(shí)例的講解，同學(xué)們對(duì)飽和溫度和飽和壓力下發(fā)生的汽化現(xiàn)象有著更為深入的理解。懂得促使汽化發(fā)生的條件不僅有升溫，還可以降壓。這些實(shí)例不僅能夠加深理解，還能明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們切實(shí)感受到科技的奇妙之處。

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ?浙江杭州 ?310018）