化工热力学第二章ppt.

Chapter2流体的P-V-T关系结束放映下一页上一页本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页P-V-TBehaviorofFluid各章之间的联系第3章纯流体的热力学性质(H,S,U，难测；由EOS+Cp得到）第7章相平衡给出物质有效利用极限给出能量有效利用极限化工热力学的任务第4章流体混合物的热力学性质第2章流体的PVT关系(P-V-T,EOS)ˆVssiiiiiipypxˆˆ(,,,,,)iiiiiiMGfa第5章化工过程能量分析(H,S,W，Ex)第6章蒸汽动力循环与制冷循环(H,S,Q,W,η)Chapter2P-V-TBehavior结束放映下一页上一页本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页引言•万事万物状态、性质的变化绝大多数是由于物质T，P变化引起的。•自然界最软的石墨在1400℃，5-10万atm的高温高压下，能变成最硬的金刚石；•1atm下，-191℃下的空气会变成液体，-213℃则变成了坚硬的固体。1400℃，5-10万atmChapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP•火灾中的液化气罐之所以会发生爆炸，是由于温度升高使液化气由液体变成气体，继而内部压力急剧升高，使液化气罐超压爆炸；T↑→P↑Chapter2P-V-TBehavior•化工生产恰恰就是巧妙利用物质随T、P变化，状态和性质大幅度变化的特点，依据热力学原理来实现物质的低成本大规模生产。•例如：先进的超临界萃取技术，就是物质在利用超临界状态具有惊人的溶解能力，可提取传统化学方法无法提取的高附加值物质。•因此研究物质的P-V-T之间的关系有着极其重要的意义。Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP[教学目的]1.流体的P-V-T关系可直接用于设计如：1）一定T、P下，ρ？Vm?2)管道直径的选取：流量3）储罐的承受压力：P2.利用可测的热力学性质（T,P,V,CP）计算不可测的热力学性质（H,S,G,f,φ,α,γ）（将在第三、四章介绍）Chapter2P-V-TBehavior有了P-V-T关系，热力学的大多数问题均可得到解决。结束放映下一页上一页本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页2.1纯物质的P-V-T性质2.2气体的状态方程式（EOS）2.3对比态原理及其应用2.4真实气体混合物的PVT关系2.5液体的PVT关系[教学内容]Chapter2P-V-TBehavior结束放映下一页上一页本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页液体混合物的p-V-T经验方程普遍化关联式混合规则纯气体的p-V-T理想气体方程立方型状态方程多常数状态方程普遍化状态方程气体混合物的p-V-T混合规则第二Virial系数混合物的状态方程流体p-V-T关系计算Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP[教学要求]1.理解纯物质的P-T图和P-V图2.正确熟练地应用R-K方程、两项维力方程计算单组分气体的P-V-T关系3.正确、熟练地应用三参数普遍化方法计算单组分气体的P-V-T关系4.了解计算真实气体混合物P-V-T关系的方法，并会进行计算Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP2.1纯物质的P-V-T关系图2-1(a)纯物质的p-V-T相图凝固时收缩凝固时膨胀固液汽气临界点P气临界点液固汽PChapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP图2-1(b)纯物质的p-V-T相图Chapter2P-V-TBehaviorT熔化曲线汽化曲线升华曲线TP固液固液气汽P汽-液汽-固V气液汽-液汽-固固固液PVEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior2.1.1P-T图2.1.2P-V图2.1.3PVT关系2.1.4应用固体区液体区气体区三相点F=C-P+2=0水的三相点：0.0098℃临界点汽固平衡线液固平衡线汽液平衡线2.1.1P-T图临界等容线超临界流体区（TTc和PPc）2点、3线、4区P-T图的特征、相关概念•P-T图最能表达温度、压力变化所引起的相态变化，因此P-T图常被称之为相图。•单相区•两相平衡线（饱和曲线）–汽化曲线、熔化曲线、升华曲线•三相点(Tt,Pt)和临界点(Tc,Pc,Vc)•等容线–临界等容线V=Vc、VVc、VVcChapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP临界点2.1.2P-V图③汽液两相平衡区F=C-P+2=1②过热蒸汽区点在点在CVPCVPTT0022恒温线什么是正常沸点？④超临界流体区（TTc和PPc）①过冷液体区L①饱和液相线（泡点线）②饱和汽相线（露点线）1点、2线、4区临界点：P-V-T中最重要的性质•1）Tc、Pc是纯物质能够呈现汽液平衡时的最高温度和最高压力。•要使气体液化温度绝对不能超过Tc。•气体“液化”的先决条件是TTc，否则无论施加多大的压力都不可能使之液化。•2）临界等温的数学特征：等于临界温度的等温线在临界点出现水平拐点。点在点在CVPCVPCCTT0022重要！Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP[例2-1]将下列纯物质经历的过程表示在P-V图上：1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体；2）过冷液体等压加热成过热蒸汽；3）饱和液体恒容加热；4）在临界点进行的恒温膨胀Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPCPV13(T降低)425Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehaviorA1A2B1B2C1C2C汽液汽-液超临界流体V1VCV2Vp[例2-2]在4L的刚性容器中装有50℃、2kg水的饱和汽液混合物，已知饱和液相体积Vs1=1.0121cm3/g，饱和汽相体积Vg1=12032cm3/g；水的临界体积Vc=3.111cm3/g。现将水缓慢加热，使得饱和汽液混合物变成了单相，问：此单相是什么？EndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehaviorT熔化曲线汽化曲线升华曲线TP固液固液气汽P汽-液固-汽V对于纯物质而言，在单相区里，PVT三者之间存在着一定的函数关系，用数学式表示为：(隐函数关系）0,,TVPf2.1.3P-V-T关系EndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior显函数关系：TPVV,TVPP,VPTT,将显函数求全微分，得到：dPPVdTTVdVTPEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior微分式中，每一项都具有一定的物理意义，并且都可以通过实验测取。：表示在压力不变时，体积随温度的变化量。：表示在温度不变时，体积随压力的变化量。其中分别表示温度和压力的微小变化。PTVTPVdPdT,EndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior如果将上述偏微分量除以体积，则得：容积膨胀系数等温压缩系数对于液体来说这些偏微分量可以通过手册或文献得到。PTVV1TPVVK1EndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior代入偏微分式，得：KdPdTVdV当温度和压力变化不大时，流体的容积膨胀系数和等温压缩系数可以看作常数，积分，得：根据此式我们就可以计算液体从一个状态变化到另一个状态时的体积变化。121212lnPPKTTVVEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior2.1.4纯物质PVT关系的应用气体液化和低温技术制冷剂的选择液化气体成分的选择超临界技术1.气体液化和低温技术•流体p-V-T关系的最大应用就是气体的液化。–如空气液化、天然气液化。–为了便于储运，一般需将天然气制成液化天然气（LNG）。–甲烷：Tc=-82.62℃，pc=4.536MPa,。•问：室温下能否通过加压使天然气变成LNG？•气体“液化”的先决条件是物质TTc。Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFP3)为了使蒸发压力高于大气压力。2)在冷凝温度下的蒸汽压也不宜过高；1)临界温度要高，否则在常温或普通低温范围内不能被液化；•制冷剂的选择离不开P-V-T数据。2.制冷剂的选择•在选择氟里昂替代品时，离不开P-V-T数据。•制冷剂工作特点:低压饱和蒸汽室温下饱和液体交替变化。对制冷剂的要求：Chapter2P-V-TBehaviorEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPEndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior3.液化气成分的选择[例2-3]现有甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷和正己烷作为液化气成分的候选气体，它们的临界温度Tc、临界压力pc以及正常沸点Tb数据如下表：1.请根据对家庭用液化气储存和使用的要求来选择液化气成分；2.请解释一下现象：冬季有时钢瓶内还有较多液体但却打不着火。EndDownUpCFPChemicalEngineeringThermodynamicsBFPChapter2P-V-TBehavior物质Tc/℃Pc/MPaTb/℃燃烧值/kJ·g-1甲烷乙烷丙烷正丁烷正戊烷正己烷-82.5532.1896.59151.9196.46234.44.6004.8844.2463.8003.3742.969-161.45-88.65-42.15-0.536.0568.7555.652.050.549.649.148.4表2-1临界温度Tc、临界压力Pc以及正常沸点Tb室温10~40℃室内压力1atmTC=196.46Tb=36.05℃-82.62℃32.18℃96.59℃液化气的P-T图151.9℃物质甲烷Ⅹ乙烷Ⅹ丙烷√正