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1、化工热力学化工热力学复习复习 南京工业大南京工业大学学化工化工学院学院冯新冯新2013年年12月月关于考试一一.考试形式考试形式1.有限开卷：有限开卷：A4纸一张纸一张（由我们发）（由我们发）2.题型题型（还没有完全定下来，大致）：（还没有完全定下来，大致）：单选题单选题25分（分（25题）题）；填空题填空题10分；分；简答题（包含简单证明题）简答题（包含简单证明题）25分；分；计算题计算题40分（分（3题）题）二、答疑二、答疑时间：时间：15周周四（周周四（12月月12日）上午日）上午34节节地点：厚学楼地点：厚学楼314室对面教师休息室室对面教师休息室如何复习？题目类型可以千变万化，但万变
2、不离题目类型可以千变万化，但万变不离其宗（其宗（识别假钞的方法识别假钞的方法）基本概念、定义（基本概念、定义（咬文嚼字咬文嚼字）基本公式基本公式书上例题和做过的习题书上例题和做过的习题网上的试卷题网上的试卷题化工热力学化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics 南京工业大学南京工业大学化工化工学院学院 冯新冯新 朱育丹朱育丹20132013年年9 9月月国家精品课程国家精品课程v化工热力学就化工热力学就是为是为“节能减排节能减排”而生的而生的 !化工热力学化工热力学课程内容课程内容第一章第一章第一章第一章 绪绪绪绪 论（论（论（论（2 2学时）学时）学时）学时
3、）第二章第二章第二章第二章 流体的流体的流体的流体的p-V-Tp-V-T关系和状态方程（关系和状态方程（关系和状态方程（关系和状态方程（6 6学时）学时）学时）学时）第三章第三章第三章第三章 纯流体的热力学性质计算纯流体的热力学性质计算纯流体的热力学性质计算纯流体的热力学性质计算（6 6学时）学时）学时）学时）第四章第四章第四章第四章 溶液热力学性质的计算溶液热力学性质的计算溶液热力学性质的计算溶液热力学性质的计算（1212学时）学时）学时）学时）第五章第五章第五章第五章 相平衡（相平衡（相平衡（相平衡（1212学时）学时）学时）学时）第六章第六章第六章第六章 化工过程能量分析（化工过程能量分
4、析（化工过程能量分析（化工过程能量分析（1212学时）学时）学时）学时）第七章第七章第七章第七章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环压缩、膨胀、动力循环与制冷循环压缩、膨胀、动力循环与制冷循环压缩、膨胀、动力循环与制冷循环（6 6学时）学时）学时）学时）什么是流体的热力学性质？什么是流体的热力学性质？流体的热力学性质包括气体、液体的流体的热力学性质包括气体、液体的T、P、V、Cp、CvU、H、S、A、G，f 等。等。按其来源分类按其来源分类可直接测量可直接测量的的：P，V，T等；等；不能直接测量不能直接测量的：的：U，H，S，A，G等；等；可直接测量，也可推算可直接测量，也可推算的：的：Cp，Cv
5、，z，J等。等。给出给出物质物质有效利用的极限有效利用的极限 给出给出能量能量有效利用的极限有效利用的极限 化工热力学的基本任务化工热力学的基本任务 第第6章章化工过程能量分析化工过程能量分析(HH,S S,WW,E Ex x)第第第第7 7章章章章 压缩、膨胀动力压缩、膨胀动力压缩、膨胀动力压缩、膨胀动力循环与制冷循环循环与制冷循环循环与制冷循环循环与制冷循环(H,S,Q,W,)第第3章章纯流体的热力学纯流体的热力学性质性质(H,S,U，难测；难测；由由EOS+Cp得到得到）第第5章章相平衡相平衡第第2章章流体的流体的p-V-T关系关系(p-V-T p-V-T,EOS),EOS)第第第第4
6、4 4 4章章章章 流体混合物流体混合物流体混合物流体混合物的热力学性质的热力学性质的热力学性质的热力学性质各章关系各章关系H,SG汽液平衡汽液平衡EOS+偏摩尔性质偏摩尔性质偏摩尔性质偏摩尔性质Wilson方程方程vanLaar方程方程Margules方程方程EOS第一章第一章 绪绪 论论一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学五、化工热力学和其它化学工程分五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系支学科间的关系六六、本课程
7、的内容、本课程的内容学习指学习指 导导 内内 容容均相均相性质性质纯纯 物物 质质定组成混合物定组成混合物非均非均相相性质性质纯纯 物物 质质混混 合合 物物流动系统流动系统热力学分析热力学分析热力学模拟热力学模拟均相均相封闭体封闭体系热力学系热力学非均非均相相封闭封闭体系热力学体系热力学流动体系流动体系的能量平的能量平衡、熵平衡、熵平衡方程衡方程应用应用封闭体系封闭体系流动体系流动体系模型模型EOS活度系数活度系数热力学原热力学原理理均相均相封闭体封闭体系热力学系热力学均相均相性质性质纯纯 物物 质质定组成混合物定组成混合物均相均相性质性质纯纯 物物 质质定组成混合物定组成混合物均相均相封闭
8、体封闭体系热力学系热力学均相均相封闭体封闭体系热力学系热力学热力学原热力学原理理模型模型EOS活度系数活度系数模型模型EOS活度系数活度系数热力学原热力学原理理方法方法：运用经典热力学的：运用经典热力学的原理原理，结合反映体系特征的，结合反映体系特征的模型模型，应用应用于解决工程中的实际问题。于解决工程中的实际问题。二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点2、化工热力学的研究特点化工热力学的研究特点1）经典热力学的研究特点经典热力学的研究特点如何得到热力学数据如何得到热力学数据？实验：易测实验：易测（P、V、T、X）难测难测（H，S，G）推算：推算：n局部局部 完整完整 n
9、纯物质纯物质 混合物混合物n常温常压常温常压 苛刻条件苛刻条件 需要模型！需要模型！二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点2）化工热力学的研究特点）化工热力学的研究特点a.研究体系为实际状态研究体系为实际状态化学热力学化学热力学研究的是以研究的是以理想状态理想状态为主，如理想气为主，如理想气体、理想溶液；体、理想溶液；化工热力学化工热力学研究的是研究的是实际状态实际状态。在任意温度、压。在任意温度、压力下，多组分的状态。力下，多组分的状态。理想气体：理想气体：PV=nRT真实气体：真实气体：PV nRT二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点b.处理方
10、法：以理想态为标准态加上校正处理方法：以理想态为标准态加上校正实际结果实际结果=理想结果理想结果+校正校正实际气体实际气体Z(压缩因子压缩因子)实际气体实际气体(逸度系数逸度系数)实际溶液实际溶液i(活度系数活度系数)实际热机实际热机/c(实际热机效率实际热机效率与卡诺热机效率之比与卡诺热机效率之比)化学热力学的方化学热力学的方法（法（物理化学物理化学）建立模型建立模型演绎法演绎法v演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方法。法。v演绎过程主要以数学方法进行，这决定了化演绎过程主要以数学方法进行，这决定了化工热力学的数学公式纷繁复杂，理论概念严工热力学的数学
11、公式纷繁复杂，理论概念严谨、抽象。谨、抽象。v但演绎法但演绎法“似至晦，实至明；似至繁，实至似至晦，实至明；似至繁，实至简；似至难，实至易简；似至难，实至易”的特点又决定了化工的特点又决定了化工热力学热力学抽象复杂的背后是多快好省抽象复杂的背后是多快好省。19第二章第二章流体的流体的pVTpVT关系关系20第二章第二章内容内容2.0 引言引言2.1纯流体的纯流体的P-V-T相图相图2.2气体状态方程（气体状态方程（EOS）2.3对应态原理和普遍化关联式对应态原理和普遍化关联式2.4液体的液体的p-V-T性质性质2.5真实气体混合物真实气体混合物p-V-T关系关系2.6状态方程的比较和选用状态方
12、程的比较和选用21小结小结11、P-V-T相图是相图是EOS的基础，必须掌握相图上和的基础，必须掌握相图上和点、线、面，相关概念，相互关系。点、线、面，相关概念，相互关系。单相区（单相区（V，G，L，S）两相共存区（两相共存区（V/L，L/S，G/S）饱和饱和液相线（液相线（泡点线）泡点线）饱和汽饱和汽相线相线（露点线）（露点线）过热蒸汽过热蒸汽过冷液体过冷液体临界点（临界点（Tc、Pc、Vc)临界等温的数学特征临界等温的数学特征超临界流体（超临界流体（TTc和和PPc）泡点、露点，等温线（泡点、露点，等温线（T=Tc、TTc、TTc）22EOSvdWRKSRKPRVirial普遍化关系式法普
13、遍化关系式法 普遍化普遍化EOS两参数普遍化关系式两参数普遍化关系式 三参数普遍化关系式三参数普遍化关系式 普压法普压法普维法普维法2.真真实实气气体体主主要要有有两两种种计计算算方方法法，一一种种EOS法法，另一种普遍化关系法。另一种普遍化关系法。小结小结2v了解方程的特点和应用范围，学会根据实际情况选择方程。了解方程的特点和应用范围，学会根据实际情况选择方程。23小结小结33 3 3 3、三参数、三参数、三参数、三参数对应态对应态对应态对应态原理：原理：原理：原理：在相同对比温度、对比压力和偏在相同对比温度、对比压力和偏心因子下，任何气体或液体的对比体积（或压缩因子）心因子下，任何气体或液
14、体的对比体积（或压缩因子）是相同的。是相同的。意义：由于意义：由于对对对对应应应应态原理的计算更接近于态原理的计算更接近于态原理的计算更接近于态原理的计算更接近于事物的本质事物的本质事物的本质事物的本质，因此流体的性质在对比状态下因此流体的性质在对比状态下更更更更便于比较和预测便于比较和预测。对比态原理的理念对比态原理的理念在化工热力学中占有重要位置。在化工热力学中占有重要位置。存在着对应态关系的存在着对应态关系的不仅不仅不仅不仅有有有有Z Z Z Z性质性质，还有，还有，还有，还有其它对比其它对比热力学性质。热力学性质。但但但但Z Z Z Z是最基本的，是推算其它性质的是最基本的，是推算其它
15、性质的是最基本的，是推算其它性质的是最基本的，是推算其它性质的模型。模型。模型。模型。24小结小结45 5、真实气体混合物、真实气体混合物PVTPVT关系的研究思路是将混合物看成关系的研究思路是将混合物看成一个虚拟的纯物质，得到虚拟特征参数后即可用一个虚拟的纯物质，得到虚拟特征参数后即可用对比对比对比对比态原理的态原理的态原理的态原理的普遍化方法解之。普遍化方法解之。（因为普遍化方法只与对比态温度、对比态压力有关，（因为普遍化方法只与对比态温度、对比态压力有关，（因为普遍化方法只与对比态温度、对比态压力有关，（因为普遍化方法只与对比态温度、对比态压力有关，而与物质本身无关）而与物质本身无关）而
16、与物质本身无关）而与物质本身无关）方法方法混合规则混合规则是计算混合物性质中最关键的一步。是计算混合物性质中最关键的一步。虚拟临界常数法和普遍化压缩因子图法有所不同。虚拟临界常数法和普遍化压缩因子图法有所不同。6 6、液体摩尔体积液体摩尔体积饱和液体摩尔体积饱和液体摩尔体积第二章 流体的PVT关系实验得（实测）实验得（实测）一一P、V、T、CP是流体的最基本性质，是热力学计算基础是流体的最基本性质，是热力学计算基础查找文献查找文献计算计算 （由第二章介绍方法计算）（由第二章介绍方法计算）二二PVT数据的计算数据的计算1理想气体：理想气体：PV=RT（1mol）低压、高温低压、高温2真真实实气气
17、体体：主主要要有有两两种种计计算算方方法法，一一种种EOS法法，另一种普遍化关系法。另一种普遍化关系法。EOS法：法：Virial，vdW，R-K，S-R-K，PREq。有有关真实气体计算的状态方程式很多，目前已提出的关真实气体计算的状态方程式很多，目前已提出的不下不下300种，实际应用的也有种，实际应用的也有150种之多，我们主要种之多，我们主要介绍以上这些，介绍以上这些，重点掌握重点掌握VirialEq和和R-KEq，VirialEq RK RK EqEq一般取两项一般取两项 球形分子（球形分子（A Ar r，KeKe，X Xe e）=0=0普遍化关系式法普遍化关系式法 两参数通用两参数通
18、用Z Z图图 pitzerpitzer三参数通用关系式三参数通用关系式由由T Tr r，P Pr r查图得查图得Z Z值值A A 普维法：普维法：以以两两项项维维里里方方程程为为基基础础，图图2929曲曲线线上上方方，或或V Vr r22时用，时用，pitzerpitzer提出的三参数通用关系式有两个提出的三参数通用关系式有两个 普维法普维法 普压法普压法运运用用三三参参数数普普遍遍化化关关系系式式计计算算时时，一定是要注意普维法和普压法的应用条件。一定是要注意普维法和普压法的应用条件。B.B.普压法：图普压法：图2929曲线下方，或曲线下方，或V Vr r2 2时用时用Z Z0 0Z Z1
19、1 2-7 2-7 2-8 2-8图图查值查值普遍化关系式法重点是三参数普遍化关系式法重点是三参数 3 3真实气体混合物真实气体混合物 真真实实气气体体混混合合物物PVTPVT性性质质计计算算方方法法同同真真实实气气体体，有有两两种种方方法法，一一种种是是EOSEOS法法，另另一一种种是是普普遍遍化化关关系系式法。式法。EOSEOS法：法：virialvirial EqEq、RK RK EqEq 普遍化关系式法普遍化关系式法 ：虚拟临界常数法：虚拟临界常数法;三参数普遍化关系式法。三参数普遍化关系式法。4 4真实液体真实液体PVTPVT性质性质流体的热力学性流体的热力学性质质第三章第三章总结总
20、结13.1 热力学性质间的关系热力学性质间的关系3.2热力学性质的计算热力学性质的计算 3.3两相系统的热力学性质及热力学两相系统的热力学性质及热力学图表图表 总结总结1学习化工热力学的目的在于应用，最根本的学习化工热力学的目的在于应用，最根本的应用就是热力学性质的推算。应用就是热力学性质的推算。本章的主要任务就是将纯物质和均相定组成本章的主要任务就是将纯物质和均相定组成混合物系统的一些有用的热力学性质表达成混合物系统的一些有用的热力学性质表达成为能够直接测定的为能够直接测定的p、V、T及及Cp*（理想气体（理想气体热容）的普遍化函数，再结合状态方程和热容）的普遍化函数，再结合状态方程和Cp*
21、模型，就可以得到从模型，就可以得到从p、V、T推算其它热力推算其它热力学性质的具体关系式。即可以实现由一个状学性质的具体关系式。即可以实现由一个状态方程和理想气体热容模型推算其它热力学态方程和理想气体热容模型推算其它热力学性质。性质。总结总结23.13.1 热力学性质间的关系热力学性质间的关系热力学性质间的关系热力学性质间的关系S,H,U,G是是化工分离中最化工分离中最关键的热力学数据，但不易测。关键的热力学数据，但不易测。2、Maxwell方程方程1、热力学基本关系式、热力学基本关系式U，H，A，G =f(P,V,T,S)建立了建立了S=S(T，P)总结总结3 热力学基本方程热力学基本方程热
22、力学基本方程热力学基本方程和和偏导数关系式偏导数关系式偏导数关系式偏导数关系式和和MaxwellMaxwell方程方程方程方程将将将将不可测量不可测量与与可测可测量量联系了起来。联系了起来。3、热力学偏导数关系式、热力学偏导数关系式4、6个可测的偏导数个可测的偏导数总结总结41、焓、焓H的普遍关系的普遍关系3.2热力学性质的计算热力学性质的计算2、熵、熵S的普遍关系的普遍关系3、内能、内能U的普遍关系的普遍关系CP,CV+PVT数据：数据：难测的难测的H，S，U，与易测的与易测的PVT联联系了起来！系了起来！总结总结53、焓、熵的计算焓、熵的计算1）参比态的选择参比态的选择熔点下熔点下的饱和液
23、体的饱和液体（Tm，Ps）如水。如水。在在正常沸点正常沸点的饱和液体的饱和液体（Tb，1atm),如轻烃类如轻烃类2）剩余性质）剩余性质MR的引入的引入T、P真实气体状态真实气体状态T、P理想气体状态理想气体状态（虚拟状态）（虚拟状态）(1)状态方程法状态方程法(2)普遍化方法普遍化方法普遍化压缩因子法普遍化压缩因子法普遍化维里系数法普遍化维里系数法3）剩余性质）剩余性质MR的计算的计算总结总结6普遍化压缩因子法普遍化压缩因子法查图查图3-23-9只要知道只要知道Tr，Pr，就可求就可求出出HR和和SR总结总结7普遍化维里系数法普遍化维里系数法总结总结84)真实气体焓、熵的计算真实气体焓、熵的
24、计算5)真实气体的焓变和熵变真实气体的焓变和熵变1、热力学性质表示法、热力学性质表示法方程式方程式;表（精确表（精确,但需内插）但需内插）;图图(直观直观，有助于，有助于理解，数据粗糙理解，数据粗糙)2、纯物质常用图、表、纯物质常用图、表饱和水及饱和蒸气表饱和水及饱和蒸气表（附录四（附录四-A，B分别按分别按T，P排列。）排列。）过热水蒸气过热水蒸气(附录四附录四-C)、过冷水过冷水(附录四附录四-D)空气的空气的T-S图图氨的氨的T-S图图氟里昂的压焓图氟里昂的压焓图3.3两相系统的热力学性质及热力学图表两相系统的热力学性质及热力学图表总结总结93、干度、干度4、用水蒸汽表计算时应注意、用水
25、蒸汽表计算时应注意判断体系所处的状态判断体系所处的状态：饱和水、饱和蒸气、饱和水、饱和蒸气、过热水蒸气、过冷水过热水蒸气、过冷水、湿蒸气湿蒸气(MlMMg)。总结总结10如何判断？如何判断？过热水蒸气：过热水蒸气：同同T下，下，PTb过冷水：过冷水：同同T下，下，PPs(T)同同P下，下，TTb湿蒸气湿蒸气MlMMg0X（SS环）可逆环）可逆（SS总）不可逆总）不可逆（SS总）可逆总）可逆熵增原理：熵增原理：一一个孤立体系的个孤立体系的总熵永不减少。总熵永不减少。上一内容下一内容回主目录敞开系统稳流过程的熵平衡式敞开系统稳流过程的熵平衡式稳定流动体系的热力学第二定理：稳定流动体系的热力学第二定
26、理：各种简化！各种简化！上一内容下一内容回主目录理想功、损失功和热力学效率理想功、损失功和热力学效率理理 想想 功功WWidid损失功损失功WWL L热热力力学学效效率率定义定义上一内容下一内容回主目录有效能有效能E Ex x定义定义与理想功的异同点与理想功的异同点物理有效能、热量物理有效能、热量有效能的计算有效能的计算有效能损失有效能损失有效能平衡方程式有效能平衡方程式与有效能效率与有效能效率 上一内容下一内容回主目录有效能平衡分析法有效能平衡分析法化工过程能量分析的化工过程能量分析的三种方法三种方法和和优缺点优缺点能量平衡分析法能量平衡分析法熵平衡分析法熵平衡分析法上一内容下一内容回主目录
27、能量有效利用的概念能量有效利用的概念1）压力相同压力相同，过热蒸汽过热蒸汽的有效能比的有效能比饱和蒸汽饱和蒸汽大，所以其做功大，所以其做功本领也大。本领也大。2）温度相同，高压蒸汽温度相同，高压蒸汽的的作功作功本领比本领比低压蒸汽低压蒸汽强。强。3）温度相同，温度相同，高压蒸汽高压蒸汽加热能力加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。4）放出热相同放出热相同，高温高压高温高压蒸汽的火用比蒸汽的火用比低温低压低温低压蒸汽的高。蒸汽的高。5）一般供热用）一般供热用0.51.0MPa（1501800C）
28、的饱和蒸汽。）的饱和蒸汽。6）高压蒸汽（高压蒸汽（10MPa）用来做功（推动汽轮机等）。温度在）用来做功（推动汽轮机等）。温度在3500C以上的高温热能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以以上的高温热能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源。获得动力能源。问题：问题：10kg/cm2的水蒸气能否推动汽轮机？的水蒸气能否推动汽轮机？答：答：10kg/cm2=1.0MPa，适合供热适合供热。第七章第七章蒸汽动力循环蒸汽动力循环和制冷循环和制冷循环第第七七章内容章内容7.1 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环7.1.1朗肯循环及其热效率朗肯循环及其热效率7.1.2朗肯循环的改进朗肯循环的改进7.
29、2 7.2 气体绝热膨胀制冷原理气体绝热膨胀制冷原理7.2.1节流膨胀节流膨胀7.2.2对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀7.3 7.3 制冷循环制冷循环7.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环7.3.2吸收制冷循环吸收制冷循环7.3.2热泵及其应用热泵及其应用蒸汽动力循环蒸汽动力循环冷冻循环冷冻循环热转变成功热转变成功消耗功将热从低温传给高温消耗功将热从低温传给高温1、制冷、制冷2、加热、加热制冷机制冷机热泵热泵锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器2341第七章第七章总结总结蒸汽动力循环蒸汽动力循环冷冻循环冷冻循环2TS25414351TS23421.朗肯循环朗肯循环2.
30、吸收制冷循环吸收制冷循环等等S膨胀膨胀3.再热循环再热循环2.回热循环回热循环2.等等S膨胀膨胀1.等等H膨胀膨胀原理：原理：1.蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环总结（续）总结（续）理想、实际朗肯循环的计算：理想、实际朗肯循环的计算：QH、QL、WS、WP、制冷原理制冷原理制冷剂应选择常温常压下制冷剂应选择常温常压下0的气体。的气体。理想、实际蒸汽压缩制冷循环的计算理想、实际蒸汽压缩制冷循环的计算 0 节流膨胀后，流体温度降低。节流膨胀后，流体温度降低。0 节流膨胀后，气体温度降低节流膨胀后，气体温度降低.(.(冷效应冷效应)0 的气体的气体,如如N2。转化曲线转化曲线J-T=03、等熵膨胀等熵膨胀2TS25414351）冷凝温度）冷凝温度：T4=T32）过冷温度）过冷温度：T43）过冷度）过冷度=T4-T44）蒸发温度）蒸发温度:T5=T5=T1几个易混淆的概念：几个易混淆的概念：实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算q0q2T1=T5=蒸发温度蒸发温度T3=T4=冷凝温度冷凝温度2、热泵的供热系数、热泵的供热系数HP1、烧电炉，消耗烧电炉，消耗1J1J的机械功，仅获得的机械功，仅获得1J1J的热量的热量热泵供热，消耗热泵供热，消耗1J1J的机械功，可获得的机械功，可获得(+1)J+1)J的的热量热量.Good Luck!Thank You!