化工熱力學（第二版）

第1章　緒論/ 1
1.1 化工熱力學的范疇 / 1
1.2 化工熱力學在化工中的重要性 / 2
1.3 化工熱力學的任務和主要研究內容 / 3
1.4 化工熱力學處理問題的方法 / 5
1.5 如何學好本課程——寫給同學們 / 6
習題 / 7

第2章　流體的p-V-T 關系和狀態(tài)方程/ 8
2.1 純流體的p-V-T 關系 / 9
2.1.1 T-V 圖 / 9
2.1.2 p-V 圖 / 10
2.1.3 p-T 圖 / 12
2.1.4 p-V-T 圖 / 12
2.1.5 流體p-V-T 關系的應用及思考 / 14
知識拓展——氣體液化的歷史 / 14
2.2 流體的狀態(tài)方程 / 17
2.2.1 理想氣體狀態(tài)方程 / 18
2.2.2 氣體的非理想性 / 18
2.2.3 立方型狀態(tài)方程 / 19
2.2.4 virial (維里) 方程 / 27
*2.2.5 多參數狀態(tài)方程 / 28
2.3 對應態(tài)原理和普遍化關聯式 / 28
2.3.1 對應態(tài)原理 / 29
2.3.2 兩參數對應態(tài)原理 / 29
2.3.3 三參數對應態(tài)原理 / 29
2.3.4 普遍化壓縮因子圖法 / 30
2.3.5 普遍化第二virial系數法 / 32
2.4 液體p-V-T 關系 / 35
2.4.1 飽和液體摩爾體積VsL / 36
2.4.2 液體摩爾體積 / 37
2.5 真實氣體混合物的p-V-T 關系 / 37
2.5.1 混合規(guī)則 / 37
2.5.2 虛擬臨界參數法和Kay規(guī)則 / 38
2.5.3 氣體混合物的第二virial系數 / 39
2.5.4 氣體混合物的立方型狀態(tài)方程 / 40
2.6 狀態(tài)方程的比較、選用和應用 / 45
2.6.1 狀態(tài)方程的比較和選用 / 45
2.6.2 狀態(tài)方程的應用 / 46
知識拓展——SAFT狀態(tài)方程 / 47
創(chuàng)新的軌跡——狀態(tài)方程—低溫技術—超導—磁懸浮列車之間的關系 / 47
本章小結 / 48
本章符號說明 / 49
習題 / 49

第3章　純流體的熱力學性質計算/ 52
3.1 預備知識——點函數間的數學關系 / 53
3.1.1 基本關系式 / 53
3.1.2 變量關系式 / 54
3.2 熱力學性質間的關系 / 54
3.2.1 熱力學基本方程 / 54
3.2.2 Maxwell關系式 / 55
3.2.3 熱力學基本關系式、偏導數關系式和Maxwell方程的意義 / 56
3.2.4 熱容 / 56
3.3 熱力學性質H、S、G 的計算關系式 / 56
3.3.1 H、S 隨T、p 的變化關系式 / 57
3.3.2 G 隨T、p 的變化關系式 / 58
3.3.3 理想氣體的H、S 計算關系式 / 60
3.3.4 真實氣體的H、S 計算關系式 / 61
3.4 剩余性質 / 62
3.4.1 剩余焓HR 和剩余熵SR / 62
3.4.2 剩余焓HR 和剩余熵SR 的計算方法 / 63
3.5 真實氣體的焓變和熵變的計算 / 70
3.6 真實氣體熱容的普遍式 / 72
3.7 流體的飽和熱力學性質 / 75
3.8 純流體的熱力學性質圖和表 / 76
3.8.1 水蒸氣表 / 76
3.8.2 熱力學性質圖的類型 / 78
3.8.3 熱力學性質圖的應用 / 80
本章小結 / 82
本章符號說明 / 84
習題 / 85

第4章　溶液熱力學性質的計算/ 87
4.1 均相敞開系統的熱力學基本關系與化學位 / 88
4.1.1 均相敞開系統的熱力學基本關系 / 88
4.1.2 化學位 / 89
4.2 偏摩爾性質 / 90
4.2.1 偏摩爾性質的引入及定義 / 90
4.2.2 偏摩爾性質與溶液性質的關系 / 92
4.2.3 偏摩爾性質之間的關系 / 93
4.2.4 偏摩爾性質的計算 / 93
4.2.5 偏摩爾性質間的依賴關系Gibbs-Duhem 方程 / 98
4.3 混合變量 / 100
4.3.1 混合變量的定義 / 100
4.3.2 混合體積變化 / 101
4.3.3 混合焓變 / 102
4.3.4 焓濃圖及其應用 / 103
4.4 逸度和逸度系數 / 104
4.4.1 純物質逸度和逸度系數的定義 / 105
4.4.2 純物質逸度系數的計算 / 105
4.4.3 混合物的逸度fm 及其逸度系數φm 的定義 / 110
4.4.4 混合物逸度系數φm 的計算 / 110
4.4.5 混合物中組分i 的逸度f^i 及其逸度系數φ ^i 的定義 / 111
4.4.6 混合物中組分i 的逸度f^i 及其逸度系數φ ^i 的計算 / 112
4.4.7 液體的逸度 / 116
4.4.8 壓力和溫度對逸度的影響 / 118
4.5 理想溶液 / 119
4.5.1 理想溶液的定義與標準態(tài) / 119
4.5.2 理想溶液的特征及其關系式 / 121
4.5.3 理想溶液模型的用途 / 121
4.6 活度及活度系數 / 122
4.6.1 活度和活度系數的定義 / 122
4.6.2 活度系數標準態(tài)的選擇 / 124
4.6.3 超額性質 / 125
4.7 活度系數模型 / 131
4.7.1 Redlish-Kister經驗式 / 131
4.7.2 對稱性方程 / 132
4.7.3 兩參數Margules方程 / 132
4.7.4 van Laar方程 / 133
4.7.5 局部組成概念與Wilson方程 / 133
4.7.6 NRTL (Non-Random Two Liquids) 方程 / 135
*4.7.7 UNIQUAC方程 / 136
*4.7.8 基團溶液模型與UNIFAC方程 / 137
科學史話——吉布斯的熱力學“三部曲” / 141
本章小結 / 143
本章符號說明 / 146
習題 / 146

第5章　相平衡/ 150
5.1 相平衡基礎 / 151
5.1.1 相平衡判據 / 151
5.1.2 相律 / 152
5.2 互溶系統的汽液平衡計算通式 / 152
5.2.1 狀態(tài)方程法(EOS法) / 153
5.2.2 活度系數(γi 法) / 153
5.2.3 方法比較 / 155
5.3 汽液平衡 / 155
5.3.1 二元汽液平衡相圖 / 156
5.3.2 低壓下泡、露點計算 / 160
5.3.3 中壓下泡點、露點計算 / 167
5.3.4 烴類系統的K 值法和閃蒸計算 / 171
5.4 汽液平衡數據的熱力學一致性檢驗 / 177
5.4.1 Gibbs-Duhem 方程的活度系數形式 / 178
5.4.2 積分檢驗法(面積檢驗法) / 178
5.4.3 等壓汽液平衡數據的熱力學一致性檢驗 / 179
5.4.4 微分檢驗法(點檢驗法) / 180
5.5 熱力學模型選擇與Aspen Plus / 183
5.5.1 Aspen Plus在化工過程模擬中的主要功能 / 183
5.5.2 相平衡計算中的物性方法與模型選擇 / 183
5.5.3 熱力學模型選擇對精餾塔設計的影響案例 / 185
*5.6 其他類型的相平衡 / 193
5.6.1 液液平衡 / 193
5.6.2 汽液液平衡 / 194
5.6.3 氣液平衡 / 194
5.6.4 固液平衡 / 196
5.6.5 氣固平衡和固體(或液體) 在超臨界流體中的溶解度 / 196
本章小結 / 197
本章符號說明 / 198
習題 / 199

第6章　化工過程能量分析/ 203
6.1 熱力學第一定律及其應用 / 204
6.1.1 穩(wěn)流系統的熱力學第一定律 / 205
6.1.2 穩(wěn)流系統熱力學第一定律的簡化及應用 / 207
6.2 熱力學第二定律及其應用 / 211
6.2.1 封閉系統的熵平衡式 / 212
6.2.2 孤立系統的熵平衡式 / 213
6.2.3 敞開體系的熵平衡式 / 213
6.3 理想功、損失功和熱力學效率 / 216
6.3.1 理想功 / 216
6.3.2 損失功 / 218
6.3.3 熱力學效率 / 220
6.4 損耗功分析 / 221
6.4.1 流體流動過程 / 221
6.4.2 傳熱過程的熱力學分析 / 222
6.4.3 傳質過程的熱力學分析 / 225
6.5 有效能 / 227
6.5.1 能量的級別與有效能 / 228
6.5.2 穩(wěn)流過程有效能計算 / 229
6.5.3 有效能與理想功的異同 / 232
6.5.4 不可逆過程的有效能損失與無效能 / 233
6.5.5 有效能平衡方程式與有效能效率 / 234
6.6 化工過程能量分析及合理用能 / 237
6.6.1 化工過程的能量分析 / 237
6.6.2 合理用能基本原則 / 243
知識拓展——能源的梯級利用 / 243
工程案例——化工熱力學為節(jié)能減排而生 / 244
本章小結 / 246
本章符號說明 / 247
習題 / 248

第7章　蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)/ 251
7.1 氣體的壓縮 / 252
7.1.1 氣體的壓縮過程 / 252
7.1.2 等溫壓縮過程 / 253
7.1.3 絕熱壓縮過程 / 253
7.1.4 多變壓縮過程 / 254
7.2 氣體的膨脹 / 259
7.2.1 節(jié)流膨脹過程 / 259
7.2.2 對外做功的絕熱膨脹過程 / 261
7.3 蒸汽動力循環(huán) / 264
知識拓展——發(fā)電廠介紹 / 265
7.3.1 卡諾(Carnot) 蒸汽循環(huán) / 266
7.3.2 Rankine循環(huán)及其熱效率 / 267
7.3.3 蒸汽參數對Rankine循環(huán)熱效率的影響 / 271
7.3.4 Rankine循環(huán)的改進 / 272
知識拓展——超臨界和超超臨界火電機組 / 277
7.4 制冷循環(huán) / 279
7.4.1 制冷原理與逆Carnot循環(huán) / 279
7.4.2 蒸汽壓縮制冷循環(huán) / 281
知識拓展——各種實際因素對蒸汽壓縮制冷循環(huán)的影響 286
7.4.3 制冷劑和載冷劑的選擇 / 292
知識拓展——制冷工質的發(fā)展歷程 294
7.4.4 吸收式制冷循環(huán) / 295
7.5 熱泵 / 297
7.5.1 熱泵原理及性能指標 / 297
*7.5.2 熱泵精餾 / 299
*7.6 深冷循環(huán)與氣體液化過程 / 301
7.6.1 氣體液化最小功 / 302
7.6.2 林德(Linde) 循環(huán) / 302
7.6.3 克勞德(Claude) 循環(huán) / 303
*7.7 熱管 / 304
7.7.1 熱管的工作原理 / 304
7.7.2 熱管的傳熱極限 / 305
7.7.3 熱管的應用 / 305
創(chuàng)新的軌跡——熱力學第一定律改變了我們的生活 / 306
本章小結 / 307
本章符號說明 / 309
習題 / 309

附錄/ 312
附錄1 常用單位換算表 / 312
附錄2 一些物質的基本物性數據表 / 313
附錄3 一些物質的理想氣體摩爾熱容與溫度的關聯式系數表 / 315
附錄4 一些物質的Antoine方程系數表 / 318
附錄5 水的性質表 / 321
附錄5.1 飽和水與飽和蒸汽表(按溫度排列) / 321
附錄5.2 飽和水與飽和蒸汽表(按壓力排列) / 322
附錄5.3 未飽和水與過熱蒸汽表 / 324
附錄6 R134a的性質表 / 330
附錄6.1 R134a飽和液體與蒸氣的熱力學性質表 / 330
附錄6.2 R134a過熱蒸氣熱力學性質表 / 331
附錄7 氨(NH3) 飽和液態(tài)與飽和蒸氣的熱力學性質表 / 331
附錄8 氨的T-S 圖 / 334
附錄9 氨的Inp-H 圖 / 335
附錄10 R12 (CCl2F2) 的Inp-H 圖 / 336
附錄11 R22 (CHCIF2) 的Inp-H 圖 / 337
附錄12 水蒸氣的H-S 圖 / 338
附錄13 空氣的T-S 圖 / 339
附錄14 主要公式的推導 / 340
附錄14.1 由RK方程計算組分逸度公式的推導 / 340
附錄14.2 開系非穩(wěn)態(tài)過程能量平衡方程式的推導 / 341
附錄15 基團貢獻法 / 343

參考文獻/ 346