高等化工热力学课后题整理.doc

1. 化工热力学在化工中的地位、作用和意义? 化工热力学是将热力学原理应用于化学工程技术领域。它的主要任务是以热力学第一、第二定律为基础, 研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用,研究各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件和状态。化工热力学是化学工程学的重要组成部分,是化工过程研究、开发与设计的理论基础。热力学的重要性在于这些定律及其伴随的某些定义都给出了数学的表达式。从而导出一套相互关联的方程式, 由这些方程式可以导出范围极广泛的实际结果和结论。物理学家、化学家和工程师都应用热力学这一事实说明, 它是一种具有普遍适用性的科学。它的基本原理在任何情况下都是相同的, 但应用则不同。化学工程师必须处理特别广泛的各种问题, 最重要的是确定许多物理和化学过程中所需要的热和功, 确定化学反应以及不同相间传递化学物质的平衡条件。 2. 推导热力学基本方程和有用的关系式? 这四个基本方程可由热力学第一和第二定律导得。推导前需要一个有关状态或平衡态的基本假定: 对于一个均相系统, 如果不考虑除压力以外的其它广义力, 为了确定平衡态, 除了系统中每一种物质的数量外, 还需确定两个独立的状态函数。如果有广义力存在, 则每多一个广义力, 还需再确定一个状态函数, 通常就选相应的广义位移。根据这个基本假定,如有 L 个广义力和 K 个组分,我们可将内能 U 表达为: ),,,,,,,( 11KLnnYYVSUU???写出全微分式, ???????????????????????????????????????????? Ki iiminYVS i Ll lnlYVS l nYSnYV dn Un U dY Y U dV V U dS S U dU 1 ,][,,, 1 ],[,, ,,,,)( 式中下标 Y 表示所有广义位移均不变, ][lY 则为除 lY 外均不变,下标 jn 表示所有组分的量均恒定, ][in 则为除in 外均恒定。式(-6) 只涉及状态函数及其变化, 因而与过程是否可逆无关。又由于 in 可以独立变化, 可任意应用于封闭系统或敞开系统。现在先求式(-6) 右边的前两个偏导数,在所有广义位移和各组分数量均保持恒定的前提下,将热力学第一定律用于可逆过程可得 pdV QWQdU RRR???????以热力学第二定律 TQdS R/??代入,得 pdV TdS dU ??由于式(- 6)与过程是否可逆无关,与式(- 8)相较得 pV UTS U nYSnYV???????????????????,,,, 定义广义力 lX 和化学位 i?分别为 njlYVS l lY UX ],[,,???????????][,,,inYVS i in U????????????代入式(-6) 即得式(-1) ,再结合 H、A、G 的定义, TS HG TS UApV UH??????,, ,代入式(-1) 即得式(-2、3、4)。类似于式(-5) , 可写出),,,,,,,( 11KLnnYYVSUU???),,,,,,,( 11KLnnYYpSHH???),,,,,,,( 11KLnnYYVTAA???),,,,,,,( 11KLnnYYpTGG???它们是热力学基本方程的积分形式。类似推导可得 nYTnY