《化工热力学》学习体会报告

-1-《化工热力学》学习体会报告《化工热力学》是热力学与化学相结合的学科,它在热力学内容中补充化合物众多及化学变化的特点，又增加了气液溶液及化学反应的内容。又是热力学与化学工程相结合，除增加化学热力学内容外，又强调了组成变化的规律，要确定反应物与产物的化学平衡组成规律，更要解决各种相平问题，即各相组成分布的规律。化工热力学是在基本热力学关系基础上，重点讨论能量关系和组成关系。能量关系要比物理化学中简单的能量守恒大大扩展，在组成计算中包括化学平衡体系组成及相平衡组成计算及预测，对于各种不同种类相平衡，在各相组元化学位相同的基础上提出了使用的关系式，并在各种不对称体系情况下，可以适应或做出修正。一、重要章节知识点归纳第一章、绪论1、化工热力学的目的和任务通过一定的理论方法，从容易测量的性质推测难测量的性质、从有限的实验数据获得更系统的物性的信息具有重要的理论和实际意义。化工热力学就是运用经典热力学的原理，结合反映系统特征的模型，解决工业过程（特别是化工过程）中热力学性质的计算和预测、相平衡和化学平衡计算、能量的有效利用等实际问题。2、化工热力学及其特性：所谓热力学主要是研究热现象和能量转换的。热力学以宏观体系作为自己的研究对象,就其内容而言,它涉及到热机的效率,能源的利用,各种物理、化学乃至生命过程的能量转换,以及这些过程在指定条件下有没有发生的可能性。如今热力学已广泛的用于研究各种能量之间的关系，热力学从远古时期发展至今，可称它为一门“完善”的科学，这主要表现在它具有四大特性：⑴严密性⑵完整性⑶普遍性⑷精简性严密性表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证明是不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，也实施不了。完整性是由于热力学具有热力学第一定律（能量守恒定律）；第二定律（熵增原理）；第三定律（绝对熵定律）；第零定律（热平衡定律）这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。普遍性表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际生产中的问题，还能够解决日常生活中的问题，甚至用于宇宙问题的研究。-2-精简性表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。特别是后者（定量），这是目前有些课程所无法比拟的。热力学的四大特性使得热力学成为一门“完善”的学科，而其它学科就相形见拙了。热力学发展至今，已成为多分支的学科，主要有工程热力学、化学热力学和化工热力学。3、化工热力学性质计算的一般方法(1)基于相律分析系统的独立变量和从属变量；(2)由经典热力学原理得到普遍化关系式。特别是将热力学性质与能容易测量的p、V、T及组成性质和理想气体等压热容联系起来；(3)引入表达系统特性的模型，如状态方程或活度系数；(4)数学求解。第二章、流体的P-V-T关系1、纯物质的P-V-T性质流体的P-V-T数据是化工生产﹑工程设计和科学研究最为基本的数据，它们是化工热力学的基础数据。三维立体图2-1是典型的纯物质的P-V-T关系图。2、P-V-T关系对于纯物质而言，在单相区里，PVT三者之间存在着一定的函数关系，用数学式表示为：f(P,V,T)=0(2-2)式（2-2）就是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状态方程式。-3-状态方程可以从三个变量中解出任何一个作为另两个变量的函数，也就是用显函数的形式表现出来。如：V=V(P,T);P=P(V,T);T=T(P,V)3、理想气体状态方程f(P,V,T)=0PV=nRT（1）理想气体的两个假设A.气体分子间无作用力B.气体分子本身不占有体积（2）掌握理想气体气体状态方程需明确的三个问题：A.理想气体本身是假设的，实际上是不存在的。但它是一切真实气体当P→0时可以接近的极限，因而该方程可以用来判断真实气体状态方程的正确程度，即：真实气体状态方程在P→0时，应变为：PV=nRTB.低压下的气体（特别是难液化的N2，H2，CO，CH4，…），在工程设计中，在几十个大气压（几个Mpa）下，仍可按理想气体状态方程计算P、V、T：而对较易液化的气体，如NH3，CO2，C2H4（乙炔）等，在较低压力下，也不能用理想气体状态方程计算。C.应用理想气体状态方程时要注意R的单位常用的是（SI制）当T（K），P（Pa），V（m3/mol）时，R=8.314J/molK当T（K），P（Pa），V（m3/kmol）时，R=8.314×103J/kmolK（3）理想气体状态方程的变型P1V1=P2V2=nRT1T24、Redlich-Kwong（RK）方程5、Soave（SRK）方程6、Peng-Robinson（PR）方程第三章纯物质的热力学性质1.热力学性质之间的关系dUTdSpdV-4-H=U+PVdHTdSVdpA=U-TSdASdTpdVG=H-TSdGSdTVdpMaxwell关系式SVTPVSSPTVPSVTPSTVPTVSTP转换公式：1ZXYXYZYZX2.计算H和S的方法2.1状态方程法：PPVdHCdTVTdPTPPCVdSdTdPTT2.2剩余性质法：(1)普遍化压缩因子图01RRRTCCCHHHRTRTRT01RRRTSSSRRR(2)普遍化的第二维里系数方法0101RTrrrCrrHdBdBPBTBTRTdTdT01RTrrrSdBdBPRdTdT01.60.4220.083rBT14.20.1720.139rBT导出：02.60.675rrdBdTT15.20.772rrdBdTT3.两项系统的热力学性质及热力学图表对化工过程进行热力学分析，对工程进行工艺与设备计算时，需要物质在各种状态下的焓、熵、比容等热力学参数的数据，希望能够迅速、简便的获得所研究物质的各种热力学性质参数。为此，人们将某些常用物质（入水蒸气、空气、氟里昂等）的焓、熵、比容和温度、压力的关系制成专用的图或表，常用的有水-5-和水蒸气的热力学性质表，温熵图、压焓图、焓熵图，这些热力学性质图表使用极为方便。在同一张图上，知道了温度、压力就可以查出各种热力学性质参数。3.1热力学性质表热力学性质表很简单，它是把热力学个性质以一一对应的表格形式表示出来，其特征表现在：对确定点数据准确，对非确定点需要内插计算，一般用直线内插。3.2热力学性质图热力学性质图在工程中我们经常遇到，如空气、氨、氟里昂等物质的热力学性质都制作成图，以便工程计算需要。热力学性质图的特点表现在：使用方便，易看出变化趋势，易于分析问题，但读数不如表格准确。3.2.1热力学性质图的共性(1)制作原理及制作过程相同，仅适用于特定物质；(2)图形中内容基本相同，P、V、T、H、S都有。3.2.2热力学图表与普遍化热力学图表的区别主要区别表现在两个方面：制作原理不同，应用范围不同。(1)制作原理：热力学图表以实验数据为基础，普遍化热力学图表是以对比参数为独立变量作出的；(2)应用范围：热力学图表仅适用于特定物质，普遍化热力学图表可用于任意物质。第四章均相混合物的热力学性质1.对于可变组成的单相体系：nU=f(nS,nV,n1,n2,…,ni,…)式中ni是i组份的摩尔数d（nU）=Td(nS)+Pd(nV)+iidn①适用于敞开体系，封闭体系；②体系是均相和平衡态间的变化③当dni=0时，简化成适用于定组成、定质量体系；2.偏摩尔性质定义：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，叫做组份i的偏摩尔性质。物理意义：在恒温恒压下，物系中某组分i摩尔数的变化所引起物系一系列热力学性质的变化。化学位Gibbs专门定义偏摩尔自由焓为化学位。偏摩尔自由焓定义为化学位是偏摩尔性质中的一个特例;化学位的连等式只是在数值上相等，物理意义完全不相同。3.逸度与逸度系数-6-逸度是由美国物理学家GibertNentonLews提出的。他引入逸度的概念，用于描述真实溶液的性质，这种方法不但方便，而且数学模式也很简单。他提出自由焓是化学热力学中特别重要的一个性质，它与温度、压力的基本关系式为dG=−SdT+VdP3.1逸度的定义及物理意义对理想气体f=P，因而逸度对理想气体没有特殊意义，逸度是针对非理想气体而提出的。就逸度本身来说，有三种不同的逸度，一种是纯组分的逸度if，另一种是组分i的逸度ifˆ，第三种是混合物的逸度f。3.2逸度的物理意义逸度的物理意义主要表现在：⑴逸度是有效的压力；⑵逸度是自由焓与可测的物理量之间的辅助函数。有了逸度就可以将不可侧的函数与可测的函数联系起来，以便解决实际问题。⑴逸度和逸度系数都是强度性质的热力学函数；纯组分fi=f(TP)混合物中组分ˆfi=f(T,P,xi)混合物f=f(T,P,x)⑵逸度的单位与压力相同，逸度系数无因次；⑶理想气体的逸度等于压力，逸度系数为1。4.重要计算公式混合性质变化超额性质活度与活度系数的定义式偏1mol性质的计算：截距法公式法逸度与逸度系数的计算（1）i和fi的计算:由H、S值计算；由图解积分计算；由普遍化法计算；由EOS法计算。（2）和的计算（3）f与φ的计算第五章化学反应平衡在化工生产控制和化工工艺设计中，常常需要预测某一化学反应在指定条件下能够进行到什么限度，也就是说在一定条件下这种反应能够进行，那么这个反应的最大转化率是多少，能够得到多少产品，知道了这些才能够预测产品的成本。化学反应的限度实际上是用平衡转化率或平衡组成来体现出来的。平衡组成可以通过实验来测定，但实验需要较复杂的设备和较长的时间，不是任何条件下都能办到的。因此科技工作者致力于比较快速的、通过计算来推断平衡组成的方法。简单的理想系统，例如理想气体和稀溶液中的反应平衡组成的计算方法已经在物化中介绍过了。这里我们主要介绍非理想系统和复杂系统的化学平衡组成的计算。0iiMxMMidEMMM0/ˆˆiiiffaidiiiiiiiifffxfXaˆ/ˆˆˆ0iRXPTRRiiKlXMXMM...i^if^21ˆlnlnXfXfiiiXlnln-7-反应进程ε——反应进度若ε=0时，表示反应尚为开始若ε=1时，表示反应已按计量方程式100%地完成。相平衡：与系统T、P相同时的纯组分化学平衡：在系统T与固定压力（1atm）下的纯组分若温度变化范围不大若温度变化范围大，第六章化工过程能量分析热力学第一定律：1.功WpdV外不可逆过程:2112WPdV外体可逆过程：21VrevVWpdV体体规定：体系吸热为正，放热为负；对外做功为负，接受功为正。2.封闭系统的能量平衡式：UQWdUqw适用于可逆与不可逆过程。3.稳定流动过程的能量平衡式：22SCCugZHQWgg（1JKg）3.1稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用：气体通过如孔板、阀门、多孔塞等节流装置时：0mh（即等焓过程）(1)压缩机和膨胀机（透平）鼓风机、泵等0Q，WHmhs适用于可逆，不可逆过程。（2）气体通过如孔板、阀门、多孔塞等节流装置时：ddniiddnii10111lnTTRHKKTdTRTHKTT020ln原料中反应的摩尔数的摩尔数平衡时消耗了的反应物平衡转化率的摩尔数平衡时消耗了的反应物尔数平衡时转化成产物的摩平衡产率-8-0mh（即等焓过程）(3)无轴功，但有热交换的设备：锅炉、热交换器、塔等。0wsHQ3.2轴功的计算方法：(1)可逆轴功()SRW：2()1PSRPwvdP实际轴功与可