化工热力学总结

临界点过冷液体区一、纯物质的P-V图饱和液相线饱和汽相线汽液两相平衡区F=C-P+2=1超临界流体区（TTc和PPc）过热蒸汽区点在点在CVPCVPTT0022恒温线例1、将下列纯物质经历的过程表示在P-V图上：1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体；2）过冷液体等压加热成过热蒸汽；3）饱和蒸汽可逆绝热膨胀；4）饱和液体恒容加热；5）在临界点进行的恒温膨胀CPV13(T降低)4251）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体；2）过冷液体等压加热成过热蒸汽；3）饱和蒸汽可逆绝热膨胀；4）饱和液体恒容加热；5）在临界点进行的恒温膨胀二、几个常用的状态方程：1.理想气体状态方程RTpV2.维里方程21VCVBRTpVZB/V表示二分子的相互作用；表示三分子的相互作用；……2/VC3.范德瓦尔斯方程2VabVRTp4.RK方程)(2/1bVVTabVRTp5.SRK方程)(bVVTabVRTp6.PR方程bVbbVVTabVRTp)(PPcPcP*P*PcTTcTTcV*VVcV*VVP-V图上的超临界等温线和临界等温线CC2)T=Tc1)TTc仅有一个实根，对应于超临界流体和气体的摩尔体积。三个重实根V=VcCPP*TTc三个不同实根，发生于两相区V大—对应于饱和汽摩尔体积V小—对应于饱和液摩尔体积V中—无物理意义。3)TTc⑶Redlich-Kwong状态方程bVVTabVRTP2/12VabVRTP①已知T,V，如何求P？直接计算，很方便。在计算时，一定要注意单位，1atm=0.101325×106Pa=0.101325MPa②已知P,T，如何求V？工程上最常用的情况，因为P，T易测。用各种迭代法求解。③已知P,V，如何求T？用各种迭代法求解。②已知p，T求VbVVTaRTpb-VbpV2/1bVVTabVRTP2/1bVVTaRTii2/1i1ipb-VbpV以理想气体状态方程计算的摩尔体积为初值V0　ccPTRa5.2242748.0ccPRTb08664.0三、对应态原理的应用1.普遍化压缩因子法10ZZZ2.普遍化第二维里系数法rrccTpRTBpRTBpZ11ZRTpVpZRTV6.10422.0083.0rTB2.41172.0139.0rTB10BBRTBpcc判断用普遍化压缩因子法还是用普遍化第二维里系数法的依据：rrpT439.0686.0或者0.2rV用普遍化第二维里系数法，否则用普遍化压缩因子。时：例：试用普遍化关联法计算510K、2.5MPa时正丁烷的气相摩尔体积解：从附表1查得正丁烷的物性数据：Pc=3.80MPa，Tc=425.2K，ω=0.193则有：198.12.425510rT658.080.35.2rprrrpTp439.0686.09748.0658.0439.0686.0439.0686.0因此用普遍化第二维里系数法233.0198.1422.0083.0422.0083.06.16.10rTB059.0198.1172.0139.0172.0139.02.42.41rTB222.0059.0193.0233.010BBRTBpcc所以：878.0198.1658.0222.011rrccTpRTBpZ13634892.1105.251010314.8878.0kmolmpZRTV第三章重点内容dU=TdS-pdVdH=TdS+VdpdA=-SdT-pdVdG=-SdT+Vdp一、基本关系式VTTpVSpTTVpSdpPRdTTCdSp**dTCdHp**例：理想气体从T1、P1变化到T2、P2求熵变。T1、P1T2、P1T2、P2第一步第二步1212*21lnlnpPRTTCSSSp二、剩余性质1.通式：M=M-M*2.物理意义：在相同的T，P下真实气体的热力学性质与理想气体的热力学性质的差值三、液体热力学性质：流体体积膨胀系数β的定义：pTVV1dpTVdTCdHp1VdpTdTCdSp第四章重点内容1.闭系非流动过程的能量平衡：WQUQ：系统吸热取正号，系统放热取负号；W：系统对外做功取正号，系统得功取负号。2.开系流动过程的能量平衡：jttjjjjittiiiisdtmugzhdtmugzhWQE212122'2121'3.开系稳流过程的能量平衡：KpsEEHWQ0当进出物料只有一种时：221umzgmhmWQs0212pzguswqh221uzghwqs4.几种简化形式：0212uh绝热时：hws⑴可逆轴功Ws(R)：（无任何摩擦损耗的轴功）5.轴功的计算：22121uzgvdpwppRs忽略位能和动能的变化：21ppRsvdpw对于液体来说，v随压强变化很小，可以视为常量，即：pvwRs⑵实际轴功产功设备：实际功小于可逆功耗功设备：实际功绝对值大于可逆功绝对值m——机械效率RssmWWsRsmWW例：在一个往复式压气机的实验中，环境空气从100kPa及5℃压缩到1000kPa，压缩机的气缸用水冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为100kg/kmol（空气）。冷却水入口温度为5℃，出口温度为16℃，空气离开压缩机时的温度为145℃。假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压气机的功。假设空气为理想气体，其摩尔定压热容Cp=29.3kJ/（kmol·K）。解：以被压缩的空气为系统，以1kmol空气作为基准。在此过程中空气放出的热量为：inoutpttCmq水水kmolkJ/10598.451618.41003因为空气为理想气体，所以其焓变为：1221TTCdTChpTTpkmolkJ/10102..451453.293根据热力学第一定律，忽略过程的动能和位能有：swqh则：hqwskmolkJ/107.810102.410598.4333所以实际供给压气机的功为:8700kJ/kmol第五章重点内容一、热力学第二定律ΔSt=ΔSsys+ΔSsurΔSt≥0ΔSg0为不可逆过程；ΔSg=0为可逆过程；ΔSg0为不可能过程。ijoutjjiniigfOpsysSmSmSSdtdS)()(二、开系熵平衡式jiiniioutjjsmsmSg)()(对于绝热过程，ΔSf=0jiiniioutjjsm＞sm)()(jiiniioutjjsmsm)()(对于不可逆绝热过程，ΔSg0，有：对于可逆绝热过程，ΔSg=0，则有：三、温熵图123456TS图4-9节流膨胀过程TP1P2ST2/22/T2图4-10等熵膨胀过程四、卡诺循环HLcTT1热机效率制冷效率LHLTTT热泵的制热系数LHHTTT例：某热泵功率为10kW，周围自然环境温度为0℃。用户要求供热的温度为90℃。求此热泵最大的供热量以及热泵从环境吸收的热量。解：热泵提供的最大热量，应按逆卡诺循环，即：035.40909015.273LHHTTT最大供热量为：skJWQsH/35.4010035.4从环境吸收的热量为：skJWQQsHL/35.301035.40第六章重点内容一、理想功和损耗功STHWid0对于化学反应来说STHWid0GSTH0sidL高乌—斯托多拉公式gLtLSTWSTW00或TTQSSmSmSSTWfiiniijoutjjggL001应计入热流的作功能力非绝热过程，实际功中耗功多股物流的敞开体系损二、化工单元过程的热力学分析21000021PPVTTWdPTVTSTSTWLVppgL变化小1.流动过程：12120000/ln11TTTTTQTTTTTWTTTTQTTTTTTTQTTQWmLmHmLmHmLLmHmLHLHLHLLHHL替代、为变量，则用平均温度、若2.传热过程：3.混合过程iiimidiiiidiiiidxxRTTTHWxxRTWyyRTWln1lnln0000想功非理想溶液，分离的理液体分离的理想功气体分离的理想功三、火用分析XCXPhXPXKXEEEEE组成系由四个稳定流动过程流体的在基准状态下，上述的四个成分的均为零。由体系所处的状态到达基准态所提供的理想功即为体系处于该状态的有效能。例1:1.5MPa、500℃的过热水蒸气推动透平机作功，乏汽压力50kPa,温度148℃。每千克蒸汽通过透平机时有6.32kJ的热量散失于25℃的环境。求此过程的实际功、理想功、损失功和热力学效率。已知1.5MPa、500℃水蒸气的焓值H1=3473.1kJ·Kg-1，熵值S1=7.5698kJ·kg-1·K-1；50kPa、148℃时水蒸气的焓值H2=2776.2kJ·Kg-1，熵值S2=7.9564kJ·kg-1·K-1解:-Ws=H1-H2+Q=3473.1-2776.2-6.23=690.7kJ·Kg-1-Wid=T0△S-△H=298.15×(7.9564-7.5698)-(2776.2-3473.1)=812.2kJ·Kg-1WL=Ws-Wid=812.2-690.7=121.5kJ·Kg-1%04.852.8127.690idsWW例2：有一股温度为90℃、流量为72000kg/h的热水和另一股温度为50℃、流量为108000kg/h的水绝热混合。试分别用熵分析法和火用分析法计算混合过程的火用损失。大气温度为25℃。解：对绝热稳流过程，由于无轴功交换，根据热力学第一定律知：0H设混合的终态温度为T2，水的热容Cp不随温度改变，则121221()()0ppHmCTTmCTT112121272000901080005072000108000mTmTTmm解得：=66℃⑴熵分析：因是绝热过程，所以Q=0，，故过程熵产为：0fSgS()()gjjoutiiinjiSmsms1221121()()mmsmsms由附表3可查得：11'11111127038.01925.19059.0KkgkJsKkgkJsKkgkJs所以：(72000108000)0.9059720001.19251080000.7038gS11111191.6kJKh0.331kJKs10298.150.33198.7kJsLgWTS火用损失即为功损耗，即（2）火用分析法从附表3分别查得各状态下水的焓和熵值为温度（℃）熵（）焓（）901.1925376.92500.7038209.33660.9059276.36250.3674104.89，11kJkgK1kJkg90℃时水的物理火用为：110010()()()xehhTss103.263674.01925.115.29889.10492.376kgkJ50℃时水的物理火用为：110010()()()xehhTss