第二章 温度、热量与能量（七）---潜热

2.7 潜热Latent Heat2.7.1 定义潜热Latent Heat是指物质在发生相变过程中在温度保持不变理想相变条件下时吸收或释放的热量。例如标准大气压下水由100 ℃液态变为100 ℃水蒸气冰由0 ℃固态变为0 ℃液态。整个过程中虽然持续吸收热量但温度保持不变这部分热量就是潜热。Latent 的本义是潜藏的、隐藏的。之所以称为潜热是因为它不会表现为温度变化而是隐藏在物质的相态变化之中。2.7.2 为什么吸收热量后温度却不升高前面已经知道温度反映的是分子平均热运动的剧烈程度。而潜热对应的能量并没有继续增加分子的平均动能。它主要用于改变分子之间的相互作用。以液态水汽化为例液态时水分子之间存在较强的吸引作用彼此距离较近。液态 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●当继续加热到沸腾时输入的能量不断削弱分子间作用力使分子逐渐脱离液体束缚最终形成气体。气态 ● ● ● ● ●在这一过程中分子平均运动速度变化不大因此温度基本保持不变分子之间距离增大势能增加。因此潜热本质上主要对应分子势能的变化而不是平均动能的变化。2.7.3 潜热有哪些类型根据相变形式不同潜热可分为多种类型。相变过程潜热名称固 → 液熔化潜热Latent Heat of Fusion液 → 固凝固潜热液 → 气汽化潜热Latent Heat of Vaporization气 → 液冷凝潜热固 → 气升华潜热气 → 固凝华潜热对于 Fluent 来说最常见的是汽化潜热冷凝潜热。因为它们广泛用于蒸发沸腾冷凝汽蚀制冷工质相变。2.7.4 潜热如何计算潜热通常表示为其中潜热Jm发生相变的质量kgL单位质量潜热J/kg可以看到潜热只与发生相变的质量有关与温度变化无关。2.7.5 潜热是不是一个固定值很多教材会直接给出水2257 kJ/kg实际上这只是特定压力条件下的数值。潜热会随着压力变化而变化。例如压力升高汽化潜热通常减小压力降低汽化潜热通常增大。继续升高压力当达到临界点时液相和气相之间不再存在明显界面。此时液体与气体已经无法区分相变消失潜热趋近于零。因此潜热并不是一种固定不变的物性而是与压力以及对应的饱和状态密切相关。这一点对于制冷剂和超临界流体尤为重要。2.7.6 潜热与焓的关系前面已经知道显热对应温度变化↓焓变化。潜热其实也是焓变化。区别在于类型温度焓显热改变改变潜热不变理想相变改变因此潜热就是相变前后两种状态之间的焓差。例如100 ℃液态水↓100 ℃水蒸气二者温度相同。但是蒸汽焓远高于液体焓。二者差值就是汽化潜热。这一结论非常重要因为它正是 Fluent 计算潜热的理论基础。2.7.7 Fluent 中为什么不用直接输入潜热很多人在 Fluent 中都会看到Standard State Enthalpy却找不到Latent Heat原因就在于Fluent 并不是把潜热作为一个独立参数。而是根据自动计算。其中气相标准状态焓液相标准状态焓。因此只要正确设置各相的标准状态焓软件就能够自动得到潜热。2.7.8 易混淆概念潜热期间温度一定完全不变吗理论上对于纯物质、恒压条件下的平衡相变温度保持不变。但在实际工程中由于压力变化非平衡相变多组分混合数值离散计算过程中可能出现一定的温度变化。因此温度不变是经典热力学中的理想情况。2.7.9 本节小结潜热是物质发生相变时在理想情况下温度保持不变而吸收或释放的热量。潜热主要对应分子间作用力变化引起的势能变化而不是平均动能变化。潜热可表示为 (QmL)其中 (L) 为单位质量潜热。潜热本质上就是相变前后两种状态之间的焓差。Fluent 通常不直接输入潜热而是通过液相和气相标准状态焓的差值自动计算潜热。