《工程熱力學》課程中結合典型例子講解液體汽化特性

高寒陽

摘要：汽化是由液態到氣態的過程。使液體發生汽化有兩種方式，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，但在一些應用場合，減壓氣化更加有效。比如超空泡魚雷、對熱敏物料如食物、藥品進行干燥、

關鍵詞：工程熱力學;汽化;教學實例

工程熱力學是高等學校機械工程學科的必修課程。該課程邏輯縝密、概念抽象、公式繁多，一直以來均為高校教學難點之一。我們認為，將枯燥的概念和實際生活相結合，讓實際生活中鮮活的應用實例加深學生對抽象理論的理解，是提高學生興趣、提升教學效果的最為行之有效的方法。在本文中，我們利用工程、生活實例來降解飽和溫度與飽和壓力下發生的汽化現象。

汽化是由液態到氣態的過程。使液體發生汽化有兩種方式，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應高速我們汽化也可以通過降壓來實現。同學往往這種汽化途徑，以及飽和溫度和飽和壓力的一一對應難以理解。我們可以用以下實例來讓同學意識到在有些場合，減壓汽化更為有效，我們可以利用減壓汽化這一現象為生活甚至軍事提供助力：

（1）負壓干燥：是一種將物料置于負壓條件下，并適當通過加熱達到負壓狀態下的沸點或者通過降溫使得物料凝固后通過溶點來干燥物料的干燥方式。負壓蒸發具有的優點有，蒸發溫度低，對濃縮熱敏物料有益;溶液沸點低，可利用低溫熱源，可降低生產費用和投資;最重要的是，負壓干燥可以在較低的溫度下對熱敏物料如食物、藥品進行干燥，保證了此類物質的化學結構不受到高溫破壞。

（2）超空泡魚雷：物體在水下運動時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，移動速度越快，遇到的阻力就越大。當物體在水中高速運動時，在固體和液體的交界面上，壓力會大大降低，有時甚至會產生接近真空的負壓。此時，即使是常溫下，局部的水也會沸騰，形成低壓的微小氣泡（在 0 .02 個大氣壓， 20 ℃ 的水就會沸騰）。利用空泡在水下運動物體周圍形成一種氣體包絡，使流體對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動物體的速度。美國超空泡魚雷最高能夠達到約1549 米/秒，大大超過標準狀態下的水中音速。

但減壓汽化也有其不利之處，我們也要主要到這種現象帶來的危害。最典型的現象就是汽蝕現象對管道閥門的危害。汽蝕現象由閃蒸和空化作用兩階段組成，閃蒸是當液體靜壓低于飽和蒸汽壓，快速形成汽液兩相的現象;而當蒸汽泡的環境壓力升高時，汽泡破裂，蒸汽又變回液相，這就是空化作用。閃蒸產生蒸汽泡，對設備材質已開始有侵蝕破壞作用，而當蒸汽泡破裂，會產生強烈的沖擊力，這種空化作用進一步加速了對設備材質的破壞。

此外，在工程熱力學這一課題講解中，在講解常規工質水屬性的基礎上，增加對其它工質的了解也是十分有益的。例如低沸點有機工質的應用：工業生產所排放的低溫余熱熱能占總產熱量的百分之五十以上。由于沒有有效的回收方法，余熱通常會被直接排放到環境中，對環境造成負面影響，因此對余熱熱能的回收利用已成為節能減排工作的重點。當熱源溫度低于370℃時，以水為工質的蒸汽動力循環已不能有效地回收余熱，采用以低沸點有機物為工質的熱力循環，能有效將低溫熱量轉換為電能。開發環保、價廉、熱性能優異的低沸點有機工質對節能減排具有重要意義和廣闊的應用前景。

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

（杭州電子科技大學機械工程學院 ?浙江杭州 ?310018）