化工熱力學(xué)總復(fù)習(xí)匯總課件

1、化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)總復(fù)習(xí)總復(fù)習(xí)第一章第一章 緒論緒論一、一、化工熱力學(xué)在課程鏈上的位置化工熱力學(xué)在課程鏈上的位置二、學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)的目的二、學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)的目的三、化工熱力學(xué)的定義及其在化學(xué)工程中的應(yīng)用三、化工熱力學(xué)的定義及其在化學(xué)工程中的應(yīng)用四、化工熱力學(xué)的特點(diǎn)四、化工熱力學(xué)的特點(diǎn)五、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力學(xué)五、為何學(xué)和如何學(xué)好化工熱力學(xué)六、本課程的內(nèi)容及重點(diǎn)和難點(diǎn)六、本課程的內(nèi)容及重點(diǎn)和難點(diǎn)掌握有關(guān)名詞和定義掌握有關(guān)名詞和定義熱力學(xué)：熱力學(xué)：是研究能量、能量轉(zhuǎn)換以及與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的是研究能量、能量轉(zhuǎn)換以及與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的 物性間相互關(guān)系的科學(xué)。又稱為物性間相互關(guān)系的科學(xué)。又稱為“平衡態(tài)

2、熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)”熱力學(xué)的研究方法：熱力學(xué)的研究方法：宏觀研究方法宏觀研究方法 微觀研究方法微觀研究方法經(jīng)典熱力學(xué)：經(jīng)典熱力學(xué)：以宏觀方法研究平衡態(tài)體系的熱力學(xué)稱為以宏觀方法研究平衡態(tài)體系的熱力學(xué)稱為 經(jīng)典熱力學(xué)。經(jīng)典熱力學(xué)。 分子熱力學(xué)：分子熱力學(xué)：從微觀角度運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法來研究熱力學(xué)從微觀角度運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法來研究熱力學(xué) 的規(guī)律，稱之為分子熱力學(xué)。的規(guī)律，稱之為分子熱力學(xué)。 第二章第二章 流體的流體的PVT關(guān)系關(guān)系臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)過冷液體區(qū)過冷液體區(qū)一、純物質(zhì)的一、純物質(zhì)的P-V圖圖飽和液相線飽和液相線飽和汽相線飽和汽相線汽液兩相平衡區(qū)汽液兩相平衡區(qū)F=N-+2=1v超臨界超臨界流體流體區(qū)區(qū)（

3、TTc和和PPc）過熱蒸汽區(qū)過熱蒸汽區(qū) 點(diǎn)點(diǎn)在在點(diǎn)點(diǎn)在在CVPCVPTT0022 恒溫線恒溫線P實(shí)驗(yàn)得（實(shí)測）實(shí)驗(yàn)得（實(shí)測） 二二P、V、T、CP是流體的最基本性質(zhì)，是是流體的最基本性質(zhì)，是 熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)查找文獻(xiàn)查找文獻(xiàn)計(jì)算計(jì)算 （由第二章介紹方法計(jì)算）（由第二章介紹方法計(jì)算）三三PVTPVT數(shù)據(jù)的計(jì)算數(shù)據(jù)的計(jì)算 1 1理想氣體：理想氣體： PV=RT PV=RT （1mol1mol）低壓、高溫）低壓、高溫理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用（1）在較低壓力和較高溫度下可用理想氣體狀態(tài)）在較低壓力和較高溫度下可用理想氣體狀態(tài) 方程進(jìn)行計(jì)算。方程進(jìn)行計(jì)算。（2）為真實(shí)氣體

4、狀態(tài)方程計(jì)算提供初始值。）為真實(shí)氣體狀態(tài)方程計(jì)算提供初始值。（3）判斷真實(shí)氣體狀態(tài)方程的極限情況的正確程）判斷真實(shí)氣體狀態(tài)方程的極限情況的正確程度，當(dāng)度，當(dāng)PP0 0或者或者V V 時(shí)，任何的狀態(tài)方程都還原時(shí)，任何的狀態(tài)方程都還原為理想氣體狀態(tài)方程為理想氣體狀態(tài)方程0P（1）狀態(tài)方程法）狀態(tài)方程法 狀態(tài)方程（狀態(tài)方程（EOS）的基本用途是）的基本用途是P-V-T計(jì)算，計(jì)算，但更大意義在于作為推算其它性質(zhì)的模型但更大意義在于作為推算其它性質(zhì)的模型 立方型狀態(tài)方程由于形式簡單，計(jì)算方便立方型狀態(tài)方程由于形式簡單，計(jì)算方便受到工程上的重視，特別是受到工程上的重視，特別是SRK和和PR由于由于適用汽液

5、兩相，可用于汽液平衡計(jì)算適用汽液兩相，可用于汽液平衡計(jì)算 多常數(shù)方程在使用范圍和計(jì)算準(zhǔn)確性方面多常數(shù)方程在使用范圍和計(jì)算準(zhǔn)確性方面有優(yōu)勢有優(yōu)勢 應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和方程特點(diǎn)選擇應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和方程特點(diǎn)選擇主要有兩種計(jì)算方法，一種主要有兩種計(jì)算方法，一種EOSEOS法，另一種普遍化關(guān)系法。法，另一種普遍化關(guān)系法。EOS法：法：VDW，RK，SRK， Virial ， MH Eq 。有關(guān)真實(shí)氣體計(jì)算的狀態(tài)方程式很多，目。有關(guān)真實(shí)氣體計(jì)算的狀態(tài)方程式很多，目前已提出的不下前已提出的不下300300種，實(shí)際應(yīng)用的也有種，實(shí)際應(yīng)用的也有150150種之多，種之多，我們主要介紹以上這些，重點(diǎn)掌握我

6、們主要介紹以上這些，重點(diǎn)掌握VDW Eq ， Virial Eq和和RK Eq2VabVRTP(2-4)1、范德華方程、范德華方程ccPRTb81 ccPTRa226427 0)( , 0)(22ccTTVpVp bVVTabVRTP 2/12、RK方程方程3.Virial (維里維里)方程方程n二種形式的二種形式的Virial方程是等價(jià)的，其系數(shù)之間也有方程是等價(jià)的，其系數(shù)之間也有相互關(guān)系。相互關(guān)系。Virial方程不同形式的關(guān)系方程不同形式的關(guān)系2211PVBCZRTVVB PC P密度型密度型壓力型壓力型22)(RTBCC RTBB 微觀上，微觀上，VirialVirial系數(shù)反映了分子

7、間的相互作用系數(shù)反映了分子間的相互作用，第二維里第二維里系數(shù)系數(shù)B B反映了兩個(gè)反映了兩個(gè)分子之間的相互作用；第三維里系數(shù)分子之間的相互作用；第三維里系數(shù)C C反反映了映了三種分子的相互作用。三種分子的相互作用。宏觀上，宏觀上，VirialVirial系數(shù)系數(shù)僅是溫度的函數(shù)。僅是溫度的函數(shù)。適用于適用于TTc,P1.5MPa蒸汽蒸汽適用于適用于TTc, 1.5MPa P 5MPa蒸汽蒸汽實(shí)際中常用實(shí)際中常用Virial截?cái)嗍浇財(cái)嗍?VBRTPVZ 1RTBPRTPVZ1 21VCVBRTPVZ22221PTRBCRTBPRTPVZ 形式形式Zc適合范圍適合范圍缺點(diǎn)缺點(diǎn)理想氣體理想氣體 1壓力極

8、低的氣壓力極低的氣體體不適合真實(shí)不適合真實(shí)氣體氣體 VDW方程方程 0.375同時(shí)能計(jì)算汽同時(shí)能計(jì)算汽，液兩相，液兩相準(zhǔn)確度低準(zhǔn)確度低RK方程方程 0.333計(jì)算氣相體積計(jì)算氣相體積準(zhǔn)確性高準(zhǔn)確性高，最實(shí)用，最實(shí)用不能同時(shí)用不能同時(shí)用于汽、于汽、液兩相液兩相PR方程方程 0.307同時(shí)用于汽、同時(shí)用于汽、液兩相，液兩相，廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用 Virial 方程方程 TTc， P 5MPa的氣的氣相相不能同時(shí)用不能同時(shí)用于汽、于汽、液兩相液兩相EOS小結(jié)小結(jié) 21VCVBRTPVZ bVVTabVRTP PV=RT2VabVRTP bVbbVVabVRTP 真實(shí)流體真實(shí)流體Zc =0.230.29,

9、rrPTfz crTTT crPPP （2 2）普遍化關(guān)系式法）普遍化關(guān)系式法pitzerpitzer三參數(shù)通用關(guān)系式三參數(shù)通用關(guān)系式三參數(shù)對比態(tài)原理：所有三參數(shù)對比態(tài)原理：所有相同的流體相同的流體, ,若處在相同的若處在相同的 PrPr、TrTr下下, ,其其Z Z 值必相同。值必相同。000.1)lg(7 .0rTsrP(2-24) =0 球形分子球形分子（Ar，Ke，Xe） 0非球形分子非球形分子A 普維法：普維法：以兩項(xiàng)維里方程為基礎(chǔ)，圖以兩項(xiàng)維里方程為基礎(chǔ)，圖29曲線曲線上方，或上方，或Vr2時(shí)用，時(shí)用，rrccTPRTBPRTBPz1110BBRTBPcc6 . 10422. 00

10、83. 0rTB2 . 41172. 0139. 1rTBpitzerpitzer提出的三參數(shù)通用關(guān)系式有兩個(gè)提出的三參數(shù)通用關(guān)系式有兩個(gè) 普維法普維法 普壓法普壓法 B. 普壓法：普壓法：圖圖29曲線下方，或曲線下方，或Vr2時(shí)用時(shí)用10ZzzZ0Z1 2-7 2-8圖圖查值查值運(yùn)用三參數(shù)普遍化關(guān)系式計(jì)算時(shí)，一定是要注意運(yùn)用三參數(shù)普遍化關(guān)系式計(jì)算時(shí)，一定是要注意普維法和普壓法的應(yīng)用條件。普維法和普壓法的應(yīng)用條件。10BBRTBPcc 10ZZZ ),(rrTPfZ ),( rrPTfZ 對比態(tài)原理對比態(tài)原理分類分類 方法名稱方法名稱 計(jì)算手段計(jì)算手段 適用范圍適用范圍兩參數(shù)對比兩參數(shù)對比態(tài)原

11、理態(tài)原理兩參數(shù)普遍兩參數(shù)普遍化壓縮因化壓縮因子法子法 適合簡單球形適合簡單球形流體。流體。不實(shí)不實(shí)際使用際使用 三參數(shù)對比三參數(shù)對比態(tài)原理態(tài)原理普遍化維里普遍化維里系數(shù)法系數(shù)法 適合適合非極性非極性、弱極性弱極性流體；流體；中、低壓中、低壓誤差誤差3%” 號為不可逆過程；號為不可逆過程；“=” 號為可逆過程號為可逆過程VPSTUWid 001、封閉體系、封閉體系STHWid 02、穩(wěn)流體系、穩(wěn)流體系 TQS 體系體系、封閉體系、封閉體系102 產(chǎn)生產(chǎn)生出出入入、穩(wěn)流體系、穩(wěn)流體系STQSmSmiiii 10、熵平衡、熵平衡11、理想功、理想功Wid：9、熵變的計(jì)算、熵變的計(jì)算1、有、有PVT變

12、化的熵變變化的熵變2、有相變過程的熵變、有相變過程的熵變3、環(huán)境的熵變、環(huán)境的熵變）（）（HHSSTEX 00000 總總STWL12、損失功、損失功WL：）（）（12012SSTHHWid 13、火用、火用注意與理想功的區(qū)別注意與理想功的區(qū)別14、火用效率、火用效率（失去）獲得）目的火用效率總火用效率xxExxEEEEEXX(各種效率小結(jié)各種效率小結(jié)熱效率熱效率Q熱機(jī)效熱機(jī)效率率H熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率a 效率效率EX xxEEEX 121QQQHidacWWa 產(chǎn)功產(chǎn)功acidWWa 耗功耗功12max1TTH ）（）（理想功理想功12012SSTHHWid ）（）（火用火用HHSSTEX

13、000TLTQQQQ能量損失能量損失總能量總能量LTQQ低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩锤邷責(zé)嵩锤邷責(zé)嵩?211,TQTQ （失去）（失去）獲得）獲得）xxEEEX( 火用火用 第六章第六章蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)和制冷循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)冷凍循環(huán)冷凍循環(huán)熱轉(zhuǎn)變成功熱轉(zhuǎn)變成功消耗功或熱能將熱從低溫傳給高溫消耗功或熱能將熱從低溫傳給高溫1、制冷、制冷2、加熱、加熱制冷機(jī)制冷機(jī)熱泵熱泵鍋爐鍋爐透透平平機(jī)機(jī)水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2 23 34 41 10 節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低 (冷效應(yīng)冷效應(yīng))0 節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高節(jié)流膨脹后，氣體溫度升高 (熱效應(yīng)熱效應(yīng)

14、) =0 節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變節(jié)流膨脹后，氣體溫度不變 (零效應(yīng)零效應(yīng)) HTJPT)(1 、獲得低溫的方法有獲得低溫的方法有兩種兩種： 節(jié)流膨脹（等節(jié)流膨脹（等H H） 作外功的絕熱膨脹（等作外功的絕熱膨脹（等S S）提高循環(huán)的熱效率的措施提高循環(huán)的熱效率的措施 (1)提高蒸氣過熱溫度提高蒸氣過熱溫度 (2)提高蒸汽壓力提高蒸汽壓力 (3)降低乏氣壓力（背壓）降低乏氣壓力（背壓） (4)提高平均吸熱溫度提高平均吸熱溫度制冷劑的選擇原則制冷劑的選擇原則124105HHHHWqs ）制冷系數(shù)）制冷系數(shù)），（Niiii 21 2. 相律相律 F = N - + 2 自由度自由度 組分?jǐn)?shù)組分?jǐn)?shù)

15、相數(shù)相數(shù) 1. 相平衡的判據(jù)相平衡的判據(jù)為：各相的為：各相的溫度、壓力相等溫度、壓力相等時(shí)，各時(shí)，各相中組分的相中組分的分逸度相等！分逸度相等！3. 汽液平衡體系的類型汽液平衡體系的類型與理想體系的偏差與理想體系的偏差1）一般正偏差）一般正偏差, 溶液中各組分的分壓均溶液中各組分的分壓均大于大于Raoult定律的計(jì)算值定律的計(jì)算值2）一般負(fù)偏差）一般負(fù)偏差, 溶液中各組分的分壓均溶液中各組分的分壓均小于小于Raoult定律的計(jì)算值定律的計(jì)算值3）正偏差、）正偏差、最低恒沸點(diǎn)，最低恒沸點(diǎn)，P-x, T-x, y-x圖圖4）負(fù)偏差、）負(fù)偏差、最高恒沸點(diǎn)，最高恒沸點(diǎn)，），（Nifffiii 21 2

16、）EOS法法 LiiLiViiViPxfPyf iiiLiViiVixffPyf 04. 汽液平衡的三種計(jì)算方法：汽液平衡的三種計(jì)算方法：3） 法法LiiLiLiViiViVixffyff001）EOS+ 法法 NiRTdPVPxPyPPLiSiSiiiiViSi2,1exp SiiiiPxPySiSiiiiViPxPy (中壓時(shí)完全非理想體系中壓時(shí)完全非理想體系) (低壓時(shí)化學(xué)體系低壓時(shí)化學(xué)體系) NixyiLiiVi2,1 1）狀態(tài)方程）狀態(tài)方程法法2）EOS+活度系數(shù)活度系數(shù) 法法特點(diǎn)特點(diǎn)1）適用于任何壓力的）適用于任何壓力的VLE，包括，包括高壓高壓2）不適合強(qiáng)極性，締合不適合強(qiáng)極性，

17、締合體系體系3）選擇既適合汽相又適）選擇既適合汽相又適合液相的合液相的EOS和相應(yīng)的和相應(yīng)的混合規(guī)則混合規(guī)則特點(diǎn)特點(diǎn)1）適用于）適用于強(qiáng)極性，締合體系強(qiáng)極性，締合體系2）適用于低、中壓）適用于低、中壓VLE，不，不適合高壓適合高壓3）選擇適合的）選擇適合的活度系數(shù)活度系數(shù)i模模型，型，如如Wilson，NRTL，UNIQUAC方程方程 NixyiLiiVi2,1 NiRTdPVPxPyPPLiSiSiiiiViSi2,1exp 本本章章重重點(diǎn)點(diǎn)VLE兩種算法的比較：兩種算法的比較： 5. 汽液平衡的分類汽液平衡的分類 （1）完全理想體系：汽相）完全理想體系：汽相理想氣體，液相理想氣體，液相理想

18、液體理想液體（2）理想體系：汽液相）理想體系：汽液相理想溶液（理想溶液（VL均服從均服從LR）PPxyKSiiii 0iSiSiiiiPPxyK ( (3）化學(xué)體系：）化學(xué)體系：汽汽理想氣體，液相理想氣體，液相非理想溶液非理想溶液部分理想體系部分理想體系PPxyKSiiiii SiiiiPxPy NiPxPySiSiiiiVi2,1 （4）非理想體系：汽相非理想體系：汽相非理想液體，液相非理想液體，液相理想液體理想液體 （L L服從服從LRLR）（5）完全非理想體系完全非理想體系：汽、液相均為非理想溶液：汽、液相均為非理想溶液ViiiiiiPfxyK 0 ViSiSiiiiPPxyK 設(shè)有溫度

19、設(shè)有溫度、壓力、壓力MPaP1 . 01的空氣，的空氣，KT5001KT1002其質(zhì)量流量為其質(zhì)量流量為1110skgm，與，與、MPaP1 . 02、125skgm的空氣流在絕熱下相互混合，求混合過程的的空氣流在絕熱下相互混合，求混合過程的熵產(chǎn)生量。設(shè)在上述有關(guān)溫度范圍內(nèi)，空氣的平均等壓熱容熵產(chǎn)生量。設(shè)在上述有關(guān)溫度范圍內(nèi)，空氣的平均等壓熱容都相等，而且都相等，而且1101. 1KkgkJCCpmhpms。21mmM510混合器混合器1111,SPTm2222,SPTm333,SPTM 空氣穩(wěn)流混合過程空氣穩(wěn)流混合過程115skg 解解 兩股氣流混合為絕熱穩(wěn)流過程，并且在有關(guān)溫度、兩股氣流混

20、合為絕熱穩(wěn)流過程，并且在有關(guān)溫度、壓力下的空氣可視為理想氣體。從質(zhì)量守恒原理可得混合后質(zhì)壓力下的空氣可視為理想氣體。從質(zhì)量守恒原理可得混合后質(zhì)量流量量流量pmhpmhpmhMCTCmTCmT22113MTmTm22113 .433根據(jù)熱力學(xué)第一定律，絕熱混合過程根據(jù)熱力學(xué)第一定律，絕熱混合過程 Q=0，又不做軸功，又不做軸功，0SW，則有則有0H因此因此2211hmhmMh將有關(guān)理想氣體焓的計(jì)算式代入上式，整理后將有關(guān)理想氣體焓的計(jì)算式代入上式，整理后可求得混合后空氣的溫度可求得混合后空氣的溫度857. 1446. 1232131lnlnTTCmTTCmpmspms

21、3003 .433ln01. 155003 .433ln01. 01011411. 0sKkJ對于絕熱穩(wěn)流過程，按公式可得對于絕熱穩(wěn)流過程，按公式可得iiijjjgsmsmS入出 22113smsmMs232131ssmssm2211321smsmsmm例例2-122-12：某二元混合物其逸度表達(dá)式為：某二元混合物其逸度表達(dá)式為 lnflnf=A+Bx=A+Bx1 1-Cx-Cx1 12 2式中式中A A、B B、C C為為T T、P P的函數(shù)試確定的函數(shù)試確定G GE E/RT/RT、lnln 1 1、lnln 2 2的相應(yīng)的相應(yīng)關(guān)系式（組元關(guān)系式（組元1 1以亨利定律為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，組元以亨利定律為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，組元2 2以以Lewis-Lewis-RandallRandall定則為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）。定則為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）。解：根據(jù)式解：根據(jù)式2211lnlnxxRTGE022