流體與過程熱力學(xué)

前言

　　可以簡(jiǎn)明地將"化工熱力學(xué)"理解為是一門探討物質(zhì)平衡態(tài)的物理化學(xué)性質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換原理的學(xué)問。人類利用能源與資源的技術(shù)水平，在漫長的文明史上曾經(jīng)維持在相當(dāng)?shù)偷乃?，直至產(chǎn)業(yè)革命才發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。大約在19世紀(jì)20年代，歐美學(xué)者們以化學(xué)熱力學(xué)和工程熱力學(xué)為基礎(chǔ)，逐步形成了化工熱力學(xué)這門學(xué)科，把與物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的知識(shí)與各種能量轉(zhuǎn)換過程、循環(huán)和系統(tǒng)更緊密地聯(lián)系起來，使人們有可能更好地認(rèn)識(shí)和把握物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，有力地推動(dòng)了當(dāng)時(shí)的科學(xué)與技術(shù)發(fā)展?！　∪藗儚V義地理解化學(xué)工程技術(shù)為"過程技術(shù)"--認(rèn)為它是改變?cè)系臓顟B(tài)、微觀結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成的各種物理化學(xué)的分離和化學(xué)反應(yīng)（包括催化、電化與生化反應(yīng)）、化學(xué)加工技術(shù)。而所謂過程科學(xué)，則是其科學(xué)基礎(chǔ)，主要研究涉及物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化與傳遞過程的共性規(guī)律。以過程技術(shù)為基礎(chǔ)而建立的產(chǎn)業(yè)部門包括化學(xué)品制造、石油煉制、冶金、建筑材料、合成材料、食品、醫(yī)藥、制漿造紙以及軍用化學(xué)品等工業(yè)。然而這是傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，今天看來，面對(duì)更為廣泛的需求與背景，特別是能源問題日趨嚴(yán)峻的形勢(shì)下，需要調(diào)整對(duì)"化工熱力學(xué)"的傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域的界定。本書以"流體與過程熱力學(xué)"冠名即基于這樣一種認(rèn)識(shí)，希望本書不僅適應(yīng)傳統(tǒng)意義上的過程工業(yè)類專業(yè)的需要，亦適應(yīng)更寬領(lǐng)域（如熱能工程類專業(yè)、能源或環(huán)境工程類專業(yè)）的需要?！　』崃W(xué)本身的內(nèi)容龐雜，所以無論是教材還是授課內(nèi)容，體系結(jié)構(gòu)的整合與簡(jiǎn)并，章節(jié)構(gòu)成的合理化都很重要。本書基本構(gòu)成分成上下兩部分或兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容：基礎(chǔ)物性與工程熱力學(xué)知識(shí)部分（第2章至第4章）與化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)部分（第5章至第8章）?？傮w上，力圖理論部分與應(yīng)用部分緊密結(jié)合，前后內(nèi)容銜接融通，由簡(jiǎn)到繁，使知識(shí)體系的主線能簡(jiǎn)明、清晰地表現(xiàn)出來?！　W(xué)科前沿的發(fā)展與學(xué)習(xí)者專業(yè)的廣泛化，要求教材內(nèi)容要反映近年來學(xué)科交叉與滲透所產(chǎn)生出的許多新發(fā)展，對(duì)過時(shí)的內(nèi)容則要摒棄。本書充實(shí)了近年來國外同類新版教材的許多新穎內(nèi)容。例如，多組分流體的pVT關(guān)系突出了便于計(jì)算機(jī)求解的立方型方程與普遍化關(guān)聯(lián)模型的討論；著眼于學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)知識(shí)（第3章和第4章），以焓與熵為代表，展開狀態(tài)函數(shù)的討論，而且是落實(shí)到多組分流體焓與熵計(jì)算；討論逸度與活度，則以提出相平衡與化學(xué)平衡計(jì)算所需的逸度模型與活度模型為目的；區(qū)別混合物與溶液，以明確熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)對(duì)多組分流體熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)值的影響；以體系Gibbs函數(shù)與組分的偏摩爾Gibbs函數(shù)為中心，展開逸度模型與活度模型，以及相平衡與化學(xué)平衡計(jì)算的討論；從熱力過程到熱力循環(huán)，直至參照國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，圍繞函數(shù)的討論展開過程熱力學(xué)分析?！　〔煌谙绕谡n程"物理化學(xué)"，化工熱力學(xué)更強(qiáng)調(diào)如何描述"非理想"的實(shí)際情況。把握其基本概念、基本原理和基本方法的有效途徑是"在運(yùn)用這些知識(shí)中學(xué)習(xí)"。對(duì)于提高學(xué)習(xí)者建立熱力學(xué)模型與獲取熱力學(xué)數(shù)據(jù)的能力，借助計(jì)算機(jī)輔助軟件，演算例題與習(xí)題是重要的。附錄給出與課程內(nèi)容相關(guān)的熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)、表和圖，可用于閱讀和解題，也是常用的熱力學(xué)物性資源，進(jìn)一步的需求可從書后的參考文獻(xiàn)中獲得信息?！　≡诓糠种匾拍钆c原理的介紹上，本書采用了作者多年從事化工熱力學(xué)教學(xué)工作的一些體會(huì)。例如，一些通常以公式和文字給出的定義，是以圖形等易于學(xué)習(xí)的方式來表述；不是機(jī)械地內(nèi)容陳述和羅列，而是有機(jī)地聯(lián)系各部分知識(shí)內(nèi)容，借助類比和排比的方式逐步推進(jìn)、深化學(xué)習(xí)；許多晦澀的概念，不是追求理論推理的完整，而是著意于從應(yīng)用的角度介紹，以使初學(xué)者更容易掌握?！　”緯木幹窃S多人合作和許多支持所獲得的結(jié)果。首先，要感謝與作者多年合作教學(xué)的武向紅老師，書中許多內(nèi)容與其共同切磋，她還承擔(dān)了本書的許多文字修改與例題、習(xí)題的整理工作；感謝羅北辰教授承擔(dān)了本書的審閱工作。誠摯感謝國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（G2000026307）以及北京化工大學(xué)化新教材建設(shè)基金的資助?！　”本┐髮W(xué)傅鷹先生曾經(jīng)在其編著的《化學(xué)熱力學(xué)》中寫到："編書如造園，一池一閣在拙政園恰到好處，移到獅子林可能即只堪刺目；一節(jié)一例在甲書可引人入勝，移至乙書可能即味同嚼蠟。"從教多年，凡涉及編著教材，此言必縈繞耳際?？梢韵胍?，本書還會(huì)有一些內(nèi)容不太合適，深了或過于具體化，少了或過于簡(jiǎn)單。限于水平和經(jīng)驗(yàn)，書中不免多有疏漏，誠摯地希望能得到指正。盡管如此，仍然希望此書能有益于更多讀者的學(xué)習(xí)與工作。

內(nèi)容概要

本書基本構(gòu)架分作兩部分：第2章至第4章介紹基礎(chǔ)物性與工程熱力學(xué)知識(shí)部分，第5章至第8章介紹化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)部分。在第1章“緒論”里，主要介紹熱力學(xué)的學(xué)科范疇與沿革發(fā)展；本課程的內(nèi)容、應(yīng)用與學(xué)習(xí)目的。第2章“流體的pVT關(guān)系”討論單組分流體和氣體混合物的狀態(tài)方程，這是熱力學(xué)物性模型的基礎(chǔ)。第3章“流體的熱力學(xué)性質(zhì)：焓與熵”以剩余性質(zhì)和偏摩爾性質(zhì)的概念為基礎(chǔ)，解決計(jì)算流體狀態(tài)性質(zhì)的方法。第4章“能量利用過程與循環(huán)”結(jié)合流動(dòng)體系的熱力學(xué)第一定律，介紹流體壓縮與膨脹等熱力過程，以及動(dòng)力循環(huán)、制冷與熱泵和流體的液化。第5章“過程熱力學(xué)分析”則是從熱力學(xué)第二定律，引出函數(shù)的概念，并討論過程與系統(tǒng)的分析。以第6章“流體熱力學(xué)性質(zhì)：逸度與活度”中建立起來的逸度與活度的熱力學(xué)模型為基礎(chǔ)，在第7章“流體相平衡”中討論汽液相平衡分析方法與數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法，在第8章“化學(xué)平衡”中則討論均相與非均相流體的化學(xué)平衡分析方法。    本書附有思考題與習(xí)題供師生參考，附錄給出了常用的熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)和圖表，而且在附屬的光盤中給出了計(jì)算熱力學(xué)物性軟件Therm 60。    本書可作為高等院校過程技術(shù)專業(yè)(如化工、石油與天然氣、建材、冶金、輕紡、電力、食品等專業(yè)）的本科課程和碩士課程的選用教材，亦可作為相關(guān)專業(yè)（如熱能工程類專業(yè)、能源或環(huán)境工程類專業(yè)）的本科生、研究生、科研與技術(shù)人員的教材或參考書、工具書。

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　范疇　1.2　沿革與發(fā)展　1.3　課程內(nèi)容　1.4　應(yīng)用與教學(xué)目的　　1.4.1　學(xué)科位置與應(yīng)用　　1.4.2　教學(xué)目的　1.5　學(xué)習(xí)輔助資料第2章　流體的pVT關(guān)系　2.1　單組分流體的pVT行為　2.2　均相流體pVT行為的模型化　　2.2.1　不可壓縮流體與狀態(tài)方程　　2.2.2　氣體的非理想性及其修正　2.3　單組分的汽液相平衡的模型：蒸氣壓方程　2.4　virial方程　　2.4.1　方程基本形式　　2.4.2　舍項(xiàng)方程　　2.4.3　virial系數(shù)的獲取　2.5　立方型狀態(tài)方程　　2.5.1　van der Waals方程　　2.5.2　立方型狀態(tài)方程的普適形式　　2.5.3　幾種常用的立方型方程　　2.5.4　立方型方程參數(shù)的決定　　2.5.5　汽相及類似汽相體積的根　　2.5.6　液相及類似液相體積的根　2.6　狀態(tài)方程的普遍化關(guān)聯(lián)　　2.6.1　Pitzer的三參數(shù)普遍化關(guān)聯(lián)式與Edmister的壓縮因子圖　　2.6.2　Lee?Kesler方程　　2.6.3　普遍化的第二virial系數(shù)　2.7　狀態(tài)方程的選用　2.8　飽和液體的體積關(guān)聯(lián)式　2.9　氣體混合物的pVT關(guān)系　　2.9.1　虛擬臨界性質(zhì)與Kay規(guī)則　　2.9.2　狀態(tài)方程的混合規(guī)則與相互作用參數(shù)　　2.9.3　泡點(diǎn)下的液體混合物密度第3章　流體的熱力學(xué)性質(zhì)：焓與熵　3.1　純流體的熱力學(xué)關(guān)系　　3.1.1　基本關(guān)系式　　3.1.2　焓和熵表示為T及p的函數(shù)　　3.1.3　Gibbs函數(shù)作為基本運(yùn)算的函數(shù)　3.2　熱容、蒸發(fā)焓與蒸發(fā)熵　　3.2.1　理想氣體的熱容　　3.2.2　液體的熱容　　3.2.3　蒸發(fā)焓與蒸發(fā)熵　3.3　剩余性質(zhì)　3.4　以狀態(tài)方程計(jì)算剩余性質(zhì)　　3.4.1　利用virial方程求MR　　3.4.2　利用立方型方程求MR　　3.4.3　利用Lee?Kesler關(guān)聯(lián)式求MR　3.5　純流體的焓變與熵變的計(jì)算　3.6　熱力學(xué)性質(zhì)圖和表　　3.6.1　類型與構(gòu)成　　3.6.2　熱力學(xué)性質(zhì)圖繪制原理　　3.6.3　水蒸氣表　3.7　多組分流體的熱力學(xué)關(guān)系　3.8　偏摩爾性質(zhì)及其與流體性質(zhì)關(guān)系　　3.8.1　偏摩爾性質(zhì)的加成關(guān)系　　3.8.2　偏摩爾性質(zhì)間的關(guān)系　　3.8.3　偏摩爾性質(zhì)的計(jì)算　　3.8.4　Gibbs?Duhem方程　3.9　混合性質(zhì)與多組分流體性質(zhì)　　3.9.1　理想混合物　　3.9.2　混合性質(zhì)　3.10　多組分流體焓變與熵變的計(jì)算　　3.10.1　焓變與熵變的計(jì)算基本公式　　3.10.2　焓濃圖第4章　能量利用過程與循環(huán)　4.1　熱力學(xué)第一定律與能量平衡方程　　4.1.1　開放體系的質(zhì)量平衡　　4.1.2　能量平衡的一般式　　4.1.3　穩(wěn)流體系的能量平衡　　4.1.4　測(cè)量焓的流動(dòng)卡計(jì)　　4.1.5　焓變的應(yīng)用　4.2　流體壓縮與膨脹　　4.2.1　氣體壓縮　　4.2.2　流體膨脹　4.3　動(dòng)力循環(huán)　　4.3.1　蒸汽動(dòng)力循環(huán)　　4.3.2　燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)　　4.3.3　聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)　4.4　制冷與熱泵　　4.4.1　Carnot制冷循環(huán)　　4.4.2　蒸氣壓縮制冷循環(huán)　　4.4.3　制冷劑的選擇　　4.4.4　吸收式制冷　　4.4.5　熱泵　4.5　液化過程第5章　過程熱力學(xué)分析第6章　流體熱力學(xué)性質(zhì)：逸度與活度第7章　流體相平衡第8章　化學(xué)平衡思考題與習(xí)題附錄參考文獻(xiàn)

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