化工热力学
化工热力学
化工热力学化工热力学的第一个问题就是热能的转换。
它包括各种形式的热量之间的转换，如物质之间、设备之间、管线之间、以及反应容器内的气体之间的热量转换，因此这一章讨论各种传热问题。
化工热力学的第二个问题是研究反应中能量的传递问题，包括原料与产品的化学反应，产品与副产品的物理加工过程。
化工热力学的第三个问题是研究物质在溶液、悬浮液和气体中的分散与凝聚，其中包括固体物质的溶解、离析、沉降、升华、凝结、胶体化以及气体中的扩散等问题。
化工热力学的第四个问题是研究燃烧问题，包括燃烧方法的选择、燃烧室的设计和热量的测量等问题。
高温时空气中水蒸气液化变成饱和液态水。
温度降低到100 ℃以下时，液态水全部结冰。
水的结晶温度随压力升高而降低，纯净的水在一定的压力下有固定的熔点，温度在一定范围内变动，由于结构不同，在不同的条件下会发生物理性质上的变化，可制成很多晶体。
如常见的冰、干冰、雪、盐等，熔点不同。
水蒸气在一定条件下可以直接变成水。
水蒸气凝结时要吸收热量。
用途很广，人类生活和生产中大量需要各种各样的水。
水有许多不同的状态，有冰、水汽、水滴、雾、露、湿空气、液态水、盐水、海洋水、地下水、泉水、河流、湖泊、溪水、海水等。
水与水之间有密切的联系，如果我们能够科学地使用水资源，就会避免许多水灾害。
水有自己的运动规律，按照这些规律来观察和认识水，将会给人们带来很大的好处。
在过去的十几年里，世界上许多国家面临着水资源不足的危机。
为了减少用水，保护水资源，世界各国都非常重视节约用水。
全世界每年缺水约500亿立方米。
在干旱的北非、中亚和南美一些地区，每天至少损失100万人口的饮用水。
我国也面临着严峻的缺水问题。
我国人均水资源占有量仅为世界人均量的四分之一。
3。
化学分析是对实验中所得到的数据进行分析和处理，从而得出结论或者通过一定的推理，证明某种结果是否符合事实。
4。
溶液在一定条件下能够导电，且当两种液体互相接触时会发生放热现象，把这两种液体分开的方法叫做分液。
化工热力学知识要点
化工热力学知识要点1、化工热力学的研究方法：宏观研究方法 微观研究方法。
2、热力学体系：孤立体系（无物质无能量） 封闭体系（无物质 有能量） 敞开体系（有物质 有能量）。
3、体系 环境：在热力学分析中，将研究中涉及的一部分物质（或空间）从其余物质（或空间）中划分出来。
其划分出来部分称为体系，其余部分称为环境。
4、状态函数：描述体系所处状态的宏观物理量成为热力学变量（状态函数）。
常用的状态函数有压力、温度、比容、内能、焓、熵、自由焓等。
5、循环：体系经过一系列的状态变化过程后，最后由回到最初状态，则整个的变化称为循环。
分为正向循环和逆向循环。
6、临界点：气化线的另一个端点是临界点C，它表示气液两相能共存的最高压力和温度，即临界压力cp 和临界温度cT 。
7、临界点的数学表达式：临界等温线在临界点上的斜率和曲率都等于零。
数学上表示为0=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=cTT V p 022=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=cTT V p8、直线直径定律：当以饱和液体和饱和蒸气密度的算术平均值对温度作图时，得一近似的直线。
9、纯物质的p-V-T 图：P 510、理想气体状态方程：RT pV =式中，p 为气体压力；V 为气体摩尔体积；T 为绝对温度；R 为通用气体常数 8.314J/(mol ·K)11、范德华方程（van der Waals 方程）：2V ab V RT p --= 其中cc pT R a 642722=；cp RTb 8=。
12、R-K 方程： )(5.0b V V T ab V RT p +--= 其中ccp T R a /42748.05.22=;cc p RT b /08664.0=。
13、维里方程（Virial 方程）：++++==321V DV C V B RT pV Z (2-26) 或者 ++++==32'''1p D p C p B RTpVZ式中， 、、、)'()'()'(D D C C B B 分别称为第二、第三、第四、 Virial 系数。
化工热力学精ppt课件
利用纯物质在临界点附近的特殊性质，通过一 些经验公式或图表，估算其在其他条件下的热 物理性质。
混合物热物理性质预测方法
基于组分的加权方法
根据混合物中各组分的摩尔分数或质量分数，采用加权平均的方法 预测混合物的热物理性质。
基于活度的预测方法
引入活度系数来描述混合物中组分间的相互作用，通过活度系数与 纯物质性质的关联，预测混合物的热物理性质。
01
夹点技术
通过优化换热网络，降低能源消耗。
热泵技术
利用外部能源，提高低温热源的品 位，实现能量的升级利用。
03
02
热集成
将多个操作单元集成在一起，提 高能源利用效率。
04
节能技术与措施
改进工艺和设备
采用先进的生产工艺和设备，降低能源消耗。
设计优化方法
通过选择合适的萃取剂、优化萃取塔结构、改进操作条件 等方式，提高萃取过程的分离效率，降低能耗和投资成本。
案例分析
结合具体萃取案例，分析热力学原理在萃取过程设计中的 应用，以及优化方法对提高萃取效率的作用。
其他分离过程热力学原理简介
01
02
结晶过程热力学原理
利用物质在溶液中的溶解度随温度、压 力等条件的变化而变化的性质，实现物 质的分离和提纯。结晶过程涉及相平衡、 传热等热力学基本原理。
封闭系统
与外界有能量交换但没有物质交换的系统。
开放系统
与外界既有能量交换又有物质交换的系统。
热力学基本定律
热力学第零定律
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也必定处于热平衡状态。
热力学第一定律
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
化工热力学第一章.
化工热力学 第一章 绪 论
化工热力学解决的实际问题可以归纳为三类： (1) 过程进行的可行性分析和能量的有效利用； (2) 相平衡和化学反应平衡问题； (3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学 第一章 绪 论
2. 热力学在化工过程开发中的作用
局限：对物质结构必须采用一些假设的模型，这 些假设模型只是物质实际结构的近似描写。
化工热力学 第一章 绪 论
四、化工热力学研究内容及在化工过程开发中的作用 1. 化工热力学的研究内容
化工热力学的主要任务是以热力学第一、第二定律 为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利 用的规律,研究物质状态变化与物质性质之间的关系以及 物理或化学变化达到平衡的理论极限、条件和状态。
7 了解热力学在化工过程中的主要实际应用。
化工热力学 第一章 绪 论
预备知识（复习名词、概念）
体系与环境
体系：研究的对象 环境：研究对象以外的部分
敞开体系（开系）：体系与环境之间有能量与物质的交换。
体系 封闭体系（闭系）：体系与环境之间只有能量交换而无物质的交换。
孤立体系：体系与环境之间既无能量交换也无物质的交换。
化工热力学 第一章 绪 论
过程与循环
过程：状态的变化历程 按可逆程度分：可逆过程、不可逆过程。 按状态参数变化分：等温、等压、等容、等焓、绝热过程等。
循环： 正向循环：热能变为机械能的热力循环。PV图上以顺时针 方向循环。所有热机都是。
逆向循环：消耗能量迫使热量从低温流向高温。 V图上以逆 时针方向循环。所有制冷、热泵都是。
3.化工热力学在化工过程开发中的作用
降低原料消耗，减少环境污染； 降低能耗（利用夹点技术）； 提高产品的质量（利用新型分离技术）； 为化工单元操作提供多元相平衡数据； 为实验成果的放大，实现工业化提供基础
化工热力学
数有关，还与物质的蒸气压及外界条件温度相关联，建立 了SRK方程。 ▪ 形式
p RT a V b V (V b)
式中的方程常数b与RK方程的相同，常数a的表达式为
关。虽然有的状态方程可以用于气、液两相，但
较多用于气相，而且准确也高，而活度系数模型 主要用于液体溶液。
（2）意义： 化工热力学解决的三大问题中，以平衡状态下 热力学性质的计算最为重要，它是解决其它问题的基础， 所以在本书中受到特别的重视，所占的篇幅较多，其理由 如下：
▪ 物性及热力学性质是化工工艺设计中不可缺少的基础数据。 化工生产要涉及大量的物质，在过程开发和化工生产中， 若对处理物料的性质不了解，则无法分析流体间物质和能 量的传递，也无法设计分离过程，更无法认识其反应过程。
▪ 超临界流体区：高于临界温度和压力的区域叫超临界流体 区。从液体到流体或从气体到流体都不存在相变化。超临 界流体既不同于液体，也不同于气体，它的密度可以接近 液体，但具有类似气体的体积可变性和传递性质，可以作 为特殊的萃取溶剂和反应介质，与此相应的开发技术有超 临界萃取和超临界反应等。
▪ P-V图上的等温线: 主要有三种, 一是高于临界温度的等 温线T1，曲线平滑，近于双曲线，即PV = 常数，符合理 想气体的状态方程；二是小于临界温度的等温线T3，被 AC和BC线截断为三部分，其中水平段表示气液两相平衡
▪ 模型：经典热力学原理必须与反映系统特征的模 型相结合，才能解决实际问题。因为它只表示了
上述两类热力学性质之间的普遍依赖关系，并不
因具体系统而异。具体系统的这种关系还要由此
化工热力学
化工热力学讲稿0.绪论0.1 热力学发展简史1593年伽利略制造出第一支温度计1784年有了比热容的概念18世纪中期，热质说18世纪末到19世纪中叶，热动说蒸汽机发明，1824年，卡诺提出理想热机，热力学的萌芽1738年，伯努利方程诞生，为其验证能量守恒，即热力学第一定律1824年出项第一个热功当量，焦耳进行试验测定1850年克劳修斯证明了热机效率，1854年正式命名了热力学第二定律1913年能斯特提出热力学第三定律1931年Fowler提出热力学第零定律0.2化工热力学的主要内容热力学第一定律和热力学第二定律。
与物化不同之处在于要讨论系统与环境既有物质交换又有能量的情况，偏重的是在实际工程上的应用。
0.3 化工热力学的研究方法及其发展微观与宏观相结合微观：分子热力学宏观：经典热力学量子力学的发展液位化工热力学的研究提供了新的途径，0.4 化工热力学在化工中的重要性定性定量0.5 热能转换的基本概念一、热力系、状态及状态参数（一）热力系与工质1、工质：在物化学习当中我门知道热机就是将热能转变为机械能的设备，如气轮机、内燃机等都是热机。
在热机中要使热能不断的转变为机械能，需要借助于媒介物质。
实现能量转换的媒介物质就是工质。
例如在卡诺热机当中的工质就是理想气体。
不同性质的工质对能量转换的效果有直接影响，工质性质的研究是本学科的重要内容之一。
原则上，气、液、固三态物质都可以作为工质，但热力学中，热能与机械能的转换是通过物质体积变化来实现的，为使能量转换快速而有效，常选气态物质为工质。
在火电厂中，由于工质连续不断的通过热力设备膨胀做功，因此，要求工质应有良好的膨胀性和流动性，此外，还要求工质热力性质稳定，无毒，无腐蚀，价廉、易得等。
因此，目前火电厂中采用水蒸气作为工质。
水在锅炉中吸热生成蒸气，然后在气轮机中膨胀推动叶轮向外做功，做功后的乏汽在宁汽器中向冷却水放热又凝结为水。
在这一系列中，炉膛中的高温烟气是向工质提供热量的高温热源，气轮机是实现能量转换的热机，凝汽器中的冷却水是吸收工质所释放的废热的低温热源，通过工质的状态变化及它和高温热源、低温热源之间的相互作用实现了热能向机械能的连续转换。
化工热力学公式总结
化工热力学公式总结1.热平衡公式：对于封闭系统，内能变化等于热变化和功变化之和。
即：ΔU=Q-W其中，ΔU表示内能变化，Q表示系统吸收或放出的热量，W表示系统对外做功。
2.热容公式：热容是单位质量物质温度变化1°C所吸收或放出的热量。
Q=mCΔT其中，Q表示吸收或放出的热量，m表示物质的质量，C表示热容，ΔT表示温度变化。
3.平衡常数（K）公式：对于化学反应：aA+bB↔cC+dD反应的平衡常数（K）定义为反应物浓度的乘积与生成物浓度的乘积之比：K=[C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b其中，[A]、[B]、[C]、[D]表示反应物和生成物的摩尔浓度。
4.反应焓变（ΔH）公式：反应焓变是化学反应进行过程中吸热或放热的量。
根据焓守恒定律，反应焓变可以通过反应物和生成物焓变的差值表示：ΔH=ΣnΔHf(生成物)-ΣmΔHf(反应物)其中，n和m为反应物和生成物的系数，ΔHf表示物质的标准生成焓。
5.反应熵变（ΔS）公式：反应熵变是化学反应进行过程中熵的变化。
根据熵守恒定律，反应熵变可以通过反应物和生成物熵变的差值表示：ΔS=ΣnS(生成物)-ΣmS(反应物)其中，n和m为反应物和生成物的系数，S表示物质的熵。
6.反应自由能变（ΔG）公式：反应自由能变是化学反应进行过程中自由能的变化，可以通过反应物和生成物的自由能差值表示：ΔG=ΣnG(生成物)-ΣmG(反应物)其中，n和m为反应物和生成物的系数，G表示物质的自由能。
7.热力学平衡公式：对于可逆反应，根据吉布斯自由能变可以推导出热力学平衡公式：ΔG=ΔH-TΔS其中，ΔG为反应的吉布斯自由能变，ΔH为反应的焓变，ΔS为反应的熵变，T为温度。
以上是化工热力学中常用的公式总结，这些公式在研究和设计化工过程中起到了重要的作用。
通过应用这些公式，可以计算和预测系统的热力学性质和能量转化，从而优化化工过程的设计和操作。
同时，这些公式也为研究反应机理和确定过程条件提供了理论基础。
化工热力学
8
第三章 流体的热力学性若为单位质量的性质，则为强度性质 ，如mol热力学能能，偏mol性质。
3．偏微分、全微分、点函数、状态函数的概念
4．剩余性质的定义式 M E M M
5. 热容的定义式
Cv
U T V
QR
8．正向卡诺循环、逆向卡诺循环
C
1 TC TH
C
TL TH TC
9．蒸汽动力循环，蒸汽压缩制冷循环，深度制冷
循环（林德、克劳特）的工作原理，能用T-S图表示，
会查用T-S图，主要设备与作用。
28
二．有关计算 ☆ 1. 制冷循环：
有关计算q0，qh，G，-ωS（Nt），ε等 ☆ 2. 蒸汽动力循环 ：
10. 有效能与理想功的联系 ΔB=-Wid
11. 有效能衡算 可逆过程
B B
不可逆过程 B B D
12. 有效能效率
B
B
D
1 B
B 考虑数量、质量
13. 热力学效率 （仅考虑数量）
Wac
Wid
产功过程
Wid
Wac
耗功过程
14. 有效能、无效能、理想功、损失功
22
二．有关计算
8．活度与活度系数的概念及定义式
aˆi fˆi / fi 0
9．L—R定则表达式
i
aˆi Xi
xi
fˆi fi0
fˆi
/
fˆ i
id
fˆi id
x i
fi0
f
0 i
L
R
fi
f
0 i
HL
Ki
10. Q函数表达式
Q GE RT
X i ln i
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《化工热力学》综合复习资料
一、乙腈(1)和乙醛(2)在87.0kPa ，80℃时混合形成等分子蒸汽混合物，已知B 11= - 2.619m 3/kmol ， B 22=- 0.633m 3/kmol ，δ12= - 4.060m 3/kmol ，请计算混合物中组分1和2的逸度1ˆf 和2
ˆf 。
二、在某T , p 下，测得某二元体系的活度系数值可用下列方程表示：122ln (20.5) x x γ=+，211ln (20.5) x x γ=+，i γ为基于Lewis －Randall 规则标准状态下的活度系数。
试问，这两个方程式是否符合热力学一致性？
三、在一定温度和压力下，某二元液体混合物的活度系数如用下式表达：
)(ln 221bx a x +=γ )(ln 112bx a x +=γ
式中a 和b 仅为温度和压力的函数，γi 为基于Lewis-Randall 规则标准态下的活度系数。
请问，这两个表达式是否满足Gibbs-Duhem 方程？
四、苯(1)-环己烷(2)恒沸混合物的组成x 1=0.525，其在常压下(101.325 kPa)的沸点为77.4℃，如果气相可视为理想气体，液相服从Van Laar 方程。
并已知纯组分在77.4℃下的饱和蒸气压分别为：
s p 1=93.2 kPa ， s p 2=91.6 kPa 。
试求(1) Van Laar 方程的方程参数。
(2) 在77.4℃下与x 1=0.7成平衡的气相
组成y 1。
五、甲醇(1)和甲乙酮(2)在337.3K 和1.013×105Pa 下形成恒沸物，其恒沸组成x 1为0.842，并已知在337.3K 时甲醇和甲乙酮的饱和蒸气压分别为Pa p s 4110826.9⨯=，Pa p s 4
210078.6⨯=。
如气相可视为理想气体，液相服从Van Laar 方程。
试计算(1) Van Laar 方程的方程参数。
(2)由纯组分混合形成1 mol 该溶液的ΔG 值。
六、在98.66kPa ，327.6K 时丙酮(1)-甲醇(2)形成796.01=x 的恒沸物。
并已知327.6K 时纯组分的饱和蒸汽压为：39.951=s p kPa ，06.652=s p kPa 。
试用Van Laar 方程求该溶液在x 1=0.5时的活度系数γ1和γ2。
七、已知某二元恒沸混合物的组成x 1=0.75，其在常压下(101.325 kPa)的沸点为95℃，如果气相可
视为理想气体，液相服从Van Laar 方程。
并已知纯组分在95℃下的饱和蒸汽压分别为：s p 1=88 kPa ，
s p 2=60 kPa 。
试求(1) Van Laar 方程的方程参数。
(2)由纯组分混合形成1 mol 该溶液的ΔG 值。
《化工热力学》综合复习资料参考答案
一、解：
由附录二查得，乙腈(1)和乙醛(2)的T c ， p c ，按Kay 氏混合规则计算混合物的临界参数，即可得出T rp ， p rp 的值, 查图2-9可知数据点位于曲线之上，故可采用普遍化第二维里系数法计算。
(也可以不判断使用范围)
)(ˆln 1222111δφy B RT
p +==-0.1077 )(ˆln 1221222δφy B RT
p +==-0.0488 ∴ 8979.0ˆ1=φ 9523.0ˆ2
=φ 混合物中组分逸度为：
kPa p y f 06.39ˆˆ111==φ
kPa p y f 43.41ˆˆ222==φ
二、解：
利用Gibbs-Duhem 方程进行检验，若表达式符合热力学一致性，则应满足∑x i dln γi =0
对二元系，有
0ln ln 2211=+γγd x d x 0ln ln 1
22111
=+dx d x dx d x γγ 由题知 22
1112ln ln x dx d dx d --=-=γγ 11
22ln x dx d +=γ )2()2(ln ln 12211
22111x x x x dx d x dx d x ++--=+γγ)(212x x -= 上式只有在x 1=x 2时才等于0，所以这两个方程不符合热力学一致性。
三、解：
由恒温恒压下的Gibbs-Duhem 方程 ∑=0ln i i d x γ
对二元系，有 0ln ln 1
22111=+dx d x dx d x γγ
由题知 2221ln bx ax +=γ 2
112ln bx ax +=γ )2(ln ln 22
111bx a dx d dx d +-=-=γγ 11
22ln bx a dx d +=γ )2()2(ln ln 12211
22111bx a x bx a x dx d x dx d x +++-=+γγ 0)21()(112≠-=-=x a x x a
∴ 题给的两个表达式不满足Gibbs-Duhem 方程。
四、解：
(1) 由于气相可以视为理想气体，而液相为非理想溶液
∴ 气液相平衡关系为：s i
i i i y p x p γ= 对恒沸点有 i i y x = ∴/s i i p p γ=
11101.325 1.08793.2
s p p γ=== 22101.325 1.10691.6s p p γ=
== 由式(4-97a)和(4-97b)计算Van Laar 方程的方程常数
365.0ln ln 1ln 211221=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=γγγx x A 370.0ln ln 1ln 222112=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=γγγx x B
(2) x 1=0.7时，两组分的活度系数为
122120.365ln 0.03350.3650.7110.3700.3A
Ax Bx γ===⨯⎛⎫⎛⎫++ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭
222210.370ln 0.17980.3700.3110.3650.7B
Bx Ax γ===⨯⎛⎫⎛⎫++ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭
∴ 1 1.0341γ= 2 1.1970γ=
∵
1111s y p x p γ= 2222s y p x p γ= ∴ 11122s
s p x p x p γγ=+=100.36 kPa ∴气相组成为：11110.7 1.034193.20.672100.36
s x p y p γ⨯⨯=== 五、解：
(1) 由于气相可视为理想气体，而液相为非理想溶液
∴
s i i i i p x p y γ= 对恒沸点 s i i p p /=γ 031.126
.983.10111===s p p γ 667.178.603.10122===
s p p γ 计算Van Laar 方程的参数
524.0ln ln 1ln 2
11221=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=γγγx x A 888.0ln ln 1ln 2
22112=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=γγγx x B
(2) 由纯组分混合形成1 mol 该溶液的ΔG 值： []111222()ln()ln()ln()i i i i i i G x G G RT x x RT x x x x γγγ∆=-==+∑∑ = -925.1 J/mol
六、解：
由于气相可以视为理想气体，而液相为非理想溶液
∴ 气液相平衡关系为：
s i i i i y p x p γ= 对恒沸点有
i i y x = ∴/s i i p p γ= 0343.139
.9566.9811===s p p γ 5164.106.6566.9822===
s p p γ 由式(4-97a)和(4-97b)计算Van Laar 方程的方程常数
5851.0ln ln 1ln 2
11221=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=γγγx x A 7209.0ln ln 1ln 222112=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=γγγx x B 计算x 1=0.5时的活度系数 1783.01ln 2211=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=Bx Ax A
γ 1447.01ln 2122=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=Ax Bx B
γ
∴ 195.11=γ 156.12=γ
七、解：
(1) 由于气相可以视为理想气体，而液相为非理想溶液
∴ 气液相平衡关系为：
s i i i i y p x p γ= 对恒沸点有 i i y x = ∴/s i i p p γ=
151.188
325.10111===s p p γ 689.160325.10122===
s p p γ 计算Van Laar 方程的方程常数：
x 1=0.75，x 2=0.25
7071.0ln ln 1ln 2
1122112=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+='γγγx x A 7075.1ln ln 1ln 22211221=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+='γγγx x A (2) 由纯组分混合形成1 mol 该溶液的ΔG 值： []111222()ln()ln()ln()i i i i i i G x G G RT x x RT x x x x γγγ∆=-==+∑∑ = －996.9 J/mol。