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王宝俊

化工热力学 之 热力学定律 (1). 王宝俊. 引言. 化工生产需要消耗各种形式的能量。 能量不仅有数量的多少而且有品位的高低。 研究能量变化之目的在于，既要节约用能、降低消耗，又要合理用能。 热力学的基本原理指出了解决问题的方向。. 体系. 电功： 100kJ. ～ 220V. Q ＝？， W ＝？， △U ＝？. 水. Q ＝ 100kJ W ＝ 0 △U ＝ Q － W ＝ 100kJ. W ＝－ 100kJ Q ＝－ 100kJ △U ＝ Q － W ＝ 0. W ＝－ 100kJ Q ＝ 0 △U ＝ Q － W ＝ 100kJ.

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Presentation Transcript

  1. 化工热力学之热力学定律(1) 王宝俊

  2. 引言 • 化工生产需要消耗各种形式的能量。 • 能量不仅有数量的多少而且有品位的高低。 • 研究能量变化之目的在于，既要节约用能、降低消耗，又要合理用能。 • 热力学的基本原理指出了解决问题的方向。

  3. 体系 电功：100kJ ～220V • Q＝？，W＝？，△U＝？ 水 Q＝100kJ W＝0 △U＝Q－W＝100kJ W＝－100kJ Q＝－100kJ △U＝Q－W＝0 W＝－100kJ Q＝0 △U＝Q－W＝100kJ

  4. 体积功的计算 • pex为外压力 • 对外做功为正值，环境对体系做功为负值 • W＝pex△V（恒定外压） • W＝0（真空膨胀） • 可逆过程

  5. 可逆过程 W＝pex△V （恒定外压） W＝p2(V2－V1) p (p2,V2) p1,V1 (p1,V1) p2,V2 T V

  6. p V W＝p’(V’－V1) ＋p2(V2－ V’) (p2,V2) p1, V1 (p’, V ’) p’, V ’ (p1,V1) p2, V2 T

  7. V2 V1 T T

  8. 封闭体系的热力学第一定律 ΔU＝Q－W dU＝δQ－ δW • 能量守恒定律在热力学范畴的表现 • 内能是体系内部能量的总和 • 热力学第一定律说明内能U是体系的状态函数 • 符号的规定

  9. 焓（enthalpy）是状态函数 • 等压过程：封闭体系，始态压力等于终态压力等于恒定的外压，不做非体积功 • 没有指定体系的压力在整个过程中不变 • 没有指定可逆过程 • ΔH＝Qp • 热容： H≡U＋pV

  10. U＝U（T,V），H＝H（T,P） • 对于理想气体： U＝U（T），H＝H（T） 理想气体

  11. 卡片2：概念 • 概念（观念）的形成 • 概念的表达——物理量(数量，量纲) • 概念两种属性：客观性，不确定性 • 例子：时间

  12. V1 V2 U2 ＋p2V2 ＝U1＋p1V1 H2＝H1，ΔH＝0 Joule-Thomson效应 T1 T2 p1＞ p2 p2 p1 多孔塞 绝热壁 • 节流膨胀是不可逆过程 • 热力学特征： • W＝－p1V1＋p2V2 • Q＝0, ΔU＝－W

  13. μ＞0 μ＜0 4 5 3 2 1 6 7 • Joule-Thomson系数 T p 空气在273.15K及101325Pa时，μ＝0.4K/atm

  14. 只有当Joule-Thomson系数＞0，时气体才会因节流膨胀而降温只有当Joule-Thomson系数＞0，时气体才会因节流膨胀而降温

  15. p1,V1 流动功 Q p2,V2 轴功 Ws 稳定流动体系的热力学第一定律 • 流体流动途径中各点状况不随时间变化，系统中没有质量和能量的积累。 Wf＝F·L ＝p·S·ΔV/S ＝pΔV u1 u2 z1 z2

  16. 忽略动能和势能 可逆过程

  17. p p1,V1 p2,V2 等压过程轴功为0 V 等容过程体积功为0

  18. 轴功是开系与外界通过机械轴所交换的功，即流体在经过产功或耗功设备的流动过程中，由于压力的变化导致流体发生膨胀或压缩，由该设备的机械轴传出或输入的功。此机械轴可以理解为是转动的，也可以是往复的。轴功是开系与外界通过机械轴所交换的功，即流体在经过产功或耗功设备的流动过程中，由于压力的变化导致流体发生膨胀或压缩，由该设备的机械轴传出或输入的功。此机械轴可以理解为是转动的，也可以是往复的。 • 泵、鼓风机和压缩机是消耗轴功的设备，透平（turbine） 、水轮机是产生轴功的设备。

  19. 与环境无热量、无轴功 与环境无热量、无轴功、水平布置 与环境有大量热量和轴功交换

  20. 2罐 t＝？ 用功率为2.0kW的泵将95℃的热水从贮水罐送到换热器。热水流量为3.5kg·s-1。在换热器中以698kJ·s-1的速率将热水冷却后送比第一贮水罐高15m的第二贮水罐中，求第二贮水罐的水温。 解：以1kg水为计算基准 ws＝－2.0×1000÷3.5＝－571.4J·kg-1 q＝－698÷3.5＝－199.4J·kg-1 g△z ＝9.8×15＝147.2J·kg-1 ½ △u2 ≈0 ∴ △h ＝－199.0J·kg-1(查焓值表) 15m 换热器 95℃ 1罐

  21. 热力学第一定律的发现 法国物理学家 Nicolas Leonard Sadi Carnot （1796～1823） 德国物理学家、医生 Julius Robert Mayer（1814～1878） 英国物理学家 James Prescort Joule （1818 ～1889） 德国物理学家 Hermannvon Helmholtz （1821～1894）

  22. 右边的重球在重力的作用下自动滑向外边而增大力臂，进而达到永动。虽然设计者巧妙地增大了右边重球的力臂，但是增大右边重球力臂的设计恰恰是使左边增加重球数量的因素。右边的重球在重力的作用下自动滑向外边而增大力臂，进而达到永动。虽然设计者巧妙地增大了右边重球的力臂，但是增大右边重球力臂的设计恰恰是使左边增加重球数量的因素。 • 在所有的永动机的设计的原理中，都不可避免地存在着一个基本的制约：使装置永动的原因都是使装置不永动的原因。1775年法国科学院宣布不再受理审查有关永动机的一切设计。 Leonardo da Vinci（1452～1519）

  23. 九十年代末，水变油，哈尔滨司机王洪成。1987年中国国家计委拨款60万元人民币给王洪成在河北省定州胜利客车厂生产燃料。不久王洪成拿走了钱，在哈尔滨买了两套住宅。1992年11月22日，“洪成新能源澎化剂有限公司”成立，1993年1月28日，《经济日报》发表《水真能变成油吗？》的文章，称此是继传统四大发明以来的中国第五大发明。1998年王洪成因为利用水变油技术和其他一些犯罪被判处10年有期徒刑。 • 2004年， 宇宙引力能永动机，获中国专利，海南星人永动机发电厂有限公司正在生产用该永动机装备的车辆，新加坡籍华人、博士、专家委员，郑州梁星人 • 2004年，无需任何能源的发电机，《美国今日》、《新闻周刊》刊登大幅广告， Dennis Lee • “我看到了那个低矮的土房，雪花在房里舞蹈。我看到了永动机患者，他正对着油灯苦思冥想，在化肥袋上描图。只有风是他的伴侣，狼在茫茫黑夜中嗥叫……” ——自《永动机患者》

  24. 其他重要概念 • 化合物的生成焓ΔfHm • 反应热与温度的关系

  25. 课程作业 • 求解 van der Waals气体的μJ-T。 • 用热力学第一定律说明内能U是体系的状态函数。 • 证明ΔH＝Qp，并讨论等压过程的条件。 • 推导理想气体绝热可逆过程的过程方程。 • 推导Bernoulli方程。 • 可逆过程的科学抽象 • 奇妙的永动机 • 科学与迷信

  26. 谢谢大家 2011-5-20

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