《化工熱力學》學習體會報告

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)化工熱力學學習體會報告 化工熱力學是熱力學與化學相結合的學科,它在熱力學內容中補充化合物眾多及化學變化的特點，又增加了氣液溶液及化學反應的內容。又是熱力學與化學工程相結合，除增加化學熱力學內容外，又強調了組成變化的規(guī)律，要確定反應物與產物的化學平衡組成規(guī)律，更要解決各種相平問題，即各相組成分布的規(guī)律?；崃W是在基本熱力學關系基礎上，重點討論能量關系和組成關系。能量關系要比物理化學中簡單的能量守恒大大擴展，在組成計算中包括化學平衡體系組成及相平衡組成計算及預測，對于各

2、種不同種類相平衡，在各相組元化學位相同的基礎上提出了使用的關系式，并在各種不對稱體系情況下，可以適應或做出修正。一、重要章節(jié)知識點歸納第一章、緒論1、化工熱力學的目的和任務通過一定的理論方法，從容易測量的性質推測難測量的性質、從有限的實驗數(shù)據(jù)獲得更系統(tǒng)的物性的信息具有重要的理論和實際意義?；崃W就是運用經(jīng)典熱力學的原理，結合反映系統(tǒng)特征的模型，解決工業(yè)過程（特別是化工過程）中熱力學性質的計算和預測、相平衡和化學平衡計算、能量的有效利用等實際問題。2、化工熱力學及其特性： 所謂熱力學主要是研究熱現(xiàn)象和能量轉換的。熱力學以宏觀體系作為自己的研究對象,就其內容而言,它涉及到熱機的效率,能源的利用

3、,各種物理、化學乃至生命過程的能量轉換,以及這些過程在指定條件下有沒有發(fā)生的可能性。如今熱力學已廣泛的用于研究各種能量之間的關系，熱力學從遠古時期發(fā)展至今，可稱它為一門“完善”的科學，這主要表現(xiàn)在它具有四大特性：嚴密性 完整性 普遍性 精簡性嚴密性表現(xiàn)在熱力學具有嚴格的理論基礎。熱力學證明是可以行通的事情，在實際當中才能夠行的通；熱力學證明是不可行的事情，在實際當中無論采用什么措施，也實施不了。完整性是由于熱力學具有熱力學第一定律（能量守恒定律）；第二定律（熵增原理）；第三定律（絕對熵定律）；第零定律（熱平衡定律）這四大定律使熱力學成為一門邏輯性強而完整的科學。普遍性表現(xiàn)在熱現(xiàn)象在日常生活中是

4、必不可缺少的。熱力學的基本定律、基本理論，不但能夠解決實際生產中的問題，還能夠解決日常生活中的問題，甚至用于宇宙問題的研究。精簡性表現(xiàn)在熱力學能夠定性、定量地解決實際問題。特別是后者（定量），這是目前有些課程所無法比擬的。熱力學的四大特性使得熱力學成為一門“完善”的學科，而其它學科就相形見拙了。熱力學發(fā)展至今，已成為多分支的學科，主要有工程熱力學、化學熱力學和化工熱力學。3、化工熱力學性質計算的一般方法(1)基于相律分析系統(tǒng)的獨立變量和從屬變量；(2)由經(jīng)典熱力學原理得到普遍化關系式。特別是將熱力學性質與能容易測量的p、V、T及組成性質和理想氣體等壓熱容 聯(lián)系起來；(3)引入表達系統(tǒng)特性的模型

5、，如狀態(tài)方程或活度系數(shù)；(4)數(shù)學求解。 第二章、流體的P-V-T關系1、純物質的P-V-T 性質流體的P-V-T 數(shù)據(jù)是化工生產工程設計和科學研究最為基本的數(shù)據(jù)，它們是化工熱力學的基礎數(shù)據(jù)。三維立體圖2-1 是典型的純物質的P-V-T 關系圖。2、 P-V-T 關系對于純物質而言，在單相區(qū)里，PVT 三者之間存在著一定的函數(shù)關系，用數(shù)學式表示為：f(P,V,T)= 0 (2-2)式（2-2）就是關聯(lián)平衡狀態(tài)下任何純物質均相流體的壓力比容和溫度三者之間關系的狀態(tài)方程式。狀態(tài)方程可以從三個變量中解出任何一個作為另兩個變量的函數(shù)，也就是用顯函數(shù)的形式表現(xiàn)出來。如：V = V(P,T) ; P =

6、P(V,T) ; T = T(P,V )3、理想氣體狀態(tài)方程f (P,V ,T ) = 0 PV = nRT（1）理想氣體的兩個假設A.氣體分子間無作用力B.氣體分子本身不占有體積（2）掌握理想氣體氣體狀態(tài)方程需明確的三個問題：A.理想氣體本身是假設的，實際上是不存在的。但它是一切真實氣體當P 0 時可以接近的極限，因而該方程可以用來判斷真實氣體狀態(tài)方程的正確程度，即：真實氣體狀態(tài)方程在P 0 時，應變?yōu)椋篜V = nRTB.低壓下的氣體（特別是難液化的N2，H2，CO，CH4，），在工程設計中，在幾十個大氣壓（幾個Mpa）下，仍可按理想氣體狀態(tài)方程計算P、V、T：而對較易液化的氣體，如NH3

7、，CO2，C2H4（乙炔）等，在較低壓力下，也不能用理想氣體狀態(tài)方程計算。C.應用理想氣體狀態(tài)方程時要注意R 的單位常用的是（SI 制）當T（K），P（Pa），V（m3/mol）時，R=8.314 J/mol K當T（K），P（Pa），V（m3/kmol）時，R=8.314103 J/kmol K（3）理想氣體狀態(tài)方程的變型 P1V1 = P2V2 = nRT1 T24、Redlich-Kwong（RK）方程 5、Soave（SRK）方程 6、Peng-Robinson（PR）方程 第三章 純物質的熱力學性質1.熱力學性質之間的關系 H=U+PV A=U-TS G=H-TS Maxwell關系

8、式 轉換公式： 2.計算和的方法2.1狀態(tài)方程法： 2.2剩余性質法：(1)普遍化壓縮因子圖 (2)普遍化的第二維里系數(shù)方法 導出： 3.兩項系統(tǒng)的熱力學性質及熱力學圖表 對化工過程進行熱力學分析，對工程進行工藝與設備計算時，需要物質在各種狀態(tài)下的焓、熵、比容等熱力學參數(shù)的數(shù)據(jù)，希望能夠迅速、簡便的獲得所研究物質的各種熱力學性質參數(shù)。為此，人們將某些常用物質（入水蒸氣、空氣、氟里昂等）的焓、熵、比容和溫度、壓力的關系制成專用的圖或表，常用的有水和水蒸氣的熱力學性質表，溫熵圖、壓焓圖、焓熵圖，這些熱力學性質圖表使用極為方便。在同一張圖上，知道了溫度、壓力就可以查出各種熱力學性質參數(shù)。3.1 熱力

9、學性質表 熱力學性質表很簡單，它是把熱力學個性質以一一對應的表格形式表示出來，其特征表現(xiàn)在：對確定點數(shù)據(jù)準確，對非確定點需要內插計算，一般用直線內插。3.2 熱力學性質圖 熱力學性質圖在工程中我們經(jīng)常遇到，如空氣、氨、氟里昂等物質的熱力學性質都制作成圖，以便工程計算需要。熱力學性質圖的特點表現(xiàn)在：使用方便，易看出變化趨勢，易于分析問題，但讀數(shù)不如表格準確。3.2.1 (1)制作原理及制作過程相同，僅適用于特定物質；(2)圖形中內容基本相同，P、V、T、H、S 都有。3.2.主要區(qū)別表現(xiàn)在兩個方面：制作原理不同，應用范圍不同。(1)制作原理：熱力學圖表以實驗數(shù)據(jù)為基礎，普遍化熱力學圖表是以對比參

10、數(shù) 為獨立變量作出的；(2)應用范圍：熱力學圖表僅適用于特定物質，普遍化熱力學圖表可用于任意物質。第四章 均相混合物的熱力學性質1.對于可變組成的單相體系： nU=f(nS,nV,n1,n2,ni,)式中ni是i組份的摩爾數(shù)d（nU）=Td(nS)+ Pd(nV) + 適用于敞開體系，封閉體系；體系是均相和平衡態(tài)間的變化當dni=0時，簡化成適用于定組成、定質量體系；2.偏摩爾性質定義：在恒溫恒壓下，物質的廣度性質隨某種組分i摩爾數(shù)的變化率，叫做組份i的偏摩爾性質。物理意義：在恒溫恒壓下，物系中某組分i摩爾數(shù)的變化所引起物系一系列熱力學性質的變化?；瘜W位Gibbs專門定義偏摩爾自由焓為化學位。

11、偏摩爾自由焓定義為化學位是偏摩爾性質中的一個特例;化學位的連等式只是在數(shù)值上相等，物理意義完全不相同。3. 逸度與逸度系數(shù)逸度是由美國物理學家 Gibert Nenton Lews 提出的。他引入逸度的概念，用于描述真實溶液的性質，這種方法不但方便，而且數(shù)學模式也很簡單。他提出自由焓是化學熱力學中特別重要的一個性質，它與溫度、壓力的基本關系式為 dG = SdT +VdP3.1逸度的定義及物理意義對理想氣體 f = P ，因而逸度對理想氣體沒有特殊意義，逸度是針對非理想氣體而提出的。就逸度本身來說，有三種不同的逸度，一種是純組分的逸度i f ，另一種是組分i 的逸度i f，第三種是混合物的逸度

12、f。3.2逸度的物理意義逸度的物理意義主要表現(xiàn)在：逸度是有效的壓力；逸度是自由焓與可測的物理量之間的輔助函數(shù)。有了逸度就可以將不可側的函數(shù)與可測的函數(shù)聯(lián)系起來，以便解決實際問題。逸度和逸度系數(shù)都是強度性質的熱力學函數(shù)；純組分 f i = f(T P)混合物中組分 f i = f( T, P, xi)混合物 f = f (T,P,x)逸度的單位與壓力相同，逸度系數(shù)無因次；理想氣體的逸度等于壓力，逸度系數(shù)為1。4.重要計算公式混合性質變化 超額性質活度與活度系數(shù)的定義式 偏1mol性質的計算：截距法 公式法 逸度與逸度系數(shù)的計算 （1）i和fi的計算 : 由H、S值計算；由圖解積分計算；由普遍化法

13、計算；由EOS法計算。（2） 和 的計算 （3）f與的計算化學反應平衡在化工生產控制和化工工藝設計中，常常需要預測某一化學反應在指定條件下能夠進行到什么限度，也就是說在一定條件下這種反應能夠進行，那么這個反應的最大轉化率是多少，能夠得到多少產品，知道了這些才能夠預測產品的成本?；瘜W反應的限度實際上是用平衡轉化率或平衡組成來體現(xiàn)出來的。平衡組成可以通過實驗來測定，但實驗需要較復雜的設備和較長的時間，不是任何條件下都能辦到的。因此科技工作者致力于比較快速的、通過計算來推斷平衡組成的方法。簡單的理想系統(tǒng)，例如理想氣體和稀溶液中的反應平衡組成的計算方法已經(jīng)在物化中介紹過了。這里我們主要介紹非理想系統(tǒng)和

14、復雜系統(tǒng)的化學平衡組成的計算。反應進程 反應進度若 =0時，表示反應尚為開始若 =1時，表示反應已按計量方程式100%地完成。相平衡：與系統(tǒng)T、P相同時的純組分化學平衡：在系統(tǒng)T與固定壓力（1atm）下的純組分 若溫度變化范圍不大若溫度變化范圍大，第六章 化工過程能量分析 熱力學第一定律：1.功 不可逆過程: 可逆過程： 規(guī)定：體系吸熱為正，放熱為負；對外做功為負，接受功為正。2.封閉系統(tǒng)的能量平衡式： 適用于可逆與不可逆過程。3.穩(wěn)定流動過程的能量平衡式： （） 3.1穩(wěn)流過程能量平衡式的簡化形式及其應用：氣體通過如孔板、閥門、多孔塞等節(jié)流裝置時：（即等焓過程） (1)壓縮機和膨脹機（透平）

15、鼓風機、泵等， 適用于可逆，不可逆過程。 （2）氣體通過如孔板、閥門、多孔塞等節(jié)流裝置時：（即等焓過程） (3)無軸功，但有熱交換的設備：鍋爐、熱交換器、塔等。 3.2軸功的計算方法：(1)可逆軸功：實際軸功與可逆軸功之比稱為機械效率。對于產功設備而言： ， 對于耗功設備而言： ， 4.氣體的基本熱力過程封閉體系： 微小過程： 4.1等容過程: 即 4.2等壓過程：可逆過程：不可逆過程（恒外壓）： 來計算功。4.3等溫過程： 4.4絕熱過程： 熱力學第二定律：1.熵與熵增原理熵的定義式： 適用于任何體系和環(huán)境。 封閉體系熵增原理公式為：上式中各種熵變的計算方法：1.1為封閉體系的熵變：可逆過程

16、：結論：無論是由已知條件得知，還是由熱力學第一定律得出的就為，可以直接代入計算。不可逆過程：設計一個初終態(tài)與不可逆過程的初終態(tài)相同的可逆過程，通過對這個可逆過程進行的計算，就可得出結果。1.2為外界環(huán)境的熵變： 環(huán)境可分為熱源和功源 即： 功源；熱源： （等溫可逆過程）2.熵產生與熵平衡2.1封閉系統(tǒng)的熵平衡 0 不可逆過程 =0 可逆過程 可判斷過程進行的方向0 不可能過程 封閉體系的狀態(tài)引起的熵變。因過程不同產生的。封閉體系與外界因有熱交流引起的。求的一般步驟：確定體系所用的熵平衡式。確定初終態(tài)，然后按照可逆過程來計算。a）b）c）根據(jù)不同的條件確定，從而得出 即 。根據(jù) 求。3.穩(wěn)定流動

17、系統(tǒng)的熵平衡 絕熱過程： （2）可逆絕熱過程（ ）： 4.理想功、損失功與熱力學效率4.1理想功對穩(wěn)定流動過程： 若忽略動能和勢能變化，則 4.2損失功對穩(wěn)定流動過程，損失功WL表示為 4.3熱力學效率做功過程： ；耗功過程：5.有效能5.1穩(wěn)流過程有效能計算5.2有效能效率第七章 壓縮、膨漲、蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)1.氣體的壓縮1.1等溫過程方程式 絕熱過程方程式實際（多變）過程方程 1.2若為可逆過程，按照“得功為正（或耗功為正）”的規(guī)定，其軸功可按式(7-1)計算 2.氣體的膨脹2.1特點：過程等焓 由熱力學第一定律：H = 0 由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應效應理想氣體 ：

18、真實氣體: J0 節(jié)流后溫度降低，制冷。J = 0 溫度不變。J0 節(jié)流后溫度升高，制熱等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化，稱為微分等熵膨脹效應系數(shù)，以 s 表示3.蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力裝置主要由四種設備組成：(1)稱為鍋爐的蒸汽發(fā)生器；(2)蒸汽輪機；(3)冷凝器；(4)水泵。3.1Carnot循環(huán)對外作(最大)功Ws,c 效率3.2Rankine循環(huán)及其熱效率對于單位質量的流體熱效率 熱效率越高，汽耗率越低，表明循環(huán)越完善 （1）等熵效率S：膨脹作功過程，不可逆絕熱過程的做功量與可逆絕熱過程的做功量之比（2） 實際Rankine循環(huán)的熱效率：4.制冷系統(tǒng)4.1Carnot制冷循環(huán)：

19、逆向卡諾循環(huán)：工質吸熱溫度小于工質放熱溫度；此即 Carnot 制冷循環(huán)。由兩個等溫過程與兩個等熵過程組成。 制冷效能系數(shù)逆向Carnot循環(huán)的制冷效能系數(shù)4.2蒸汽壓縮制冷循環(huán)的基本計算（1）單位制冷量 （2）制冷劑每小時的循環(huán)量（3）冷凝器的放熱量：冷凝器的放熱量包括顯熱和潛熱量部分 （4）壓縮機消耗的功 壓縮機消耗的功率 （5）制冷效能系數(shù) 制冷裝置提供的單位制冷量與壓縮單位質量制冷劑所消耗的功量之比4.3熱泵 二、習題演練1.試用下列各種方法計算水蒸氣在107.9105Pa、593K下的比容，并與水蒸氣表查出的數(shù)據(jù)（）進行比較。（1）理想氣體定律（2）維里方程（3）普遍化RK方程解：從

20、附錄三中查得水的臨界參數(shù)為：647.13K，22.055MPa，0.345（1）理想氣體定律誤差=維里方程使用普遍化的第二維里系數(shù)： 誤差=普遍化R-K方程 （238a） （238b）將對比溫度和對比壓力值代入并整理的： 聯(lián)立上述兩式迭代求解得：Z=0.7335誤差=水是極性較強的物質2.一個體積為0.3m3的封閉儲槽內貯乙烷，溫度為290K、壓力為2510解：乙烷的臨界參數(shù)和偏心因子為：305.32K，4.872MPa，0.099因此： 故使用圖2-11，應該使用普遍化第二維里系數(shù)計算 加熱后，采用RK方程進行計算。其中：T=479K，摩爾體積仍然為，首先計算： 代入RK方程：3.測得天然氣

21、（摩爾組成為CH484%、N29%、C2H67%）在壓力9.27MPa、溫度37.8下的平均時速為25。試用下述方法計算在標準狀況下的氣體流速。（1）理想氣體方程；（2）虛擬臨界參數(shù)；（3）Dalton定律和普遍化壓縮因子圖；（4）Amagat定律和普遍化壓縮因子圖。解：（1）按理想氣體狀態(tài)方程；標準狀況下氣體流速v（273K，0.1013MPa）（2）虛擬臨界參數(shù)法首先使用Kay規(guī)則求出虛擬的臨界溫度和臨界壓力，計算結果列表如下：組分摩爾/K/MPay/Ky/MPa甲烷0.84190.564.599160.073.863氮氣0.09126.103.39411.350.305乙烷0.07305

22、.324.87221.370.341合計1.00192.794.510虛擬臨界溫度為192.79K，壓力為4.510MPa，混合物的平均壓縮因子可由下列對比溫度和對比壓力求出：，查兩參數(shù)普遍化壓縮因子圖得：Zm0.89將壓縮因子代入方程得：在標準狀態(tài)下，壓縮因子Z1，因此體積流率可以得到：Dalton定律和普遍化壓縮因子查普遍化壓縮因子圖時，各物質的壓力使用分壓組分ZyiZi甲烷1.637.7871.6930.900.756氮氣2.460.8340.2460.980.0882乙烷1.0280.6490.1330.960.0672合計0.9114將壓縮因子代入方程得：在標準狀態(tài)下，壓縮因子Z1，

23、因此體積流率可以得到：Amagat定律和普遍化壓縮因子先查得各物質的壓縮因子，再使用分體積定律進行計算組分ZyiZi甲烷1.632.0160.880.739氮氣2.462.7310.990.0891乙烷1.0281.9030.320.0224合計0.8507在標準狀態(tài)下，壓縮因子Z1，因此體積流率可以得到：4. 試用普遍化方法計算二氧化碳在473.2K、30MPa下的焓與熵。已知在相同條件下，二氧化碳處于理想狀態(tài)的焓值為8377，熵為25.86。解：需要計算該條件下二氧化碳的剩余焓和熵已知二氧化碳的臨界參數(shù)為：304.19K，7.382MPa，0.228，根據(jù)圖211，應該使用普遍化的焓差圖和

24、熵差圖進行計算，查圖（34）、（36）、（38）、（310），分別得到：，由式（387）得： 由式（388）得： 故，故，5. 空氣在膨脹機中進行絕熱可逆膨脹。始態(tài)溫度T1為230K、壓力p1為101.3105Pa。（1）若要求在膨脹終了時不出現(xiàn)液滴，試問終壓不得低于多少？（2）若終壓為1.013105Pa，空氣中液相含量為多少？終溫為多少？膨脹機對外做功多少？（3）若自始態(tài)通過節(jié)流閥膨脹至1.013105Pa，終溫為多少？解：（1）查空氣的TS圖，其中初態(tài)為T1=230K，p1=101.3105Pa，查得其中絕熱可逆過程是一個等熵過程沿著等熵線從初態(tài)到末態(tài)為飽和液體（即交于飽和液相線時），此

25、時壓力可查得：p2=8atm若沿著等熵線到壓力為1atm時，則到了氣液共存區(qū)，查得此時T2=84K且此時，飽和狀態(tài)的焓值分別為：， 即液相含量為1-0.851=0.149由熱力學第一定律，此時膨脹機對外做功34若過程是通過節(jié)流閥膨脹，即是一個等焓過程從初態(tài)等焓膨脹至壓力為1.013105Pa，終溫為：192K三、學習心得通過對化工熱力學這門課程的學習，深刻認識到化工熱力學是在經(jīng)典熱力學基本原理和理想系統(tǒng)(如理想氣體和理想溶液等)的模型基礎上, 將重點轉移到更接近實際的系統(tǒng)上, 為的是解決工廠中的能量利用及平衡問題。而為了使熱力學的模型和結果既保持正確性和嚴格性, 又便于應用, 熱力學采用了以標準態(tài)為基礎加上模型校正的方法來處理實際系統(tǒng)。為了利用有限的實驗數(shù)據(jù)獲得整個系統(tǒng)、其他