热力学复习教材

第一章流体的热力学性质1、维里方程：例2-1已知200℃时，异丙醇蒸气的第二维里系数和第三维里系数为：试计算200℃，1MPa时，异丙醇蒸气的V和Z：（1）用理想气体方程；（2）用式2-7；（3）用式2-8。解：(1)用理想气体方程:(2)用式2-7:(3)用式2-8，需采用迭代的方法进行计算:2、范德华方程：3、R—K方程：T＞TC时：方程只有一个正实根；T=TC时:方程仅有一个正实根；T＜TC时:高压下，有一个正实根低压下有三个正实根（小值：液相摩尔体积；大值：蒸汽摩尔体积中间值：无意义。）例2-2：已知氯甲烷在60℃时的饱和蒸汽压为1.376MPa，试用R—K方程计算此条件下饱和蒸汽和饱和液体的摩尔体积。实验值为VL=1.636m3·kmol-1，VG=0.06037m3·kmol-1。解：（1）查得氯甲烷临界参数PC=6.68×106MPaTC=416.3K（2）计算参数（3）计算饱和蒸汽摩尔体积（4）计算饱和液体摩尔体积（5）误差分析：4、S—R—K方程：5、（1）范德华方程的普遍化形式：（2）R—K方程普遍化形式：（3）S—R—K方程普遍化形式：例2-3：试分别用R—K方程和S—R—K方程的普遍化式计算360K、1.541MPa下异丁烷蒸汽的压缩因子，已知由实验数据求出的Z实=0.7173。解：查得异丁烷的临界参数为：TC=408.1K、PC=3.65MPaw=0.176（1）R—K方程:（2）S—R—K方程:两种方法的比较：6、两参数的压缩因子关系式：所有气体处在相同的对比温度和对比压力时，必定具有相同的压缩因子。7、当Tr=0.7时，lgPrs=-1.000偏心因子：例2-4：试用下列三种方法计算510K，2.5MPA正丁烷的摩尔体积。已知实验值为1.4807m3·kmol-1。（1）用理想气体方程；（2）用普遍化压缩因子关系；（3）用普遍化维里系数关联解：查得正丁烷的临界参数和特性参数：（1）理想气体方程（2）普遍化压缩因子图（3）普遍化维里系数关联（4）三个方程计算结果误差比较例2-5某容器置于65ºC恒温浴中，体积为0.03m3，内装0.5kg气体氨，试分别用下列三种方法计算气体的压力。已知实验值为2.382Mp（1）用理想气体方程；（2）用R—K方程；（3）用普遍化关联式解：查得氨的临界参数和特性参数（1）理想气体方程（2）R—K方程则：（3）普遍化关联A、普遍化维里系数法3、普遍化压缩因子图（4）三个方程计算结果误差比较8、混合物的虚拟参数Mm与纯物质参数Mi以及组成yi之间的关系式:阿玛格分体积定律适用于真实气体混合物Zm：混合物的压缩因子Vi：纯组分体积Zi：组分i的压缩因子，是i组分在混合物的总压力和温度下的压缩因子。例2-6某合成氨厂原料气的配比是N2:H2=1:3（摩尔比），进合成塔前，先把混合气体压缩到40.532MPa，并加热到300ºC。由于混合气体的摩尔体积是合成塔尺寸设计的必要数据，（Vm=1.1155）试采用下列方法进行计算：（1）理想气体方程；（2）Amagat定律与普遍化压缩因子图联用；（3）虚拟临界参数解：首先查取各组分的特性参数（1）理想气体方程（2）Amagat定律与普遍化压缩因子图联用首先计算出两组分的对比参数：其次：由压缩因子图2-4C查取H2、N2压缩因子（3）虚拟临界参数（4）误差比较第二章纯流体的热力学性质12、剩余性质：3、流体体积膨胀系数：4、例2-11：试求在200°C、7MPa下1-丁烯蒸汽的V、H和S。假1-丁烯饱和液体在0°C时H和S值为零，已知TC=419.6K，PC=4.02MPa、ω=0.187，正常沸点Tn=267K，解：求V：由三参数压缩因子图查得：Z0=0.476Z1=0.135（2）求H、S：由安托尼公式计算饱和蒸汽压：将上面数据代入公式即可求得方程参数：A=7.83B=2702即可求得0°C的饱和蒸汽压：汽化潜热计算Reidel公式：由Watson公式：在273.15K下Tr=273.15/419.6=0.651采用普遍化维里系数法：压力较高，采用压缩因子图2-14—2-20第三章热力学第一定律及其应用1、内总能量的变化：2、能量平衡方程式可简化为：对单位质量物料：由附表3查得95ºC饱和水的焓：则有：根据h2再查附表3，得到第二贮水罐的水温度约为47.51ºC。3、（1）机械能平衡式：（2）绝热稳定流动方程式：（3）节流过程为等焓过程。（4）与外界有大量热、轴功交换的稳流过程：eq\o\ac(○,1)若绝热（绝热压缩和膨胀）eq\o\ac(○,2)无功交换：例3-2丙烷气体在2MPa、400K时稳流经过节流装置后减压到0.1MPa。试求丙烷节流后的温度和节流过程的熵变。解：分析：节流过程为等焓：由焓变的计算式：节流之后压力较低，可视为理想气体：则可得到节流之后温度的表达式为：（1）计算查取丙烷临界参数初态对比参数为：由图2-10判断，应采用普遍化维里系数法（3）计算4、（1）可逆轴功WS(R)：耗功过程为最小值，产功过程为最大值。不可压缩流体：（2实际轴功WS：产功过程：机械效率耗功过程：例3.4某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如图所示，水进入给水泵的压力为0.09807MPa（绝）,温度为15℃。水被加压到0.687MPa（绝）,后进入锅炉，将水加热成饱和蒸汽。蒸汽由锅炉进入透平，并在透平中进行膨胀作功，排出的蒸汽压力为0.09807MPa，蒸汽透平输出的功主要用于带动事故泵，有一小部分用于带动给水泵，若透平机和给水泵都是绝热可逆操作，问有百分之几的热能转化为功？解：取1kg水为计算基准（1）计算qⅠ、求h2以给水泵为体系，根据能量平衡方程式由水蒸气表查得15℃下水的饱和蒸汽压为1.7051kpa，v=0.001m3·kg-1。h1由15℃下饱和水的焓来计算，查表得由Ⅱ、求h3由687kPa的饱和蒸汽表得Ⅲ、求q以锅炉为体系：Ⅳ、求h4透平机为绝热可逆条件下操作，故：例：用过剩20%的空气燃烧甲烷，二者均在25°C，进入燃烧炉，试求燃烧所能达到的最高温度。以1mol甲烷为计算基准。进入燃烧炉的气体为：甲烷：1molN2：2.4×79/21=9.03mol；O2：2.4mol（需要理论O2的摩尔数2，过剩2×0.2=0.4mol）离开燃烧炉的气体为：O2：0.4mol（过剩O2摩尔数2×0.2=0.4mol）N2：2.4×79/21=9.03molCO2：1molH2O：2mol例：5、eq\o\ac(○,1)等温过程eq\o\ac(○,2)绝热过程单原子气体：K=1.667双原子气体：K=1.40三原子气体：K=1.333eq\o\ac(○,3)多变过程6、真实气体压缩功的计算eq\o\ac(○,1)等温过程：eq\o\ac(○,2)绝热过程：eq\o\ac(○,3)多变过程：7、易液化的气体：绝热过程：多变过程：8、压缩比：第四章热力学第二定律及其应用⇀⇁温差越小，熵变越小，不可逆程度越小；温差越大，熵变越大，不可逆程度越大；温差为0，传热过程接近可逆，熵变接近0。不可逆过程可逆过程2、熵流：3、熵产不可能过程4、封闭体系熵平衡：5、孤立体系：6eq\o\ac(○,1)稳流过程：eq\o\ac(○,2)绝热过程：:eq\o\ac(○,3)不可逆绝热过程：eq\o\ac(○,4)可逆绝热过程：1、等压加热和冷却过程：2、节流膨胀过程：3、等熵膨胀或压缩过程：可逆绝热：不可逆绝热：等熵膨胀效率：等熵压缩效率：1、2→3：3为湿蒸汽，其对应透平机出口点，将造成透平机侵蚀现象。2、4→1：4点在两相区，汽水混合物无法用泵输送。卡诺热机优点：效率最高例4-5某蒸汽动力循环装置产生过热蒸汽压力为：8600kPa、500℃蒸汽进入透平机绝热膨胀作功，透平排出的乏汽压10kPa，乏汽进入冷凝器全部冷凝为饱和液态水，然后泵入锅炉。试求：1、理想的朗肯循环的热效率。2、已知透平和水泵的等熵效率为0.75，实际动力循环热效率。3、设计要求实际动力循环输出的轴功率为80000kW，试求蒸汽流量以及锅炉和冷凝器的传热速率。卡诺循环：两个传热过程为无温差的可逆传热过程。朗肯循环：传热是有温差。约能源的措施就是提高平均吸热温度，或降低冷凝温度朗肯循环改进的措施：（1）提高过热蒸汽的温度（2）提高过热蒸汽的压力（3）采用再热循环7、制冷系数：8、制冷系数提高措施：（1）降低冷凝温度和冷凝器传热温差；（2）提高蒸发温度和蒸发器的传热温差；（3）降低过冷温度。第五章化工过程热力学分析例5-1试求25℃、0.10133MPa的水变为0℃、0.10133MPa冰的理想功已知0℃冰的溶解焓变为334.7kJ·kg-1。设环境温度为（1）25℃，（2）-25℃解：25℃、0.10133MPa的水的焓和熵：h1=104.89kJ·kg-1s1=0.3674kJ·kg-1·K-10℃、0.10133MPa的冰的焓和熵：h2=-334.7kJ·kg-1s2=-1.2260kJ·kg-1·K-1

（1）25℃

（2）-25℃例5-5某合成氨厂甲烷蒸汽转化工段转化气量为5160Nm3（tNH3）-1，因工艺需要，将其温度从1000℃降到380℃。现有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收的实际功为283kW·h。试求（1）转化气降温过程的理想功；（2）余热动力装置的热效率；（3）此余热利用过程的热力学效率。大气温度为30℃，转化气降温过程压力不变，在380-1000温度范围内等压热容为36kJ·kmol-1·K-1，废热锅炉和透平的热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气。

（2）热效率（3）热力学效率

1、不可逆过程的损耗功WL：

2、流体流动过程

若温度和比容变化不大则：eq\o\ac(○,1)减低流速、增大管径、加减阻剂。eq\o\ac(○,2)升高温度，在深冷时要减小流动阻力损失。

eq\o\ac(○,3)气体节流比液体的损耗功大，气体通常用膨胀机、液体采用节流阀，以减少功的损耗。3、传热过程中损耗的功为：

eq\o\ac(○,1)减小温差、增大传热面积、设备费用增加。eq\o\ac(○,2)低温下传热，损耗功更大，高温传热可允许的温差大一些

节能方向：温差减小、做到温度匹配、温差分布合理。4、能级：高级能量僵态能量低级能量5、热有效能的计算：6、（1）一切不可逆过程中，均有效能转化为无效能。

（2）只有可逆过程有效能才守衡。（3）由无效能转化为无效能是不可能的。

例5-16设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，见图，转化气进入废热锅炉的温度为1000℃，离开时为380℃,其流量为5160Nm3，可以忽略降温过程中压力变化。废热锅炉产生4MPa、430℃的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽的压力为0.01235MPa，其干度为0.9853。转化气在有关温度范围的平均等压热容为36kJ·kmol·K-1。乏汽进入冷凝器用30℃的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为50℃，试用能量衡算法计算此余热利用装置的热效率（忽略过程的热损失）。

例5-17设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，见图，转化气进入废热锅炉的温度为1000℃，离开时为380℃,其流量为5160Nm3，可以忽略降温过程中压力变化。废热锅炉产生4MPa、430℃的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽的压力为0.01235MPa，其干度为0.9853。转化气在有关温度范围的平均等压热容为36kJ·kmol·K-1。乏汽进入冷凝器用30℃的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为50℃，试用熵分析法评价其能量利用情况。

例5-18设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，见图，转化气进入废热锅炉的温度为1000℃，离开时为380℃,