高等化工熱力學(xué)

前言

本書是為化學(xué)工程與生物化工專業(yè)研究生“高等化工熱力學(xué)”課程教學(xué)編寫的教材。就其知識(shí)內(nèi)容而言，實(shí)為一本有關(guān)分子熱力學(xué)方面的著作。作者在清華大學(xué)化工系從事本科生和研究生熱力學(xué)課程教學(xué)多年，本科化工熱力學(xué)教學(xué)日臻成熟，已有配套的教材、習(xí)題集和數(shù)據(jù)手冊(cè)出版，但深感研究生教學(xué)缺少一本深淺適度的教學(xué)參考書。有鑒于此，作者在多年校內(nèi)試用講義的基礎(chǔ)上，參閱國(guó)內(nèi)外各種教材、專著和文獻(xiàn)，結(jié)合近年來分子熱力學(xué)研究的前沿進(jìn)展以及我們自己的科研工作，編著了本書。近20年來，化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展日新月異，其研究對(duì)象已從傳統(tǒng)化工的小分子流體擴(kuò)展到電解質(zhì)溶液和離子液體、長(zhǎng)鏈高分子溶液、膠體溶液、生物大分子溶液、聚電解質(zhì)溶液、親水親油分子流體、多分散體系以及多孔材料中的受限空間流體等。研究這些復(fù)雜流體的物性和相行為，宏觀熱力學(xué)方法已顯得力不從心。而建立在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和分子科學(xué)基礎(chǔ)之上，又有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的分子熱力學(xué)方法已成為研究復(fù)雜流體結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的有力工具。統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)可以看作聯(lián)系物質(zhì)微觀分子結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的橋梁，人們僅從流體的微觀分子位能函數(shù)出發(fā)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法，即可預(yù)測(cè)流體的熱力學(xué)性質(zhì)和相行為。隨著人們對(duì)分子間作用力的認(rèn)識(shí)不斷深入和基于統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的分子理論的日臻完善，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)處理的對(duì)象早已不局限于像惰性氣體氬這樣的簡(jiǎn)單分子，而是涉及到上面所述及的所有復(fù)雜流體。隨著近年來高速電子計(jì)算機(jī)的普及，構(gòu)筑于統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)基礎(chǔ)之上的分子模擬技術(shù)已不再是少數(shù)人掌握的陽春白雪，其在化學(xué)工程各個(gè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用漸成尋常之事。以上諸因素有力地促進(jìn)了這門新的工程科學(xué)——分子熱力學(xué)——發(fā)展。因此對(duì)化學(xué)工程師而言，掌握分子熱力學(xué)知識(shí)，從微觀分子觀點(diǎn)處理復(fù)雜工程問題具有與時(shí)俱進(jìn)的必要性。

內(nèi)容概要

本書在系統(tǒng)講述統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理及方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)在流體狀態(tài)方程、電解質(zhì)溶液、高分子溶液和生物大分子溶液各領(lǐng)域中的應(yīng)用和最新進(jìn)展。全書共9章，第1章簡(jiǎn)要總結(jié)了必備的熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。第2-4章分別深入地講述流體的分子力和位能函數(shù)、系綜原理和分布函數(shù)等統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)基本內(nèi)容。第5章系統(tǒng)闡述立方型方程、對(duì)應(yīng)態(tài)方程、維里方程和硬球方程及其統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理方法。第6章介紹了適用于化學(xué)工程的微擾理論。第7-9章詳細(xì)講述了電解質(zhì)溶液、高分子溶液和生物大分子溶液的分子熱力學(xué)理論和模型，并介紹其前沿領(lǐng)域的最新進(jìn)展。    本書可作為化工、化學(xué)、生物、環(huán)境及熱能等專業(yè)研究生熱力學(xué)課程的教學(xué)參考書，也可供本科高年級(jí)學(xué)生和有關(guān)科研人員參考使用。

作者簡(jiǎn)介

高光華  1970年畢業(yè)于清華大學(xué)工程化學(xué)系并留校任教至今。1993年獲法國(guó)波城大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，博士生導(dǎo)師，清華大學(xué)化工熱力學(xué)研究室主任。兼任中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)工程熱力學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)金屬學(xué)會(huì)物理化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員。一直從事化工

書籍目錄

第1章  基礎(chǔ)熱力學(xué)  1.1  熱力學(xué)基本方程  1.2  雅可比行列式  1.3  剩余函數(shù)和超額函數(shù)    1.3.1  剩余函數(shù)    1.3.2  超額函數(shù)  1.4  逸度和逸度系數(shù)    1.4.1  純氣體的逸度    1.4.2  混合物中組分的分逸度  1.5  活度和活度系數(shù)  1.6相平衡關(guān)系    1.6.1  氣液相平衡    1.6.2  液液相平衡    參考文獻(xiàn)第2章  分子間作用能和位能函數(shù)  2.1  分子間作用能    2.1.1  離子間靜電能    2.1.2  偶極分子 偶極分子相互作用能    2.1.3  極性分子與非極性分子間的誘導(dǎo)能    2.1.4  非極性分子間的色散能    2.1.5  分子間的排斥能  2.2  位能函數(shù)    2.2.1  硬球位能函數(shù)    2.2.2  方阱位能函數(shù)    2.2.3  薩日蘭位能函數(shù)    2.2.4  Lennard Jones位能函數(shù)    2.2.5  Kihara位能函數(shù)    2.2.6Yukawa位能函數(shù)    2.2.7Stockmayer位能函數(shù)    2.2.8分子力場(chǎng)    參考文獻(xiàn)第3章  統(tǒng)計(jì)系綜  3.1  正則系綜    3.1.1  正則系綜與正則配分函數(shù)    3.1.2  正則配分函數(shù)與熱力學(xué)量的關(guān)系    3.1.3  正則配分函數(shù)在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)相空間中的形式  3.2  巨正則系綜    3.2.1  巨正則系綜和巨正則配分函數(shù)    3.2.2  巨正則系綜配分函數(shù)與熱力學(xué)量的關(guān)系  3.3  微正則系綜  3.4  等溫等壓系綜  3.5  漲落    3.5.1  正則系綜中體系能量的漲落    3.5.2  巨正則系綜中體系粒子數(shù)的漲落    3.5.3  等溫等壓系綜中體系體積的漲落    參考文獻(xiàn)第4章  分布函數(shù)理論  4.1  分布函數(shù)  4.2  徑向分布函數(shù)  4.3  徑向分布函數(shù)與流體熱力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系    4.3.1  能量方程    4.3.2  壓力方程    4.3.3  壓縮性方程  4.4  徑向分布函數(shù)的理論計(jì)算    4.4.1  Ornstein Zernike積分方程    4.4.2  Percus Yevick方程    4.4.3  超網(wǎng)鏈方程    4.4.4  平均球近似方法    參考文獻(xiàn)第5章  流體狀態(tài)方程  5.1  立方型狀態(tài)方程    5.1.1  普遍化van der Waals配分函數(shù)    5.1.2  純流體狀態(tài)方程    5.1.3  立方型方程的混合規(guī)則  5.2  對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理    5.2.1  宏觀對(duì)應(yīng)態(tài)    5.2.2  對(duì)應(yīng)態(tài)的分子理論  5.3  維里狀態(tài)方程    5.3.1  維里方程的統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)    5.3.2  由分子間位能函數(shù)計(jì)算第二維里系數(shù)    5.3.3  第二維里系數(shù)的估算  5.4  硬球狀態(tài)方程    5.4.1  純硬球流體狀態(tài)方程    5.4.2  硬球流體混合物狀態(tài)方程    參考文獻(xiàn)第6章  液體的微擾理論  6.1  微擾理論基本原理  6.2  基于硬球參考體系的一階微擾理論    6.2.1  一階微擾理論的熱力學(xué)函數(shù)表達(dá)式    6.2.2  簡(jiǎn)單的一階微擾方法  6.3  微擾狀態(tài)方程    6.3.1  van der Waals方程    6.3.2  微擾硬鏈方程    6.3.3  微擾軟鏈方程    6.3.4  硬球鏈方程  6.4  Barker Henderson微擾理論    6.4.1  軟球參考體系的一階微擾理論    6.4.2  二階Barker Henderson微擾理論    6.4.3  混合物的Barker Henderson微擾理論  6.5  Chandler Weeks Anderson微擾理論    6.5.1  實(shí)際軟球參考體系的微擾理論    6.5.2  混合物的CWA理論    參考文獻(xiàn)第7章  電解質(zhì)溶液  7.1  電解質(zhì)溶液的基本概念    7.1.1  參考態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)態(tài)    7.1.2  電解質(zhì)活度與離子活度的關(guān)系    7.1.3  電解質(zhì)溶液的滲透系數(shù)    7.1.4  電解質(zhì)溶液的滲透系數(shù)和平均離子活度系數(shù)與超額Gibbs自由能的關(guān)系    7.1.5  電解質(zhì)溶液理論的分類  7.2  Debye Hückel理論    7.2.1  離子氛    7.2.2  Debye Hückel活度系數(shù)方程    7.3  Pitzer電解質(zhì)溶液理論    7.3.1  Pitzer方程的統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)    7.3.2  單-電解質(zhì)溶液的Pitzer方程    7.3.3  混合電解質(zhì)溶液的Pitzer方程  7.4  電解質(zhì)溶液局部組成模型    7.4.1  單-電解質(zhì)溶液的CHEN NRTL方程    7.4.2  混合電解質(zhì) 混合溶劑體系的CHEN NRTL方程    7.4.3  其他電解質(zhì)溶液局部組成模型簡(jiǎn)介  7.5  電解質(zhì)溶液的原始平均球近似模型    7.5.1  電解質(zhì)溶液原始平均球近似方法    7.5.2  平均球近似方法計(jì)算離子活度系數(shù)  7.6電解質(zhì)溶液的非原始平均球近似模型    參考文獻(xiàn)第8章  高分子溶液  8.1  格子模型：Flory Huggins方程    8.1.1  無熱溶液的Flory Huggins方程    8.1.2  非無熱溶液的Flory Huggins方程    8.1.3  高分子溶液的液液平衡    8.1.4  Flory Huggins方程的改進(jìn)  8.2  胞腔模型：Prigogine Flory Patterson方程    8.2.1  純流體的狀態(tài)方程    8.2.2  二元混合物的狀態(tài)方程  8.3  統(tǒng)計(jì)締合流體理論：SAFT方程    8.3.1  純流體的SAFT方程    8.3.2  混合物的SAFT方程    8.3.3  SAFT方程在相平衡中的應(yīng)用    8.3.4  SAFT方程的改進(jìn)    參考文獻(xiàn)第9章生物大分子溶液  9.1  生物大分子溶液的帶電膠體性質(zhì)    9.1.1  聚電解質(zhì)溶液的雙電層結(jié)構(gòu)    9.1.2  DLVO理論    9.1.3  聚電解質(zhì)溶液的Donnan平衡  9.2  McMillan Mayer滲透壓統(tǒng)計(jì)理論  9.3  蛋白質(zhì)溶液的滲透壓    9.3.1  維里方程法    9.3.2  Yukawa狀態(tài)方程法    9.3.3  積分方程法  9.4  蛋白質(zhì)溶液的擴(kuò)散    9.4.1  一般化Stokes Einstein方程    9.4.2  BSA 電解質(zhì)水溶液互擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測(cè)  9.5  蛋白質(zhì)在雙水相體系中的分配    9.5.1  擴(kuò)展的滲透維里方程    9.5.2  Baskir吸附格子模型及其擴(kuò)展  9.6  DNA電解質(zhì)溶液的結(jié)構(gòu)性質(zhì)    9.6.1  簡(jiǎn)化的DNA分子模型    9.6.2  基于基本度量理論的雙電層密度泛函    9.6.3  電解質(zhì)小離子圍繞聚離子DNA的分布    9.6.4  電勢(shì)分布  9.7  DNA電解質(zhì)溶液的有擇作用系數(shù)    9.7.1  有擇作用系數(shù)    9.7.2  單一電解質(zhì)溶液的有擇作用系數(shù)     9.7.3  混合電解質(zhì)溶液的有擇作用系數(shù)  9.8  DNA電解質(zhì)溶液的滲透系數(shù)    9.8.1  DNA溶液的胞腔模型    9.8.2  基于胞腔模型的密度泛函理論    9.8.3  DNA溶液的滲透系數(shù)參考文獻(xiàn)附錄A  單位換算與基本常數(shù)附錄B  純物質(zhì)的特性常數(shù)

章節(jié)摘錄

插圖：任何純物質(zhì)和混合物的熱力學(xué)性質(zhì)，除非其處于理想氣體狀態(tài)，均取決于純物質(zhì)和混合物體系內(nèi)部的分子間作用力。分子間作用力是導(dǎo)致非理想氣體行為、溶液結(jié)構(gòu)變化及相轉(zhuǎn)變的主要原因。流體內(nèi)部存在兩種類型的分子間作用力，即吸引力與斥力。當(dāng)分子互相遠(yuǎn)離時(shí)彼此吸引；而靠近到一定距離時(shí)，又產(chǎn)生斥力而彼此排斥。顯然，若無分子間吸引力，氣體就不會(huì)凝結(jié)為液體；同理若無分子間斥力，液體也不會(huì)不宜壓縮。目前，人們對(duì)各種類型的分子間作用力描述已經(jīng)獲得了定量和半定量的結(jié)果。但迄今為止，對(duì)分子間作用力的本質(zhì)尚未認(rèn)識(shí)充分，但基于分子間作用力的各種位能函數(shù)的近似模型，則構(gòu)成了現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)分子模擬的重要基礎(chǔ)。本章首先介紹不同類型的分子間作用力，包括靜電引力、色散力、誘導(dǎo)力和分子間斥力。最后介紹適宜科學(xué)與工程計(jì)算的各種類型的分子位能函數(shù)。讀者若欲深入了解此方面的內(nèi)容，可參閱有關(guān)著作。

編輯推薦

《高等化工熱力學(xué)》既是一本研究生教材，也是一本分子熱力學(xué)專著。作者深入淺出地闡述了統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的基本原理，同時(shí)以較大篇幅詳細(xì)介紹了流體狀態(tài)方程，以及電解質(zhì)溶液、高分子溶液和生物大分子溶液的分子熱力學(xué)模型、前沿進(jìn)展和工程應(yīng)用?！陡叩然崃W(xué)》可作為高等院校化工類及相關(guān)專業(yè)研究生化工熱力學(xué)課程的教材，也可供化學(xué)工程領(lǐng)域相關(guān)科技人員參考使用。

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