化工热力学经典课件-1

高等化工热力学2007年9月2005年的卡特里娜飓风及其对美国新奥尔良市的影响损失金额在250亿至1000亿美元之间2005年第13号台风“泰利”造成浙江、安徽、福建、江西、河南、湖北等6省1930.1万人受灾，死亡124人，失踪31人，紧急转移安置灾民183.6万人；倒塌房屋9.7万间，损坏27.7万间；农作物受灾面积126.1万公顷，绝收26.2万公顷；直接经济损失154.2亿元。台风、飓风的能量来自何方？台风、飓风的频发和破坏力愈来愈大与什么有关？热能转变为空气运动量形成台风和灾害人类活动的加强导致温室气体排放急剧增加夏秋季气温升高海面温度升高空气含水量高低气压中心水蒸气凝结释放能量T空气含水率＝p/大气压2003004005006000.0010.010.1110T/K123MPa/p水的蒸汽压2005年9月16日新民晚报A30国际新闻.生活/社会版能得到更多“燃料”。他说，即使海面水温微小提升也能引起水蒸气迅速增多。研究人员说，自1970年以来，大西洋的洋面水温上升了0.5摄氏度。柯里及其同事发现，1990年至今，全球发生的强飓风次数比1970年到1985年间翻了一倍。所谓“强飓风”，特指4级或5级飓风，破坏力巨大。研究人员在美国《科学》杂志上报告说，虽然强飓风增多，但过去10年间全球飓风总次数呈现下降趋势。柯里等人的研究结果与其它科学家近期发表在《自然》杂志上另一份研究报告的结论吻合。后者认定，过去30年间飓风强度正在增大。马震(新华社供本报特稿)过去35年间强飓风数量显著增长全球升温增长飓风势头研究人员15日说，过去35年间全球范围内强度类似于“卡特里娜”的飓风数量显著增长，与全球气候升温引起的海面水温上升有关。美国佐治亚理工学院的柯里说，随着海洋表面水温增高，飓风变得更强，破坏力更大。有充分理由可以相信，海洋表面水温升高与飓风强度增高有联系，而全球气候升温可能使这一趋势得以延续。与柯里就职于同一所学院的彼得.韦伯斯特也认为，“海水表面温度越高，飓风威力越猛”。海面上蒸发的水蒸气最终会变成降雨，水蒸气释放热量过程中则形成热带气旋，而这最终可能转化为飓风。韦伯斯特说，海水表面越温暖，水蒸气就会越多，而飓风也就北极冰帽的变化全球变暖与温室气体排放全球百年气温变化图2月25日1、今年第1号台风对广东造成重大灾害2、今年四川重庆地区持续高温干旱，最高温度达44C以上3、9月初内蒙古东部遭罕见秋季大雪袭击，牲畜被大雪压死、冻死自然界中碳的循环主要国家的CO2排放(1992)•国家CO2排放量(亿吨)吨/人•USA48.8119.23•China26.682.27•Russian21.0314.11•Japan10.938.79•German8.7810.96•80%以上由化石燃料燃烧产生；•其中40％左右由火电厂排放减灾如何从我做起？建设节约型社会是我们别无选择的道路！1、日常生活中养成节能习惯替代能源的开发周期长，费用大，远水解不了近渴！2、少用或不用化石燃料？随着生活水平的提高，能源消耗总量急剧上升3、节能降耗、技术进步？可以减缓全球变暖的速度，为替代能源的开发赢得时间！4、CO2捕集、埋存？至少可以解决100年的CO2排放问题，关键是费用！节能降耗的理论基础——热力学热力学第一定律：能量守恒热力学第二定律：功可以全部转换为热，但热不能全部转换为功热力学第三定律：绝对零度不能达到混乱是自发的，恢复次序是有条件和需要代价的。所得少于所当得，所费多于所当费，都是浪费。为了提高热机效率而建立起来的科学热力学的两大应用领域♥化工过程分析——能量的合理利用原料原料提纯反应产物纯化产品去除有害反应物副产物未反应的反应物循环使用IIIIII在化工生产的第I步和第III步都涉及分离操作，如精溜、吸收、萃取等，在一个典型的化工厂，分离设备的投资约占总投资的40－80％。♥相平衡热力学——相分离过程的极限原料原料提纯反应产物纯化产品去除有害反应物副产物未反应的反应物循环使用IIIIIIQW热力学第一定律的应用——过程能量衡算U进U出3U出1U出2U出3＋U出3＋U出3–U进1＝Q+W热力学第二定律的应用——能量合理利用物料T1物料T2Q热源T3T2)/1(32TTQW按照热力学第二定律，可做功热机WW+Q相平衡热力学的应用新型分离技术：如何打破平衡限制？无孔分离膜多孔支撑层物料渗透物滞留物渗透蒸发膜分离利用不同分子在同一材料中的传递性质的差异达到分离目的醋酸＋乙醇醋酸乙酯＋水移除相平衡热力学的应用生物活性物质的浓缩生物活性物质的特点是温度敏感、浓度很低水凝胶的溶胀特性可以用来浓缩生物活性物质塔径11.6m高约40mCO2的捕集和分离目前的成本约为60欧元/吨CO2，目标是10欧元/吨香山科学会议第279次学术讨论会(2006.5.30～6.1)的主题溶剂分子设计的新方法提高溶解度，降低分离能耗动力学热力学过程新的绿色溶剂及混合物低能耗的CO2捕集分离过程设计新的填料环－提高传质效率流体力学性能、界面润湿性能对传质效率的影响CO2的埋存和资源化利用香山科学会议第276次学术讨论会(2006.4.25～27)的主题2006年5月国际原油价格已突破70$/桶大关CO2驱油是有利可图的一举两得的方法“流体相平衡的分子热力学”第三版中译本的前言阿尔伯特·爱因斯坦在他的自传中曾说到虽然物理学的大部分都会随时间而改变，但热力学是普适而永恒的；他说许多理论在科学的长河中只是昙花一现，但他坚信热力学会永远存在。本书着眼于热力学的应用，以加强我们对相平衡的定量理解，特别关注化工中经常遇到的流体相平衡。自从1969年第一版发行以来，此书已被包括中国在内的全世界工业化学家和化学工程师所广泛使用。我和我的同事对此书能被翻译成中文感到由衷的高兴，这可以让尊敬的中国同行更便利的使用此书，他们和我一样被热力学的美妙及其在新化工过程和产品的合理设计中的用途所吸引。在第一版的前言中，我引用了拉丁谚语：了解到事物的本质是令人愉快的。希望第三版的中译本不但能给中国读者提供一个有用的工程工具，而且可以让他们享受到由热力学的美丽和充满智慧所带来的快乐。J.M.Prausnitz美国两院院士、总统科学奖获得者、加州伯克利大学化工系教授、流体分子热力学的创始人、华东理工大学名誉教授参考书•胡英，近代化工热力学，上海科技文献出版社，1993•胡英等，应用统计力学，化学工业出版社，1990•胡英，流体的分子热力学，高等教育出版社，1980•J.M.Prausnitz,etal.,MolecularthermodynamicsofFluid-PhaseEquilibria,3rdEd.,Prentice-Hall,Inc.,1999(中译本已经出版)•S.I.Sandler,ChemicalandEngineeringThermodynamics,3rdEd.,JohnWiley&Sons,Inc.,1999•M.Kurata,ThermodynamicsofPolymerSolutions,HarwoodAcademicPublisherGmbH,1982•朱自强等，流体相平衡原理及其应用，浙江大学出版社，1990•李以圭，金属溶剂萃取热力学，清华大学出版社，1988•朱自强，超临界流体技术——原理和应用，化学工业出版社，2000•李以圭等，电解质溶液热力学，清华大学出版社，2005•J.M.Smith,etal.,IntroductiontoChemicalEngineeringThermodynamics,7thEd.,McGraw-Hill,20041引言★系统的热力学性质:●强度性质,如温度、压力、组成等，与系统包含的物质的量无关。●广延性质,如体积、焓、熵等，与系统包含的物质的量有关。1引言相律:系统的各种热力学性质之间不是相互独立的，而是相互联系的。相律用于确定系统的独立变量数，即自由度。F－自由度，K－组分数，π－相数，R－独立的化学反应数，R’－对强度性质的其它限制数●注意相律告诉我们，当F个强度性质给定后，系统的其它强度性质都确定了，它们是这F个强度性质的从属变量，不能随意变动。2'RRKF1引言热力学的最大特点:所得到的规律具有普遍适用性，不因具体系统而异。它尤如一个通用的程序，可以为不同的对象服务。对于一个具体的系统，尽管给定了独立变量的数值，但仍不知道从属变量的具体数值。为了由独立变量计算从属变量，我们需要输入足够数量的强度性质以表征所研究的具体系统。1引言相平衡热力学的目标:建立相平衡时联系各强度性质的普遍关系式Kxxx,,,21(β相)(α相)Tpx()x()0),,,,,()()()()(IIxxpTf实际问题通常表现为：已知：摩尔分数和T(或p)求解：摩尔分数Kxxx,,,21和p(或T)1引言热力学解决实际问题的三个步骤问题答案现实世界数学和纯热力学的抽象世界数学问题的求解物理问题向抽象世界映射抽象结果的物理意义1引言★流体相平衡的热力学解决StepIII:(1)确定针对该问题的普遍关系式。(2)输入足够数量的强度性质表征系统。(3)输入独立变量，其数目由相律决定。(4)输出所需的从属变量，解决实际问题。★系统的表征:(1)无模型法，即直接采用实验数据。(2)有模型法，建立分子热力学模型。2热力学基本方程考虑均相只做体积功的系统。KiiinVpSTU1ddddKiiinpVSTH1ddddKiiinVpTSA1ddddKiiinpVTSG1dddd2热力学基本方程★平衡态的基本假定：对于一个均相系统，如果不考虑除压力以外的其他广义力，为了确定平衡态，除了系统中每一种物质的数量外，还需确定两个独立的状态函数。),,,,(1KnnVSUU),,,,(1KnnpSHH),,,,(1KnnVTAA),,,,(1KnnpTGG2热力学基本方程KiiinVpSTU1dddd),,,,(1KnnYXZZKiiiX,Y,ninXY,nnnZYYZXXZZjj1][,ddddjjnTnSVAVUp,,jjnpnVSHSUT,,jjnTnSpGpHV,,jjnpnVTGTAS,,][,,][,,][,,][,,inpTiinVTiinpSiinVSiinGnAnHnUKiiinpVSTH1ddddKiiinVpTSA1ddddKiiinpVTSG1dddd2热力学基本方程由得Maxwell关系上述关系的最大用处是将不可测量的热力学量用可测量的热力学量及其导数表示jjjjY,nnXnXnYYZXXZY,,,jjnVnSSpVT,,jjnpnSSVpT,,jjnVnTTpVS,,jjnpnTTVpS,,2热力学基本方程由热力学基本方程在各组分比例不变的条件下积分，得根据H、A、G的定义，有KiiinVpSTU1ddddTSpVnnnUVVUSSUUKiiiKiiinSinSnV11][,,,jjTSnHKiii1pVnAKiii1KiiinG12热力学基本方程为什么热力学基本方程中U表