化工热力学（第二版）

第1章　绪论/ 1
1.1 化工热力学的范畴 / 1
1.2 化工热力学在化工中的重要性 / 2
1.3 化工热力学的任务和主要研究内容 / 3
1.4 化工热力学处理问题的方法 / 5
1.5 如何学好本课程——写给同学们 / 6
习题 / 7

第2章　流体的p-V-T 关系和状态方程/ 8
2.1 纯流体的p-V-T 关系 / 9
2.1.1 T-V 图 / 9
2.1.2 p-V 图 / 10
2.1.3 p-T 图 / 12
2.1.4 p-V-T 图 / 12
2.1.5 流体p-V-T 关系的应用及思考 / 14
知识拓展——气体液化的历史 / 14
2.2 流体的状态方程 / 17
2.2.1 理想气体状态方程 / 18
2.2.2 气体的非理想性 / 18
2.2.3 立方型状态方程 / 19
2.2.4 virial (维里) 方程 / 27
*2.2.5 多参数状态方程 / 28
2.3 对应态原理和普遍化关联式 / 28
2.3.1 对应态原理 / 29
2.3.2 两参数对应态原理 / 29
2.3.3 三参数对应态原理 / 29
2.3.4 普遍化压缩因子图法 / 30
2.3.5 普遍化第二virial系数法 / 32
2.4 液体p-V-T 关系 / 35
2.4.1 饱和液体摩尔体积VsL / 36
2.4.2 液体摩尔体积 / 37
2.5 真实气体混合物的p-V-T 关系 / 37
2.5.1 混合规则 / 37
2.5.2 虚拟临界参数法和Kay规则 / 38
2.5.3 气体混合物的第二virial系数 / 39
2.5.4 气体混合物的立方型状态方程 / 40
2.6 状态方程的比较、选用和应用 / 45
2.6.1 状态方程的比较和选用 / 45
2.6.2 状态方程的应用 / 46
知识拓展——SAFT状态方程 / 47
创新的轨迹——状态方程—低温技术—超导—磁悬浮列车之间的关系 / 47
本章小结 / 48
本章符号说明 / 49
习题 / 49

第3章　纯流体的热力学性质计算/ 52
3.1 预备知识——点函数间的数学关系 / 53
3.1.1 基本关系式 / 53
3.1.2 变量关系式 / 54
3.2 热力学性质间的关系 / 54
3.2.1 热力学基本方程 / 54
3.2.2 Maxwell关系式 / 55
3.2.3 热力学基本关系式、偏导数关系式和Maxwell方程的意义 / 56
3.2.4 热容 / 56
3.3 热力学性质H、S、G 的计算关系式 / 56
3.3.1 H、S 随T、p 的变化关系式 / 57
3.3.2 G 随T、p 的变化关系式 / 58
3.3.3 理想气体的H、S 计算关系式 / 60
3.3.4 真实气体的H、S 计算关系式 / 61
3.4 剩余性质 / 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 的计算方法 / 63
3.5 真实气体的焓变和熵变的计算 / 70
3.6 真实气体热容的普遍式 / 72
3.7 流体的饱和热力学性质 / 75
3.8 纯流体的热力学性质图和表 / 76
3.8.1 水蒸气表 / 76
3.8.2 热力学性质图的类型 / 78
3.8.3 热力学性质图的应用 / 80
本章小结 / 82
本章符号说明 / 84
习题 / 85

第4章　溶液热力学性质的计算/ 87
4.1 均相敞开系统的热力学基本关系与化学位 / 88
4.1.1 均相敞开系统的热力学基本关系 / 88
4.1.2 化学位 / 89
4.2 偏摩尔性质 / 90
4.2.1 偏摩尔性质的引入及定义 / 90
4.2.2 偏摩尔性质与溶液性质的关系 / 92
4.2.3 偏摩尔性质之间的关系 / 93
4.2.4 偏摩尔性质的计算 / 93
4.2.5 偏摩尔性质间的依赖关系Gibbs-Duhem 方程 / 98
4.3 混合变量 / 100
4.3.1 混合变量的定义 / 100
4.3.2 混合体积变化 / 101
4.3.3 混合焓变 / 102
4.3.4 焓浓图及其应用 / 103
4.4 逸度和逸度系数 / 104
4.4.1 纯物质逸度和逸度系数的定义 / 105
4.4.2 纯物质逸度系数的计算 / 105
4.4.3 混合物的逸度fm 及其逸度系数φm 的定义 / 110
4.4.4 混合物逸度系数φm 的计算 / 110
4.4.5 混合物中组分i 的逸度f^i 及其逸度系数φ ^i 的定义 / 111
4.4.6 混合物中组分i 的逸度f^i 及其逸度系数φ ^i 的计算 / 112
4.4.7 液体的逸度 / 116
4.4.8 压力和温度对逸度的影响 / 118
4.5 理想溶液 / 119
4.5.1 理想溶液的定义与标准态 / 119
4.5.2 理想溶液的特征及其关系式 / 121
4.5.3 理想溶液模型的用途 / 121
4.6 活度及活度系数 / 122
4.6.1 活度和活度系数的定义 / 122
4.6.2 活度系数标准态的选择 / 124
4.6.3 超额性质 / 125
4.7 活度系数模型 / 131
4.7.1 Redlish-Kister经验式 / 131
4.7.2 对称性方程 / 132
4.7.3 两参数Margules方程 / 132
4.7.4 van Laar方程 / 133
4.7.5 局部组成概念与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 基团溶液模型与UNIFAC方程 / 137
科学史话——吉布斯的热力学“三部曲” / 141
本章小结 / 143
本章符号说明 / 146
习题 / 146

第5章　相平衡/ 150
5.1 相平衡基础 / 151
5.1.1 相平衡判据 / 151
5.1.2 相律 / 152
5.2 互溶系统的汽液平衡计算通式 / 152
5.2.1 状态方程法(EOS法) / 153
5.2.2 活度系数(γi 法) / 153
5.2.3 方法比较 / 155
5.3 汽液平衡 / 155
5.3.1 二元汽液平衡相图 / 156
5.3.2 低压下泡、露点计算 / 160
5.3.3 中压下泡点、露点计算 / 167
5.3.4 烃类系统的K 值法和闪蒸计算 / 171
5.4 汽液平衡数据的热力学一致性检验 / 177
5.4.1 Gibbs-Duhem 方程的活度系数形式 / 178
5.4.2 积分检验法(面积检验法) / 178
5.4.3 等压汽液平衡数据的热力学一致性检验 / 179
5.4.4 微分检验法(点检验法) / 180
5.5 热力学模型选择与Aspen Plus / 183
5.5.1 Aspen Plus在化工过程模拟中的主要功能 / 183
5.5.2 相平衡计算中的物性方法与模型选择 / 183
5.5.3 热力学模型选择对精馏塔设计的影响案例 / 185
*5.6 其他类型的相平衡 / 193
5.6.1 液液平衡 / 193
5.6.2 汽液液平衡 / 194
5.6.3 气液平衡 / 194
5.6.4 固液平衡 / 196
5.6.5 气固平衡和固体(或液体) 在超临界流体中的溶解度 / 196
本章小结 / 197
本章符号说明 / 198
习题 / 199

第6章　化工过程能量分析/ 203
6.1 热力学第一定律及其应用 / 204
6.1.1 稳流系统的热力学第一定律 / 205
6.1.2 稳流系统热力学第一定律的简化及应用 / 207
6.2 热力学第二定律及其应用 / 211
6.2.1 封闭系统的熵平衡式 / 212
6.2.2 孤立系统的熵平衡式 / 213
6.2.3 敞开体系的熵平衡式 / 213
6.3 理想功、损失功和热力学效率 / 216
6.3.1 理想功 / 216
6.3.2 损失功 / 218
6.3.3 热力学效率 / 220
6.4 损耗功分析 / 221
6.4.1 流体流动过程 / 221
6.4.2 传热过程的热力学分析 / 222
6.4.3 传质过程的热力学分析 / 225
6.5 有效能 / 227
6.5.1 能量的级别与有效能 / 228
6.5.2 稳流过程有效能计算 / 229
6.5.3 有效能与理想功的异同 / 232
6.5.4 不可逆过程的有效能损失与无效能 / 233
6.5.5 有效能平衡方程式与有效能效率 / 234
6.6 化工过程能量分析及合理用能 / 237
6.6.1 化工过程的能量分析 / 237
6.6.2 合理用能基本原则 / 243
知识拓展——能源的梯级利用 / 243
工程案例——化工热力学为节能减排而生 / 244
本章小结 / 246
本章符号说明 / 247
习题 / 248

第7章　蒸汽动力循环与制冷循环/ 251
7.1 气体的压缩 / 252
7.1.1 气体的压缩过程 / 252
7.1.2 等温压缩过程 / 253
7.1.3 绝热压缩过程 / 253
7.1.4 多变压缩过程 / 254
7.2 气体的膨胀 / 259
7.2.1 节流膨胀过程 / 259
7.2.2 对外做功的绝热膨胀过程 / 261
7.3 蒸汽动力循环 / 264
知识拓展——发电厂介绍 / 265
7.3.1 卡诺(Carnot) 蒸汽循环 / 266
7.3.2 Rankine循环及其热效率 / 267
7.3.3 蒸汽参数对Rankine循环热效率的影响 / 271
7.3.4 Rankine循环的改进 / 272
知识拓展——超临界和超超临界火电机组 / 277
7.4 制冷循环 / 279
7.4.1 制冷原理与逆Carnot循环 / 279
7.4.2 蒸汽压缩制冷循环 / 281
知识拓展——各种实际因素对蒸汽压缩制冷循环的影响 286
7.4.3 制冷剂和载冷剂的选择 / 292
知识拓展——制冷工质的发展历程 294
7.4.4 吸收式制冷循环 / 295
7.5 热泵 / 297
7.5.1 热泵原理及性能指标 / 297
*7.5.2 热泵精馏 / 299
*7.6 深冷循环与气体液化过程 / 301
7.6.1 气体液化最小功 / 302
7.6.2 林德(Linde) 循环 / 302
7.6.3 克劳德(Claude) 循环 / 303
*7.7 热管 / 304
7.7.1 热管的工作原理 / 304
7.7.2 热管的传热极限 / 305
7.7.3 热管的应用 / 305
创新的轨迹——热力学第一定律改变了我们的生活 / 306
本章小结 / 307
本章符号说明 / 309
习题 / 309

附录/ 312
附录1 常用单位换算表 / 312
附录2 一些物质的基本物性数据表 / 313
附录3 一些物质的理想气体摩尔热容与温度的关联式系数表 / 315
附录4 一些物质的Antoine方程系数表 / 318
附录5 水的性质表 / 321
附录5.1 饱和水与饱和蒸汽表(按温度排列) / 321
附录5.2 饱和水与饱和蒸汽表(按压力排列) / 322
附录5.3 未饱和水与过热蒸汽表 / 324
附录6 R134a的性质表 / 330
附录6.1 R134a饱和液体与蒸气的热力学性质表 / 330
附录6.2 R134a过热蒸气热力学性质表 / 331
附录7 氨(NH3) 饱和液态与饱和蒸气的热力学性质表 / 331
附录8 氨的T-S 图 / 334
附录9 氨的Inp-H 图 / 335
附录10 R12 (CCl2F2) 的Inp-H 图 / 336
附录11 R22 (CHCIF2) 的Inp-H 图 / 337
附录12 水蒸气的H-S 图 / 338
附录13 空气的T-S 图 / 339
附录14 主要公式的推导 / 340
附录14.1 由RK方程计算组分逸度公式的推导 / 340
附录14.2 开系非稳态过程能量平衡方程式的推导 / 341
附录15 基团贡献法 / 343

参考文献/ 346