[工学]化工热力学总复习

《[工学]化工热力学总复习》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]化工热力学总复习（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、化工热力学Chemical Engineering Thermodynamics 鄢 浩 上海大学环境与化学工程学院化工系E-mail:hao-1 绪论 2 流体的 P-V-T 关系 3 纯流体的热力学性质 4 流体混合物的热力学性质 5 化工过程的能量分析 6 蒸汽动力循环与制冷循环 7 相平衡内容第二章 流体的 P-V-T 关 系（PVT，Cp，Cv，EOS）第三章 流体的热力学性质 （H,S,U难测，由EOS,Cp,Cv 得到）第四章 流体混合物的热力 学性质( )第七章 相平衡 （相平衡的判据）第五章 化工过程能 量分析（H,U,S,W）第六章 蒸气动力 循环和制冷循环给出 物质 有效

2、 利用 极限给出 能量 有效 利用 极限第二章 流体的 P-V-T 关系一 纯物质的P-V-T关系二 气体的状态方程三 对比态原理及其应用四 真实气体混合物的P-V-T关系五 流体的饱和热力学性质主要内容纯物质的P-T图C从A点到B点，即 从液体到气体，但 没有穿过相界面， 这个变化过程是渐 变的的过程，不存 在突发的相变。超临界流体纯物质的P-V图PC VC 饱和汽相线饱和汽相线液/汽液汽气CT1 AT2BT3等温线在两相区 的水平段随温度的 升高而逐渐变短， 到临界温度是最后 缩成一点C。临界点C等温线在临界点处是一个水平拐点，其 斜率和曲率均为零。数学上的表达式为：状态方程的分类（1）理

3、想气体状态方程；（2）立方型状态方程； （3）多参数状态方程 （Virial（维里）方程）f ( P, T, V ) = 0状态方程式：关联平衡状态下任何纯物质均相流体的 压力 比容和温度三者之间关系的函数式1.假定分子的大小如同几何点一样，分子间不存在相互作用力，由这样的分子组成 的气体叫做理想气体。2.在极低的压力下真实气体非常接近理想气体，可以当作理想气体处理。在较低压 力和较高温度下可用理想气体方程进行计 算。理想气体P为气体压力；V为摩尔体积； T为绝对温度；R为通用气体常数； Z为压缩因子。理想气体状态方程是最简单的状态方程式1.van der Waals 方程 是第一个适用于实际

4、气体的状态方程2.Redlich - Kwong ( RK )方程考虑到温度的影响，式中a，b 为RK 参数， 与流体的特性有关，可以用下式计算：其它立方形状态方程式SRK方程PR方程求解方法求解方法：迭代法迭代法RK方程求解方法求解方法计算步骤1 设初值Z(通常用理想气体为初值，即Z1）2 将Z代入 计算h。3 将h代入Z展开式求Z。4 比较前后两次Z值，误差达到允许范围结束，否则重新从2开始。Virial系数都具有一定的物理意义。Virial 方程宏观上，Virial 系数仅是温度的函数。对比参数与偏心因子偏心因子：偏心因子的物理意义为：其值的大小，是反映 物质分子形状与物质极性大小的量度

5、。球形分 子(Ar、Kr、Xe等)=0；非球形分子0。 普遍化关系式所谓普遍化状态方程是指用对比参数 Tr 、Pr、 Vr 代替变量T、p、V，消去状态方程中反映气体特性 的常数，适用于任何气体的状态方程。（1）.是以压缩因子的多项式表示的普遍化关系式(简称 普压法)。 ZPV/RT（2)是以两项维里方程表示的普遍化第二维里系数关系式 (简称为普维法)真实气体的PVT关系通过混合规则用纯物质性质来预测或推算混合物性质。典型混合规则表达式立方型状态方程（RK方程）第三章 流体的热力学性质主要内容一 热力学性质间的关系 二 热容 三 热力学性质的计算 四 逸度与逸度系数 五 两相系统的热力学性质

6、及热力学图表（T-S图表 ，H-S图表，P-H图表）本章小结一 基本概念和公式1.热力学性质间的关系（1)四大微分方程 （2)Maxwell关系式：可测热力学 性质与非可测热力学性质相联系的 桥梁。 （3)热力学函数的导数关系 （4)四个函数定义式可直接计算热力学性质熵 基本定义式（1)温度一定（3)理想气体（2)压力一定（4)液体本章小结焓 基本定义式（1)温度一定（3)理想气体（2)压力一定（4)液体本章小结本章小结2.热力学性质的计算（1)剩余性质 MR = M - M* 式中M与M*分别为在相同温度和压力下 ，真实气体与理想气体的某一广度热力学性 质的摩尔值，如V、U、H、S和G等。1

7、.计算理想气体的焓熵值 2.计算剩余焓与剩余熵值真实气体的焓熵的计算本章小结用PVT数据计算剩余焓和剩余熵的公式：剩余性质的计算是真实流体焓变和 熵变计算的关键。状态方程普遍化关系维里方程立方型状态方程普遍化维里系数法普遍化压缩因子法剩余焓熵的计算本章小结本章小结二 两相系统的热力学性质及热力学图表1.单组分系统两相成平衡时混合物的摩尔性质x为气相的质量分数(品质或干度）；M为单位 质量的某一热力学性质；Ml为单位质量饱和液体 的热力学性质；Mg为单位质量饱和蒸汽的热力学 性质。本章小结2.热力学图表 （1)方程式：可用分析法进行微分，其 结果较图解法精确，但浪费时间。（2)表：能给出确定点的

8、精确值，但要 适用内插法，比较麻烦。（3)图：容易内插求出中间值，对问题 的形象化也有帮助，但主要缺点是精度 不高。第四章流体混合物的热力学性质1 变组成体系热力学性质间关系 2 化学位和偏摩尔量 3 混合物的逸度与逸度系数 4 理想溶液和标准态 5 活度与活度系数 6 混合过程的性质变化 7 超额性质 8 活度系数与组成的关联主要内容变组成体系热力学性质间的关系不产生电功，磁功，表面功等情况下，适 用于变组成体系的热力学关系式。化学位i组分的化学位nj表示除i组分以外的其余组分的 物质的量都保持不变在恒温恒压下，物质的广度性质随某 种组分i摩尔数的变化率，叫做组分i的偏 摩尔性质。偏摩尔性质

9、偏摩尔自由焓为化学位 偏摩尔性质与化学位偏摩尔性质与溶液摩尔性质间的关系 对多元体系：偏摩尔性质与溶液摩尔性质间的关系 对于二元溶液，摩尔性质和偏摩尔性质间 有如下关系：或或Gibbs-Duhem 方程二元系等温、等压条件下Gibbs-Duhem 方程的一般形式当T、P恒定时逸度与逸度系数有三种逸度及逸度系数，它们分别是：溶液性质 偏摩尔性质 二者关系式 混合物的逸度与其组分逸度之间的关系Gibbs-Duhem 方程逸度的计算1.纯物质逸度系数的计算a.用状态方程计算逸度系数b.用对比态原理计算逸度系数混合物中分逸度系数的计算混合物中组分的分逸度系数的计算式（T,y恒定）a.用维里方程计算分逸

10、度系数b.用RK方程计算组分逸度系数压力和温度对逸度的影响（1）压力对逸度的影响 压力对纯组分逸度的影响 压力对混合物中组分逸度的影响压力和温度对逸度的影响（2）温度对逸度的影响 温度对纯组分逸度的影响 温度对混合物中组分逸度的影响理想溶液理想溶液表现出特殊的物理性质 ，主要的特征表现在四个方面：分子结构相似，大小一样；分子间的作用力相同；混合时没有热效应；混合时没有体积变化。1.定义理想溶液，则有 理想溶液理想溶液的逸度与标准态（1）以Lewis-Randall定则为基础规定标准态（2）以Henry定律为基础规定标准态对理想溶液 对非理想溶液，此式不成立。 非理想溶液活度的定义对于理想溶液活

11、度系数活度与活度系数混合过程的性质变化混合过程的摩尔性质变化混合过程的偏摩尔性质变化混合过程自由焓变化理想溶液的混合性质变化超额性质在相同T,P,x下，真实溶液与理想溶液的热力学性质之差值。 超额性质对体积、内能和焓来说，体系的 超额性质和其混合性质是一致的，而 对于熵和与熵有关的函数，它们的超 额性质不等于其混合性质。超额自由焓GE第五章 化工过程的能量分析一 能量转化与守恒方程二 功热间的转化三 熵函数四 理想功、损失功与热力学效率五 有效能的定义及计算主要内容本章小结一 热力学第一定律1.封闭体系的能量平衡方程本章小结2.稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动是指流体流动途径中所有各点的 状

12、况都不随时间而变化，系统中没有物料和能 量的积累。本章小结2.稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动是指流体流动途径中所有各点的 状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能 量的积累。稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：本章小结二 功热间的转化热量传递的方向性是指高温物体可自发向低 温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须 消耗功。 热量传递的限度是指温度达到一致，不 存在温差。 热功转换的方向性是指功可以完全转化为热 ，而热只能部分转化为功。本章小结热功转换的限度卡诺循环 卡诺循环的结果是热部分地转化为功，热转化 为功的限度用热效率来评价。热效率的物理意 义为：循环过程中产生的功与从高温热源吸

13、收 的热量的比。卡诺循环的热效率最大。本章小结三 熵函数熵增原理孤立体系即孤立体系经历一个过程时，总是自发的 向熵增大的方向进行，直到熵增大到最大值， 体系达到平衡态。自发进行的限度 St = 0。 这也是热力学第二定律的定量表达形式本章小结熵积累熵流入熵流出熵产生熵平衡熵平衡方程适用于任何热力学体系的通用的熵平衡式本章小结熵平衡方程与能量守恒（热力学第 一定律）和质量守恒一样，是任何一个 过程必须满足的条件式，判断一个化工过程是否能够实现的判据本章小结理想功是一个理想的极限值,可作为实际功 的比较标准。理想功就是系统的状态变化 以完全可逆方式完成，理论上产生最大功 或者消耗最小功。理想功、损

14、失功与热力学效率完全可逆是指： 1)系统内发生的所有变化都必须可逆； 2) 系统只与温度为T0的环境进行可逆热交换；本章小结稳定流动系统的理想功忽略动能和势能变化本章小结系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理 想功之差称为损失功。本章小结系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态(P, T)变化到基态（环境状态(T0, P0) ）过 程所作的理想功。 有效能的定义及计算理想气体压力有效能第六章 蒸汽动力循环与制冷循环一 蒸汽动力循环的热效率、循 环功以及循环中各过程工质状 态函数的变化。二 制冷循环与获得低于环境温 度的操作过程的热力学分析. 主要内容蒸气动力循环采用

15、水蒸汽为工质，将热能连续不断 转换为机械能的热力循环，称为蒸汽动力 循环。 正向卡诺循环 正向卡诺循环是由两个可逆等温过程和两 个可逆绝热过程组成，工质吸热温度大于工 质排热温度，是一个由高温向低温传热的自 发过程，是产功过程。是最理想的动力循环 ，因为它产功最大。朗肯循环朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，主要设 备有：由锅炉，过热器，透平机、冷凝器、水泵 ，工作介质一般为水。提高朗肯循环的热效率要提高朗肯循环的热效率，首先必须找 出影响热效率的主要因素，从热效率的定义 来看，对卡诺循环对朗肯循环作外功的绝热膨胀可逆绝热膨胀 对外作功的绝热膨胀，如果可逆进行，则为等 熵过程，因而又称为等熵膨胀。

16、 特点：等熵过程，要注意绝热过程是可逆的才 能称为等熵过程。 微分等熵温度效应系数：等熵膨胀时，压力的 微小变化所引起的温度变化任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可制冷。作外功的绝热膨胀第七章 相平衡一 相平衡的判据与相律二 汽液平衡相图三 汽液平衡计算主要内容相平衡的判据与相律相平衡的判据经常用到的有三个： 1.在给定的温度和压力条件下，平衡态就是 所有可能变化达到的自由焓数值中最小的那 个状态。N 个组分的系统内，若 个相在均一 的温度、压力下达到平衡时，物系内的每一 组分在所有各相中的化学位必定相同。相平衡的判据与相律各相在同样的温度、压力下达到平衡 时，每一个组分在各相中的逸度相等。实 际当中，这个式子最具有实用价值。