化工热力学

第1章 绪论 1

1.1 化工热力学的发展和研究内容 1

1.1.1 化工热力学的发展 1

1.1.2 化工热力学的研究内容 1

1.2 化工热力学的特点和限制 2

1.3 热力学的基本方法 2

1.3.1 状态函数方法 3

1.3.2 数学演绎方法 3

1.3.3 理想化方法 4

1.4 热力学的概念与定义 4

1.4.1 系统与环境 4

1.4.2 状态与性质 5

1.4.3 过程与循环 6

1.4.4 温度 6

1.4.5 能、热和功 6

第2章 流体的p-V-T性质 8

2.1 纯物质的p-V-T关系 8

2.2 流体的状态方程式 9

2.2.1 理想气体状态方程 10

2.2.2 维里方程 11

2.2.3 范德华方程 13

2.2.4 R-K方程 15

2.2.5 SRK方程 17

2.2.6 P-R方程 19

2.3 p-V-T关系的普遍化计算 20

2.3.1 对应状态原理的统计力学基础 20

2.3.2 气体对比态原理的提出 21

2.3.3 普遍化状态方程式 22

2.3.4 两参数普遍化压缩因子图 23

2.3.5 偏心因子与三参数压缩因子图 26

2.3.6 普遍化第二维里系数关系式 30

2.4 真实气体混合物 31

2.4.1 Dalton定律和普遍化压缩因子图联用 32

2.4.2 Amagat定律和普遍化压缩因子图联用 32

2.4.3 虚拟临界参数 33

2.4.4 混合规则 34

2.4.5 GE-EOS混合规则 36

2.4.6 真实气体混合物的状态方程式 38

2.5 液体的p-V-T性质 42

2.5.1 液体的状态方程 42

2.5.2 普遍化关联式 43

2.5.3 液体混合物的密度 44

2.5.4 液体混合物的混合规则 45

2.5.5 结构加和法 45

习题 46

第3章 纯流体的热力学性质 50

3.1 流体的热力学性质 50

3.1.1 均相流体系统的热力学基本方程式 50

3.1.2 点函数间的数学关系式 51

3.1.3 Maxwell关系式 52

3.1.4 热力学函数的一阶导数间关系的推导 54

3.2 热力学性质的计算 56

3.2.1 理想气体的热力学性质 56

3.2.2 剩余性质 58

3.2.3 由状态方程求剩余焓和剩余熵 61

3.2.4 液体的焓变和熵变计算 63

3.2.5 气体热力学性质普遍化关联 64

3.3 纯物质两相系统的热力学性质及热力学图表 75

3.3.1 两相系统的热力学性质 75

3.3.2 水蒸气表 76

3.3.3 过冷水和过热蒸汽表 77

3.3.4 热力学性质图表 77

3.3.5 热力学性质图制作原理 83

习题 84

第4章 溶液的热力学性质 86

4.1 变组成系统的热力学性质 86

4.1.1 开系的热力学关系式和化学势 87

4.1.2 偏摩尔性质 88

4.1.3 偏摩尔性质的计算 89

4.2 逸度和逸度系数 92

4.2.1 逸度和逸度系数定义 92

4.2.2 纯气体的逸度和逸度系数 94

4.2.3 液体的逸度和逸度系数 99

4.2.4 混合物中组分的逸度和逸度系数 100

4.2.5 混合物的逸度与其组分逸度之间的关系 108

4.2.6 温度和压力对逸度的影响 109

4.3 理想溶液和标准态 110

4.3.1 理想溶液的逸度、标准态 111

4.3.2 理想溶液和非理想溶液 113

4.4 均相液体混合时的性质变化 115

4.4.1 混合体积变化 115

4.4.2 混合过程的焓变和焓-浓图 117

4.4.3 过量热力学性质 120

4.5 活度和活度系数 123

4.5.1 定义 123

4.5.2 标准态和归一化 124

4.5.3 温度和压力对活度系数的影响 126

4.5.4 Gibbs-Duhem方程 126

4.5.5 Gibbs-Duhem方程的应用 128

4.6 活度系数与组成间的关系 130

4.6.1 非理想溶液的过量吉布斯函数 130

4.6.2 正规溶液和无热溶液 132

4.6.3 伍尔型方程 133

4.6.4 基于局部组成概念的方程式 135

习题 142

第5章 流体相平衡 147

5.1 相平衡的判据和相律 147

5.1.1 相平衡的判据 147

5.1.2 相律 149

5.1.3 气液平衡的基本问题及求解类型 150

5.1.4 气液平衡的热力学处理方法 151

5.2 气液平衡的计算 156

5.2.1 气液平衡相图 156

5.2.2 气液平衡计算类型 161

5.2.3 低压气液平衡 163

5.2.4 中压气液平衡 168

5.2.5 高压气液平衡 172

5.3 实验数据确定活度系数 174

5.3.1 无限稀释活度系数的定义及作用 175

5.3.2 根据气液平衡组成求算端值 177

5.3.3 根据恒沸组成求算端值 179

5.3.4 根据总压-组成数据求算端值 180

5.3.5 根据沸点-组成数据求算端值 181

5.4 热力学一致性检验 181

5.4.1 热力学一致性检验的概念 181

5.4.2 热力学一致性检验的定性描述 182

5.4.3 热力学一致性检验的定量描述 183

5.5 液液平衡 185

5.5.1 液液平衡相图 185

5.5.2 溶液的稳定性 187

5.5.3 液液平衡计算 192

5.5.4 从液液互溶度求算有关方程中的配偶参数 194

习题 196

第6章 化工过程能量分析 200

6.1 热力学第一定律及其应用 200

6.1.1 能量的种类 200

6.1.2 能量守恒的基本关系式 201

6.1.3 封闭系统的热力学第一定律 202

6.1.4 敞开系统中质量守恒定律和热力学第一定律的表达 202

6.1.5 轴功 207

6.1.6 热量衡算 208

6.2 热力学第二定律及其应用 209

6.2.1 热力学第二定律的发现与表述 210

6.2.2 熵与熵增加原理 211

6.2.3 熵流与熵产 215

6.2.4 熵平衡 215

6.3 理想功、损耗功和热力学效率 218

6.3.1 理想功 218

6.3.2 损耗功 221

6.3.3 热力学效率 223

6.4 有效能 224

6.4.1 化工生产中几种主要的能量形式 224

6.4.2 能量的级别 226

6.4.3 有效能 226

6.4.4 有效能的计算 229

6.4.5 有效能与理想功的异同 236

6.4.6 无效能 237

6.4.7 有效能平衡方程与有效能效率及损失 238

6.5 典型化工单元过程热力学分析 242

6.5.1 流体流动过程 242

6.5.2 传热过程 243

6.5.3 分离过程 245

6.5.4 化学反应过程 248

6.6 化工过程热力学分析的三种基本方法 250

6.6.1 热力学分析的三种方法 251

6.6.2 能量衡算法 252

6.6.3 熵分析法 254

6.6.4 有效能分析法 256

6.7 合理用能基本原则 258

习题 260

第7章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环 265

7.1 气体压缩过程 265

7.1.1 压缩过程的热力学分析 265

7.1.2 等温压缩过程 266

7.1.3 绝热压缩过程 267

7.1.4 多变压缩过程 269

7.1.5 多级压缩 272

7.1.6 气体压缩的实际功耗 274

7.1.7 叶轮式压缩机 275

7.2 气体的膨胀 275

7.2.1 节流膨胀 275

7.2.2 对外做功的绝热膨胀 277

7.3 蒸汽动力循环 280

7.3.1 卡诺蒸汽循环 280

7.3.2 Rankine循环 281

7.3.3 蒸汽参数对Rankine循环热效率的影响 285

7.3.4 Rankine循环的改进 287

7.4 制冷循环 291

7.4.1 理想制冷循环 291

7.4.2 蒸汽压缩制冷循环 293

7.4.3 制冷工质的选择 297

7.4.4 吸收式制冷 299

7.4.5 热泵 300

7.5 深冷循环与气体液化 303

7.5.1 林德循环 303

7.5.2 克劳德循环 305

习题 307

第8章 化学反应平衡 311

8.1 化学反应进度 311

8.2 化学反应平衡分析 315

8.3 温度对化学反应平衡常数的影响 318

8.4 化学反应平衡计算 321

8.4.1 气相反应 321

8.4.2 液相反应 324

8.4.3 压力、原料组成及惰性组分对平衡组成的影响 327

8.4.4 气液反应 330

8.4.5 气固反应 334

8.5 化学反应系统的相律与Duhem定理 336

8.5.1 独立反应的确定 336

8.5.2 化学反应系统的相律与Duhem定理 337

8.6 复杂化学反应平衡 338

8.6.1 通过确定系统中线性无关反应进行计算 338

8.6.2 用总吉布斯函数极值法计算 339

8.6.3 绝热反应平衡 341

习题 343

附录 345

附表A 单位换算表 345

附表B 某些物质的临界常数和偏心因子 345

附表C 一些物质Antoine方程的系数 347

附表D 水蒸气热力学性质表（水蒸气表） 351

附表E 物质的标准摩尔生成熔、标准摩尔生成吉布斯函数、标准摩尔熵和标准摩尔热容 358

附表F 一些物质的液体热容温度关联式系数 362

附表H 主要无机和有机化合物的标准摩尔化学有效能E？以及温度修正系数ξ 365

附图I 常用物质的热力学性质图 367

参考文献 371