相变热力学基础第5章
《传热学》第5章_对流传热的理论基础分析
动量守恒定律
能量守恒定律
t t t 2t 2t u v 2 2 x y c p x y
12
第5章 对流传热的理论基础
2. 定解条件 (1)规定边界上流体的温度分布(第一类边界条件)
(2)给定边界上加热或冷却流体的热流密度(第二类边界条件)
1
第5章 对流传热的理论基础
5.1 对流传热概说
5.1.1 对流传热的影响因素
影响流动的因素和影响流体中热量传递的因素包括：
1. 流体流动的成因：强制对流or自然对流 2. 流体有无相变：流体显热or相变热
3. 流体的流动状态：层流or湍流，后者较大
4. 换热表面的几何因素：形状、大小、相对位置、换热表面状态 5. 流体的物理性质：密度、粘度、导热系数等等
(2) 稳态的对流问题，非稳态项消失，公式(5-6a)可以改写为：
2t 2t 对流项为速度矢量与温度梯度的点积 c p U gradt x 2 y 2 (3) 如果流体中有内热源，那么直接在(5-6)右端添加内热源项：
2 2 2 u v u v x, y 2 y y x x
第5章 对流传热的理论基础
复习：
对流传热：流体经过固体表面时流体与固体间的热量交换。
对流传热的表达形式——牛顿冷却公式：
Ahtm
t m 是流体与固体表面间的平均温差，总取正值。
关键点：表面传热系数h的定义式，没有揭示表面传热系数与影响它的 各物理量之间的内在联系。 主要内容：(1) 对流传热过程的物理本质 (2) 对流传热的数学描述方法 (3) 分析解的应用 关键点：(1) 掌握各种数学表达式所反映的物理意义 (2) 理解对流传热过程的物理本质
(完整版)第5章大气热力学
2 大气中的干绝热过程
气块概念和基本假定 大气中的干绝热过程
干绝热减温率 位温
干绝热上升时露点变化和抬升凝结高度
2 .1 气块的概念和基本假定
气块或空气微团是指宏观上足够小而微观上含有大量分子 的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。 气块（微团）模型就是从大气中取一体积微小的空气块 （或空气微团），作为对实际空气块的近似。
2020/8/18
δQ= Cν dT+pdν
其中Cv是定容比热，v是比容 这是热力学第一定律在气象上的应用形式之一，也 称为热流量方程。
2020/8/18
δQ= cν dT+pdν
ν=RT/p
pdν+νdp=RdT
δQ=（cν +R）dT-vdp
δQ=（cν +R）dT- RTdp/p
在等压情况下，dp=0
距离（常取100米）温度下降（或升高）的数值。
Q Ldqs
c pv dT
RT
dp p
Q
dp dpe g dz
p pe
Rd Te
c pd dT
T Te
gdz
Ldqs
c pv dT
RT
dp p
Ldqs
取c pv c pd
T 1 Te
s
dT dz
g c pd
L c pd
dqs dz
123(T0
Td 0 )(m)
即 Zc≈123（T0-Td0）米
(T0-Td0):地面的温度露点差； 即估算抬升凝结高度Zc是从T0按干绝热上升，与从 Td0按等饱和比湿线上升，两线的交点。 有时误差很大
2020/8/18
3 饱和湿空气的绝热过程
第十二次课 第五章 热力学第二定律
卡诺循环与卡诺定理的理论价值与实际意义： 1、卡诺定理给出了在给定温度范围内，热量转变 为功的最大理论限度，为热量可用性分析奠定了 理论基础。
2、卡诺定理指出了提高热效率及性能系数的方向 和原则，具有普遍的指导意义。
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卡诺定理举例
A 热机是否能实现
300 T2 ηtC = 1 − = 1 − = 70% T1 1000 w 1200 ηt = = = 60% 可能 q1 2000
所以不可逆过程终态的比体积大， v2 > v2 s
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闭口系熵增大原因： 主要是由于耗散作用(dissipation) 内部存在的不可逆耗散是绝热闭口系统熵增大 的唯一原因，其熵变量等于熵产。
即：dS ad S g , S ad S g 0
熵产可作为过程不可逆程度的度量。
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四、相对熵及熵变量计算 热力学温度0K时，纯物质的熵为零。通常只 需确定熵的变化量：
Q1 = Q1 WA A Q1 WB B Q1
A B , A B , A B
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R1带动R2 逆向运行
假如ηt,R1>ηt,R2 R1带动R2逆向运行
WR1 > WR 2
Q2 < Q2 '
Q2 '− Q2 = WR1 − WR 2
ηt,R1＝ηt,R2
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单一热源热机，违背热力学第二定律 ηt,R1>ηt,R2、 ηt,R1<ηt,R2不可能
Wnet 10 000 kJ ηt = = = 0.712 6 Q1 14 000 kJ
(b)设为制冷循环 Tc 400 K εc = = = 1.33 T0 − Tc 700 K − 400 K
物理化学ppt课件
状态改变了，不一定所有性质都改变，但性质改 变了，状态一定改变。
例：理气的等温过程：（P1，V1）→（P2，V2） 状态改变了，T不变
3 状态改变时，状态函数的变化量只与变化的始末 态有关，而与变化的途径无关。
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状态函数在数学上具有全微分的性质。
若x为状态函数，系统从状态A变化至状态B：
经验定律特征： 1. 是人类的经验总结，其正确性由无数次实验事实
所证实； 2. 它不能从逻辑上或其他理论方法来加以证明（不
同于定理）。
4
4．热力学研究方法
严格的数理逻辑的推理方法，即演绎法 (1) 广泛性：只需知道体系的起始状态、最 终状态，过程进行的外界条件，就可进行相 应计算；而无需知道反应物质的结构、过程 进行的机理，所以能简易方便地得到广泛应 用。
Ⅱ AⅠB
有： xⅠ xⅡ xⅢ xB xA
xA Ⅲ xB
dx 0
AB A
微小变化
若如x，理y想，气z皆体为：状V态函nR数T，且即z：=Vf(x,fy)(，p,T则) ：
p
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16字口诀： 异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。
☻单值、连续、可微的函数――具全微分性质
z z( x, y )
1.2 热和功
热（heat）
体系与环境之间因温差而传递的能量称为热， 用符号Q 表示。
功（work）
体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都 称为功，用符号W表示。功可分为体积功W和 非体积功W’两大类。
符号规定： 系统吸热，Q>0；系统放热，Q<0 。 系统得功，W>0；系统做功，W<0。
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热和功的特点：
第5章 热量衡算
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②积分稀释热 恒温恒压下，将一定量的溶剂加入到含1摩尔溶质的溶液 中，形成较稀的溶液时所产生的热效应 称为积分稀释热，简称稀释热。 显然， 溶液由一种浓度稀释至另一种浓度的积分稀释热
= 两种不同浓度下的积分溶解热之差
定设备的主要工艺尺寸。
∵在药品生产中，无论是进行物理过程的设备,还是进 行化学过程的设备,大多存在一定的热效应, ∴通常要进行能量衡算
2 热量衡算。
* 通过热量衡算确定如下设计参数:
⑴设备的热负荷Q
包括:换热器、反应器、塔设备等
进一步确定换热面积 F
⑵ 加热剂、冷却剂的用量 能量衡算的依据: ⑴ 物料衡算结果 ⑵ 物料的热力学数据： 定压比热、相变热、反应热等 3
稀释过程的浓度变化热或积分稀释热为
Qp 60.79 28.09 32.70kJ
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例5-1 在25℃和1.013105Pa下，用水稀释78%的硫酸水 溶液以配制 25% 的硫酸水溶液。拟配制 25% 的硫酸水 溶液1000kg，试计算： (1) 78%的硫酸溶液和水的用量； (2) 配制过程中H2SO4的浓度变化热。 解：(1)78%的硫酸溶液量和水的用量 设GH2SO4为78%的 (a) 硫酸溶液的用量，GH2O为水的用量，则
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蒸发、熔融、升华过程要克服液体或固体分子间的相互 吸引力∴这些过程均为吸热过程，按式(5-1)中的符号规 定，其相变热为负值；
反之，冷凝、结晶、凝华过程的相变热为正值。
各种纯化合物的相变热可从有关手册、文献中查得。
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⑵ 浓度变化热
恒温恒压下，溶液因浓度发生改变而产生的热效应，
01章_热力学第一定律
U U U (T , p ) ； U ( T , V )
； U
U ( p ,V )
如果是 U U (T , p ) 全微分式： d U
0
六、热和功
1、热（heat） 系统与环境之间因温差而传递的能量称热， 从微观上看，热是体系分子无序热运动的能量交 换。用符号Q 表示，其微小量用 Q 表示。 Q的取号：系统吸热，Q>0 系统放热，Q<0
计算Q一定要与系统与环境之间发生热交换 的过程联系在一起，系统内部的能量交换不可能 是热。 热分类：显热、潜热（恒温恒压的相变过程）、 化学热。
3、相平衡（phase equilibrium） 多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变
4、化学平衡（chemical equilibrium ） 反应系统中各物的数量不再随时间而改变
三、状态函数 系统的一些性质，其数值仅取决于系统所处
的状态，而与பைடு நூலகம்统的历史无关；
它的变化值仅取决于系统的始态和终态，而
热和功的取号与热力学能变化的关系 系统吸热
Q>0 环境 U >0 系统
系统放热
Q<0 U <0 W<0 对环境作功
U = Q + W
W>0 对系统作功
例1：体系由A态变化到B态，沿途径Ⅰ放热100J， 对体系做功50J，问①由A态沿途经Ⅱ到B态，体系 做功80J，则Q为多少？②如果体系再由B态沿途经 Ⅲ回到A态，得功为50J，体系是吸热还是放热， Q为多少？ Ⅱ Ⅰ A Ⅲ 系统变化框图
相变过程中的热力学原理
相变过程中的热力学原理在自然界中，物质的状态会随着温度、压力等条件的变化而发生改变。
其中，相变是一种常见的现象，即物质由一种物态转变为另一种物态的过程。
相变过程中，热力学原理起着重要的作用。
本文将从物态和相变的概念入手，详细阐述相变过程中的热力学原理。
一、物态和相变物质的物态可以分为固态、液态和气态三种。
固态物质的分子密度较高，分子之间的吸引力较强，具有一定的形状和体积。
液态物质的分子密度较高，分子之间仍有一定的吸引力，但没有固态物质那么有序，因此没有固态物质的形状。
气态物质的分子密度较低，分子之间的吸引力很弱，因此没有固态和液态物质的形状和体积，而是充满整个容器。
相变是物质状态的改变，具体可以分为两种：固态与液态之间的相变称为熔解或熔化；液态与气态之间的相变称为汽化或蒸发。
相变过程需要吸收或释放一定的热量，这与热力学相关。
二、相变过程中的热力学原理相变过程中，热力学原理包括两个方面：焓变和熵变。
焓变指物质在相变过程中吸收或释放的热量，其大小取决于相变前后温度和物质的热容。
熵变指相变过程中关于熵的变化，即系统的混乱程度。
熵变的正负与相变方式有关，熔解和凝固对应着正熵变，汽化和凝华对应着负熵变。
相变过程中热量守恒，即在相变过程中的热量变化等于焓变。
相变熵可以解释相变时热量的来源和去向。
例如，在熔解的过程中，固态物质吸收热量，熵增加；在凝固的过程中，液态物质放出热量，熵减少。
相变熵的计算可以使用以下公式：ΔS = Q/T，其中Q为相变过程中所吸收或释放的热量，T为相变温度。
三、相变过程中的热力学示例现考虑一块质量为10克的冰在0°C下熔化成水，所需的热量为333焦耳/克。
则整个过程中所吸收的热量为333 × 10 = 3330焦耳。
该过程中的焓变可以表示为ΔH = 3330 JK-1。
如果将这10克的水加热到100°C时汽化为水蒸气，所需的热量为2260焦耳/克，整个过程中所需的热量为2260 × 10 = 22600焦耳。
相变的条件与热力学计算
相变的条件与热力学计算相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，常见的相变有固体到液体的熔化、液体到气体的汽化以及固体到气体的升华。
相变发生的条件与热力学计算密切相关，本文将探讨相变的条件以及热力学计算的方法。
一、相变的条件相变在一定的条件下才能发生，主要包括温度、压力和物质的性质等因素。
1. 温度条件温度是相变发生的关键因素之一。
对于普通物质而言，相变通常在一定的温度范围内进行。
例如，对于水来说，在标准大气压下，0℃以下会发生冻结相变，0℃到100℃之间会发生液体与气体之间的转变。
2. 压力条件压力也是影响相变的重要因素之一。
在一定的温度下，不同压力下相变的发生时间和条件也会有所不同。
以水为例，当压力增加时，水的沸点会升高，当压力降低时，水的沸点会降低。
3. 物质性质条件不同物质的相变条件也会存在差异。
例如，金属的熔化点通常较高，而非金属物质的熔化点通常较低。
物质的分子结构、化学组成和相互作用力等因素都会影响相变的条件。
二、热力学计算方法在研究相变过程时，热力学计算是一种重要的方法。
通过热力学计算，可以得到相变的热力学参数，例如相变的焓变、熵变和自由能变化等。
1. 焓变在相变过程中，焓的变化量被定义为相变时物质所吸收或释放的热量。
焓变可以通过测量相变前后的热量以及温度变化来计算。
焓变的计算方法可以使用热容和热量转移方程进行估算。
2. 熵变熵的变化量表示了在相变过程中物质的无序程度的变化。
熵变的计算方法可以利用熵的定义公式和热力学基本方程进行计算。
熵变的正负值可以表征相变是熵增（正）还是熵减（负）的过程。
3. 自由能变化自由能变化是相变过程中物质可能发生的方向和稳定性的判断依据。
通过计算相变前后的自由能变化，可以了解相变是否会自发发生。
自由能变化可以通过自由能的定义公式和热力学基本方程进行计算。
通过热力学计算，可以获得相变的热力学参数，从而对相变过程进行分析和预测。
这对于材料科学、化学工程以及能源研究等领域都有着重要的意义。
化工热力学-第五章
T
QR
T
据热一律 dH Q WS 可逆过程 dH QR WSR dH QR WSR 同除 T 得： QR dH WSR
T T T
dS
又 ∵
WSR VdP
=nCpdT
V nRT P
T
T
T
对理想气体: dH
∴
dS
nC p
2
积分：
δm1=δm2=dm
1 2 (C2 -C12) 2
(H2-H1) δm+
δm+g(Z2-Z1) δm-δWs-δQ=0 （5－13）
1 2 H C gZ Q Ws 2
注意：
1).单位要一致，且用SI单位制.
H,Q,Ws—能量单位，J/Kg C—m/s
流量G—Kg/h（min.s）
V2
P2
?
对于可逆总功
WR PdV P2V2 P1V1 Ws
V1
Ws WR P2V2 P V1 PdV P2V2 P1V1
积分式
d(PV)=PdV+VdP
P2V2
d ( PV ) P V
2 2
P1V1 PdV VdP
P1V1
Ws PdV PdV VdP VdP
2.
将
能量平衡方程一般形式
C2 E U gZ 2 代入（A）式，整理，得到
H=U+PV
2
2 C1 C2 (H1 gZ1 )m1 ( H 2 gZ 2 )m2 Q Ws 2 2
可逆 > 不可逆
物理化学-第五章 相平衡
* p* p p A B
1. 压力-组成图—p-x（y）
(3) 气相线的制作 气相线：液相蒸气总压与蒸气组成关系线。
* pB pB xB yB p p
* * p p* ( p p A B A ) xB
* pB xB yB * * p A +( pB p* A ) xB
讨论组分数（C）与物 种数（S）的关系： 例1：液态水 S=1=C 例2：任意量的PCl5（g）、PCl3（g）和 Cl2（g）构成的平衡系统。 1指的是系统存在一个化学平衡方程式 S=3 C=3-1
PCl5（g）= PCl3（g）+ Cl2（g）
0 vB B
5.1 相律
3.独立组分数（number of independent component） 在平衡系统所处的条件下，能够确保各相组 成所需的最少独立物种数称为独立组分数，用 字母C表示。
在平衡系统所处的条件下，能够确保各相组 成所需的最少独立物种数称为独立组分数，用 字母C表示。
讨论组分数（C）与物 种数（S）的关系： 例1：液态水 S=1 = C
5.1
相律
3.独立组分数（number of independent component） 在平衡系统所处的条件下，能够确保各相组 成所需的最少独立物种数称为独立组分数，用 字母C表示。
5.1
自由度(f)= 系统总变量 -关联方程式数
热力学 平衡系统 S种物种
ф个相
假设S种物种都可 溶于ф个相中
2通常指T， P两个变量
1）系统总变量
1
2
3 … … S系统总变量= NhomakorabeaS-1）ф +2