天大化工热力学第三章资料讲解
化工热力学第三章
化工热力学第三章一、热力学基本概念回顾热力学是研究能量转化和传递过程的科学，是化学工程领域重要的基础学科。
在热力学中，有一些基本概念非常重要，本章将回顾这些基本概念，为后续的研究打下基础。
1. 系统与环境在热力学中，将研究对象称为“系统”，而与系统发生能量交换的周围部分称为“环境”。
系统和环境在界面处通过传热、传质和传动量相互作用。
2. 状态函数状态函数是用来描述系统所处状态的函数，它不依赖于系统的历史过程，只与系统的初始状态和终态有关。
常见的状态函数有压力、体积、温度、摩尔数等。
3. 状态方程状态方程是用来描述系统各个状态函数间的关系的方程。
根据状态方程，我们可以通过知道系统的某些状态函数值来求解其他状态函数的值。
4. 内能与焓内能是描述系统的能量状态的一个重要函数，它由系统的各种微观粒子的能量所组成。
焓是指在恒定压力下系统的储热性质，它等于系统的内能加上恒定压力乘以系统的体积。
二、热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒的表述，它规定了能量在系统与环境之间的转化与传递过程。
根据热力学第一定律，系统的能量变化等于系统所吸收热量与对外做功的代数和。
1. 等焓过程在等焓过程中，系统的焓保持不变，即系统吸收的热量等于对外做的功（正负号取决于系统吸热还是放热）。
等焓过程常见的有恒压容器内的物质变化。
2. 绝热过程在绝热过程中，系统与环境之间不发生热量交换。
因此，绝热过程中系统的内能变化等于对外做的功。
绝热过程常见的有恒容容器内的物质变化。
3. 等温过程在等温过程中，系统的温度保持不变，即系统吸收的热量等于对外做的功（正负号取决于系统吸热还是放热）。
等温过程常见的有在恒温水浴中对试样的加热。
三、热力学第二定律热力学第二定律是关于热力学过程方向的定律，它规定了热力学过程发生的方向。
根据热力学第二定律，热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。
1. 热力学温度热力学温度是描述物体热平衡状态的物理量，它是由热力学第二定律所确定的。
化工热力学总结提纲
化工热力学”课程，学习重点及要求（2009年11 月12 日）第二章流体的pVT关系（1）理解气体的非理想性，掌握状态方程的基本选择方法（2）掌握截项virial方程、立方型方程、普遍化关联式的使用（3）熟悉状态方程的混合规则（基本类型）与交互作用参数的使用（简化原则与获得方法），掌握混合物pVT关系的原则求解方法（4）熟悉状态方程的基本选择方法（5）掌握饱和液体体积的计算方法（6）理解学习流体的pVT关系的应用意义第三章流体的热力学性质：焓和熵（1）了解单组分流体的热力学基本关系（2）熟悉Bridgeman表的使用（3）熟悉蒸汽压方程，掌握蒸汽压的计算（4）掌握剩余性质的计算，单组分流体的焓变与熵变的计算（5）掌握水蒸汽表、热力学性质图的使用（6）了解多组分流体的热力学基本关系（7）理解多组分流体的非理想性，掌握混合物与溶液的概念区别（8）掌握理想混合物的概念，熟悉混合性质的基本关系（9）熟悉偏摩尔性质及其与混合物性质关系的分析与计算（10）掌握多组分流体的焓变与熵变的计算第四章能量利用过程与循环（1）掌握系统能量平衡方程的表述方法（2）掌握气体压缩过程与膨胀过程在T-S图和lnp-H图上的分析与计算，以及功量计算方法（3）熟悉简单蒸汽动力循环（Rankine cycle）在T-S图和Inp-H图上的分析与计算（4）熟悉简单蒸汽压缩制冷循环在T-S图和Inp-H图上的分析与计算（5）了解热泵的概念与基本原理2（6）了解深度冷冻与液化的基本原理第五章过程热力学分析（1）了解熵产生以及能量质量不守衡定理（2）熟悉函数的概念，熟悉环境基准态的概念。
（3）了解热量、物质标准、稳定流动体系函数的原则求解方法（4）掌握损失的概念、系统铝平衡方程的表述方法（5）熟悉效率（6）了解分析的基本方法第六章流体的热力学性质：逸度与活度（1）了解多组分流体热力学性质标准态的规定（2）掌握气体和液体纯组分逸度的计算，多组分体系中的组分逸度的计算（3）熟悉超额性质及其与活度系数的关系（4）了解用活度计算混合焓（5）熟悉溶解度参数模型、van larr模型、Margulars模型和Wilson模型的使用（包括模型参数的获取）以及活度系数模型的基本选择方法第七章流体相平衡（1）了解二元体系VLE与LLE相图（2）掌握VLE关系的基本模型（3）掌握VLE问题的计算（4）了解VLE数据的热力学一致性检验方法；（5）了解共沸现象的判别方法（6）了解LLE关系的基本模型第八章化学平衡（ 1 ）熟悉平衡组成的反应进度表示方法（2）了解反应体系的独立反应数的确定方法（3）掌握化学平衡关系的基本模型（4）掌握均相气相反应计算方法（5）了解液体混合物反应、溶液反应和非均相反应平衡的计算方法3总结提纲第二章流体的pVT关系（1）概念：理解气体，非理想性（相关特性的描述参数：偏心因子、偶极距），状态方程，虚拟临界性质，流体的pVT关系的图形表示（p-V图，T-p图等）（2）原理：对比态原理（3）方法：截项virial方程、RK方程、L-K方程等EOS的选择与计算；混合规则（基本类型）与交互作用参数的使用（简化原则与获得方法）；混合物pVT关系的原则求解方法（4）其它：流体的pVT关系的应用意义第三章流体的热力学性质：焓和熵（1）概念：蒸汽压方程；剩余性质；混合物与溶液的概念区别；理想混合物；混合性质；偏摩尔性质；无限稀释偏摩尔性质；热力学性质的标准态规定（2）原理：偏摩尔性质加成关系、Gibbs-Duham方程等（3）方法：熟悉Bridgeman表的使用；蒸汽压、气化焓的计算；单组分流体的焓变与熵变的计算；水蒸汽表、热力学性质图（T-S图、lnp-H图、焓浓图等）的使用；偏摩尔性质与多组分流体性质的3个关系分析（包括结合标准态的分析）；利用偏摩尔性质、混合性质计算多组分流体的焓变与熵变（4）其它：获得混合性质的方法第四章能量利用过程与循环（1）概念：流动体系的能量数量与焓（2）原理：能量数量守衡定理（焓守衡定理）（3）方法：稳流系能量平衡分析（包括对象系统的界定和系统边界的能流评价等）；气体压缩过程与膨胀过程的数值分析与在T-S图和Inp-H图上的分析和计算，包括膨胀过程的温度效应分析以及功量计算方法；简单蒸汽动力循环（Rankine cycle）的在T-S 图和ln»H图上的分析与计算；简单蒸汽压缩制冷循环在T-S图和Inp-H图上的分析与计算（4）其它：第五章过程热力学分析4（1）概念：熵产生；流动体系的能量质量与勺；勺损失（2）原理：能量质量不守衡定理（〒不守衡定理）（3）方法：稳流系2平衡分析（包括对象系统的界定和系统边界的2流、内部损失的评价等）；热量〒的计算；物质标准铝的计算；流体勺的计算；〒效率与〒损失率；〒分析的基本方法（4）其它：第六章流体的热力学性质：逸度与活度（1）概念：逸度（逸度系数）；活度（活度系数）；理想混合物与Lewis/Ra ndall 规则；逸度与活度的标准态规定；超额性质（2）原理：基于逸度或活度的多组分流体偏摩尔Gibbs函数的模型化（3）方法：逸度的计算（气体纯组分逸度的计算，液体纯组分逸度的计算，多组分体系中的组分逸度的计算）；用活度计算混合焓；超额性质及其与活度系数的互推关系；溶解度参数模型、van larr模型、Margulars模型和Wilson模型等ACM的选择与活度系数的计算（包括模型参数的获取）（4）其它：第七章流体相平衡(1)概念：二元体系VLE与LLE相图；VLE条件(2)原理：等温等压条件下，基于Gibbs函数变的零判据所建立的VLE模型( 3) 方法：VLE 模型建立(逸度系数模型，逸度系数与活度系数组合模型，标准态的选择，VLE模型的应用选择与简化等)；根据VLE问题(5种典型问题)建立原则求解程序；LLE问题的模型化及原则求解；熟悉共沸现象的判别( 4) 其它：第八章化学平衡( 1 ) 概念：反应进度；化学平衡条件；平衡常数(2)原理：等温等压条件下，基于Gibbs函数变的零判据所建立的化学平衡模型( 3) 方法：反应体系的独立反应数的确定；化学平衡模型建立(逸度系数与活度系数在模型中的运用，标准态的选择，化学平衡模型的应用选择与简化等)；根据化学平衡问题建立原则求解程序。
天津大学物理化学知识点归纳
V1
p1
恒压（p1=p2）△S= nCp,mln T2 = n Cp ,m l n V2
T1
V1
恒容（V1=V2）△S= nCV,mln T2 = n CV ,m ln p 2
T1
p1
凝聚相系统
△S= 2δ Qr
1T
恒容△S = T2 nCv,m dT
T1
T
恒压△S= T2 nC p,m dT
(
B)
B
6. △rH m 与温度的关系
基希霍夫方程的积分形式
△rH
m
(T2)=
△rH
m
(T1)+
T2 T1
△rC
p,m
(
B)
dT
基希霍夫方程的微分形式
d
△rH
m
=△r
C
p,m
dT=
vBC
p,m
(
B)
B
七、节流膨胀系数的定义式
μJ-T=（аT/аp）H μJ-T 又称为焦耳—汤姆逊系数
此式适用于理想，近似于地适用于低压下的真实气体。
化工热力学讲义
化工热力学补充讲义沈阳工业大学化工热力学补充讲义说明化工热力学目前尚没有公开出版的高职高专教材，我们选用了中国石化出版社（原烃加工出版社）出版的石油化工大专院校统编教材“化工基础热力学”作为主要教学参考书。
根据高等职业教育的特点，以加强教学内容的针对性和实用性为目的，编写了化工热力学补充讲义。
利用状态方程计算热力学性质的计算公式推导比较困难，我们将从文献中查到的一些常用的公式补充到讲义中，要求学生能够正确使用这些公式以及能够从文献中查到所需要的公式。
化工基础热力学中的许多内容是参考美国Smith教授等人编写的，1975年出版的化工热力学导论第三版一书。
现在化工热力学导论已经出版了第六版。
我们本着便于应用的原则，参照化工热力学导论的英文教材，将新版教材中对第三版改动较大的部分内容补充到讲义中。
第一章绪论一化工热力学课程发展的主要历史沿革热力学是一门研究能量、能量传递和转换以及能量与物质物性之间普遍关系的科学。
热力学(thermodynamics)一词的意思是热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。
从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器作功成为重要的研究课题。
1798年，英国物理学家和政治家 Benjamin Thompson (1753-1814) 通过炮膛钻孔实验开始对功转换为热进行研究。
他在1798年的一篇论文中指出，制造枪炮所切下的铁屑温度很高，而且不断切削，高温铁屑就不断产生。
既然可以不断产生热，热就非是一种运动不可。
1799年，英国化学家 Humphry Davy (1778-1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。
当时，他们的工作并未引起物理界的重视，原因在于还没有找到热功转换的数量关系。
1842年，德国医生Julius Robert Mayer (1814 - 1878) 主要受病人血液颜色在热带和欧洲的差异及海水温度与暴风雨的启发，提出了热与机械运动之间相互转化的思想，并从空气的比定压热容和比定容热容之差算出热的功当量。
化工热力学第3章
1.van der Waals 方程
临界条件
P 0 V T Tc P 0 2 V T Tc
2
27R 2TC2 a 64PC
2013-8-2
RTC b 8PC
34
1.van der Waals 方程
van der Waals 方程是第一个适用真实 气体的立方型方程，其中的a和b分别 为方程的引力和斥力参数，是对分子 有体积和分子间存在作用的校正。
三维相图2
液 固 临界点
气
汽
凝固时膨胀
2013-8-2 6
Shanghai university
三维相图的投影
2013-8-2
7
Shanghai university
问题：
水在常压加热变化 带有活塞的汽 缸保持恒压
立方型状态方程
立方型状态方程可以展开成为 体积V 的三次方形式。
2013-8-2
32
1.van der Waals 方程
是第一个适用于实际气体的状态方程
RT a P 2 V b V
与理想气体方程相比，增加了a，b两个参 数。分别是对分子有体积和分子间存在相互 作用的校正。
2013-8-2 33
RT a P V b V V b
将RK方程中的常数a作为温度的函数：
R T a ac T 0.42748 T P c RTc b 0.08664 2013-8-2 P c
38
2
2 c
3.Soave - Redlich - Kwong ( SRK )方程
和气液混合物，已知50℃时水的饱和液相体积 ， 饱和汽相体积，水的临界体积如下。现在将水慢慢 加热，使得饱和气液混合物变成了单相，问：此单 相是什么？如果将容器换为400L，最终答案时什么？
化工热力学 第三章
S P V T T V
S V p T P T
H V V T P T T P
H ig V
U P T P V T T V
建立了S = S(T，P )或S = S(T，V )
2、其它有用的关系式： 将dH =TdS＋VdP 在恒T下两端同时除以d P
H V S p T P V V T T T T P
借助EOS可计算 等温过程的△H
H V P S A P V T G V P T
重要!
F 分别对 M X Y
F M Y X Y X Y X
S ig R V T V S ig R p P
T
S ig f (T )
H ig P
V RT 0 P T
P 0 V T T
H ig T P
M
T2，P2，M2 真实气体
M1
理想气体 T1，P0，M1ig
M 2
M ig
T2，P0，M2ig 理想气体
ig
M M 2 M1 M
两个偏离函数之差
理想性质的变化
热力学第一、第二定律
V f (T , P ) S f (T , P )
4个热力学基本关系式
H , U , A, G f (T , P ) 或 f (T ,V )
M R M ig (T , p) M (T , p)
《化工热力学》第三章080929
对于实际气体
V T ( )P V 0 T T( V )P V 0 T
J 0 J 0
J 0
节流后温度降低，冷效应 节流后温度不变，零效应
V T ( )P V 0 T
节流后温度升高，热效应
若已知真实气体的状态方程，即可以算出节流效应 系数，一般需要实验测定。
可见，对液体稳流过程，热流量较大而位高变化不大 时，和两项与Q相比，数值显得很小，甚至可以忽略
23
3.5.3、稳流过程能量平衡式的简化及应用 (１) 机械能平衡式
不可压缩流体体系与外界无热、无轴功交换的稳流过 程的能量平衡推导如下： 将
H U (Pv)
代入式稳流能平方程得
1 2 U ( Pv) u gz Q WS 2
III、质量为Mout的流体流出体系过程中对下 游流体所做的功:
Wout Pout voutM out
10
特别强调WS或者Wout都是以体系所反抗的环境 的压强来计算的。 体系所做的总功为：
W PoutvoutM out Pin vinM in Ws
而能量平衡方程也可以改写为：
H U Pv
用焓表示的敞开体系的能量平衡方程为：
u2 u2 H gz min H gz mout Q ' W 'S dEsys / dt 2 2 in out
k
u2 u2 H gz m k ,in H gz mk ,out Q ' W 'S dEsys / dt 2 2 k ,in k ,out 13
单位 均为： J/kg 或者 J/mol
天大化工热力学第三章 ppt
HpT TSpT V
S p
T
V T
p
dHCpdTVTV Tpdp
HpT
VTV Tp
积分
H H p H TT T 1 2 C pd T p p 1 2 V T V T p d p
-
15
熵随温度、压力的变化关系
SfT,p
dST SpdTSpTdp
S C p T p T
系
ST
p2V dp p1 Tp
Sp
T2CpdT T T1
Hp TT12CpdT
真实流体的热容关系
CpfT,p
真实流体的等压焓 变和熵变无法计算
-
19
T1,p1●
H 1 S1
真实流体焓变和熵变的计算
H,S
● T2,p2
H 2 S2
●
(gT1,p1)i
Hig,Sig
HH1HigH2 SS1SigS2
以过程的焓变、熵变为例，说明通过p –V –T及 热容，计算过程热力学性质变化的方法。
热力学性质图、表也非常有意义，本章还要介 绍几种常用热力学性质图、表的制作原理及应 用。
-
4
3.1 热力学性质间的关系
-
5
封闭系统热力学第一定律：
dUQW
若过程可逆
只作体积功
QTdS
WpdV
dUTdSpdV
由
HUpV
微 dUTdSpdV
分
dHTdSVdp
同理： G H TS
A U TS
dGVdpSdT
dApdVSdT
-
6
热力学基本方程
热力学基本方程是关于能量函数的全微分
dUTdSpdV dHTdSVdp
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dUTdSpdV
麦克斯韦（Maxwell）关系式：
T V
S
p S
V
T p
S
V S
p
p T
V
S V
T
V T
p
S p
T
： Maxwell关系式的应用
Maxwell关系式的重要应用是用易于实测的基本数据来代替或计 算那些难于实测的物理量，如熵S是不能直接测量的，S 随温度T、
●
(T2,p2)ig
剩余性质
定义：所谓剩余性质，是真实状态下流体的热力学性质 与在同一温度、压力下处于理想气体状态时广度热力学 性质之间的差额，MR M RM (T ,p )M ig (T ,p )
H RH (T ,p)H ig (T ,p)
SRS(T ,p)Sig (T ,p) V RV (T ,p)V ig (T ,p)
系
ST
p2V dp p1 Tp
Sp
T2CpdT T T1
Hp TT12CpdT
真实流体的热容关系
CpfT,p
真实流体的等压焓 变和熵变无法计算
T1,p1●
H 1 S1
真实流体焓变和熵变的计算
H,S
● T2,p2
H 2 S2
●
(gT1,p1)i
Hig,Sig
HH1HigH2 SS1SigS2
以过程的焓变、熵变为例，说明通过p –V –T及 热容，计算过程热力学性质变化的方法。
热力学性质图、表也非常有意义，本章还要介 绍几种常用热力学性质图、表的制作原理及应 用。
3.1 热力学性质间的关系
封闭系统热力学第一定律：
dUQW
若过程可逆
只作体积功
QTdS
WpdV
dUTdSpdV
由
HUpV
热力学基本方程的全微分：
dUU SVdSU VSdV dHH SpdSH pSdp比较热力学基本方程
dAV ATdVT AVdT Helmholz方程
dGG pTdpG TpdT
T
U S
V
H S
p
p
U V
S
A V
T
V
H
p
S
G p
T
S
A T
V
G T
p
STig＝
p2 p1
R p dp
R ln
p1 p2
pVRT V RT V R p T p p
HigHipgTT12CipgdT Sig ＝ Sipg ＋ ST ig ＝ T T 12C T ipgdTRlnp p1 2
真实流体焓变和熵变的计算
HT
p2VTV
dp
p1 Tp
真实流体的p－V－T关
p
dHCpdTVTV Tpdp
HpT
VTV Tp
积分
H H p H TT T 1 2 C pd T p p 1 2 V T V T p d p
熵随温度、压力的变化关系
SfT,p
dST SpdTSpTdp
S C p T p T
S p
T
V
T p
dSCpdT积分VTpdp
理想气体焓、熵的计算
Hp TT12CpdT
Hipg TT12CipgdT
Sp
C T2 p dTC ipg gA B T C2 T D3 T E4T Spig T T1
C ig
T2 p
dT
T T1
HT
p2VTV
dp
p1 Tp
ST
p2V dp p1 Tp
HTig pp12RpTTR pdp 0
压力p、体积V的变化的计算。
提问：熵随温度的变化关系怎样？
热容
定压热容
H T
p
C
p
定容热容
U T
V
CV
dHTdSVdp
恒压下两边同除以dT
H T S T p Tp
dUTdSpdV
恒容下两边同除以 dT
U TS v TV TV
S 1H Cp Tp TTp T
S 1U CV TV TTV T
热容
理想气体热容
C
ig pg
C ipg gA B T C2 T D3 T E4T
式中的A、B、C、D、E是由实验数据回归得 到的常数，目前已有大批物质的相关数据，并 且有许多估算方法。
真实气体热容 C p g
真实气体热容既是温度的函数，又是压 力的函数。其实验数据很少，也缺乏数 据整理和关联。
3.2 焓变和熵变 的计算
微 dUTdSpdV
分
dHTdSVdp
同理： G H TS
dGVdpSdT
A U TS
dApdVSdT
热力学基本方程
热力学基本方程是关于能量函数的全微分
dUTdSpdV dHTdSVdp
dApdVSdT dGVdpSdT
适用条件：适用于封闭系统，它们可以用于单相或多相系统
Helmholz方程
焓、熵计算途径
p2
b●
p
p
●
1
1（T1,p1） Hp,Sp
T1
T
MMTMp
● 2（T2,p2） H T ST
●
a T2
焓随温度、压力的变化关系
HfT,p
dHH TpdTH pTdp
H C p T p
？
H p
T
dHTdSVdp
恒温下两边同除以dp
HpT TSpT V
S p
T
V T
本章主要内容
掌握蒸汽压的概念，熟练运用安托尼方程计算 纯物质的蒸汽压。
理解蒸发焓、蒸发熵的概念。能熟练运用C-C 方程和经验关联式计算蒸发焓。
熟练使用T-S图等，进行热力学性质计算。 使用水蒸汽表进行水蒸汽的热力学性质计算。
主要内容
导出关联各热力学性质的基本方程。它们把U， H，S等热力学性质与容易度量的量如p、V、T、 热容（ ， ）C等p 联C V系起来。
第三章 纯物质的热力学性质
本章主要内容
熟练掌握并使用热力学基本方程。 掌握麦克斯韦关系式及其应用。重点掌握熵变
随压力和体积的变化关系。 掌握理想气体焓变和熵变的计算方法。 理解剩余性质的概念。重点掌握剩余性质与流
体pVT的关系。 重点掌握剩余性质的计算并熟练运用剩余性质
进行高压下焓变和熵变的计算。
S Sp STT T 12C T pdTp p 12 V T pdp
焓变、熵变的计算关系式
H H p H TT T 1 2 C pd T p p 1 2 V T V T p d p
S Sp STT T 12C T pdTp p 12 V T pdp
麦克斯韦（Maxwell）关系式
对一个单相单组元系统，系统有三种性质x，y，z，变量z为自
变量x和y的单值连续函数 ：
z f x,y
全微分
z yxyx
z xyxy
dzxzydxyzxdy
M y
x
N x
y
M
z x
ydzM dxNdy
T V
S
p S
V