化工热力学实例
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V
714. 29mol
化 ———不适合 ;正戊烷室温下能液化 ,但在大多季 节不能气化 ———不适合 ;因此 ,只有丙烷和正丁烷
行驶 里 程 为 : S RK = 714. 29 ×16 ×10 - 3 ×17 = 194. 29km
符合要求 。 (2) 多数液化气会含有少量戊烷等 C5 、C6 成
(3) 50 ℃, V 3 = 0. 00866m3 ·mol - 1 ; n3 = 0. 025/ 0. 00866 = 2. 887mol
故放掉 3. 13 - 2. 887 = 0. 243mol 的空气 。
高了 y空气中O2 , 两 者 使 pO2 增 大 。根 据 ( 2 ) 式 , x血液中O2 随着高压氧舱内 pO2 的提高而提高 ,提高 7221 倍 ,从而使大脑组织得到充分氧供 。
V
= 0. 0192909m3
·mol -
1
;
n
=
V总 V
= 3. 63mol
S = 3. 63 ×16 ×10 - 3 ×17 = 0. 987 公里
由此可见 ,作为汽车燃料 ,管道输送来的天然
气必须经压缩机压缩成高压天然气才有实际意
义。
(3) 不可以 。因为 “, 其他条件均不变”意味着 温度也不变 ,由例 1 可知 ,当温度在 10 ℃左右 ,大 于 Tc 时 ,无论Fra Baidu bibliotek加多大的压力都不能使之液化 。 因此 ,只有必须将其温度降低至 - 82. 55°C 以下 , 再加压才行 。
有较多液体却不能被点燃 。
随着汽油不断涨价 ,既经济又环保的天然气
表 1 各种气体的 Tc 、pc 以及正常沸点 Tb [3 ]
已成为汽车发动机的新燃料 ,越来越多的公交车
物质 甲烷 乙烷 丙烷 正丁烷 正戊烷
Tc , ℃ pc ,at m Tb , ℃ 燃烧值 ,kJ / g
- 82. 55 45. 36 - 161. 45
【例 7】高压氧舱与 Henry 定律 高压氧治疗是将患者置于 1. 4at m 以上的治
(2) 当夏天胎内空气升至 50 ℃时 ,压力表应 疗舱内 ,并间歇性吸入 100wt %氧气的治疗方式 。
显示为 336. 15 - 100 = 236. 15k Pa 。
原理同【例 6】,一方面提高了总压 p ,另一方面提
Practical Examples of Chemical Engineering Thermodynamics
Feng Xin , L u Xiao hua , J i Yuanhui , Qian Ho ngliang
Abstract : Chemical engineering t hermodynamics is a co urse t hat st udent s generally feel abst ract , uninter2 esting and difficult to st udy. However , vivid examples will excite t hem. In t his paper , many examples , clo sely related to t he t hermodynamic p rinciples f rom life to p roductio n , are enumerated in stimulating st udent s’interest s and help t hem to realize t he charisma of chemical engineering t hermodynamics. Key words : Chemical engineering t hermodynamics ; Practical examples ; pV T p roperty ; Partial molar p roperty ; Energy saving and discharge reduction
[ 作者简介 ] 冯新 (19612) ,女 ,教授 、博导 、博士 。 3 本文由 2007 江苏高等教育教改立项课题重点项目资助 (编号 4242) 。
化工热力学中从生活中来到生产中去的实例
43
择液化气成分 。
【例 2】p V T 行为与汽车新燃料压缩天然气间
(2) 请解释以下现象 :到冬天 ,有时钢瓶内还 的关系
这是因为 V ∝ T , 当夏天温度增大后气体的 摩尔体积 V 增大 , 由于储气罐的总体积是一定 的 ,因此装入的压缩天然气摩尔数 n = V 总 / V 变 小 ,随之行驶的里程数减小 。所以同样一罐气夏 天跑的里程比冬天要短 。
【例 3】汽车轮胎 里的压力与胎内空气 的温度相关 。当胎内 空气温度为 25 ℃时 , 压力表显示 210k Pa 。 如果 轮 胎 的 体 积 为 0. 025m3 , 当 夏 天 胎 内空气升至 50 ℃时 ,压力表应显示为多少 ? 为了 轮胎的安全使用 ,需要轮胎恢复到原来的压力 ,此 时轮胎 内 应 该 放 掉 多 少 空 气 ? 假 定 大 气 压 为 100k Pa ,空气的成分 21wt %O2 ; 79wt %N2 。[4 ] 请 给出解题思路 。
更多的人能共享他的智慧和成果 。 一 、流体的 pVT 性质
临界温度 Tc 是过程安全最重要 、最普遍的 基本概念之一 。因此 ,作者在设计 p V T 例题时 , 始终围绕着这个知识点 。
【例 1】p V T 行为与液化气成分选择的关系 液化气是理想的气体燃料 。对家庭用液化气 的要求是加压后变成液体储于高压钢瓶里 ,打开 减压阀后即汽化 ,以便燃烧 。现有如表 1 所示的 6 种物质作为液化气成分的候选气体 。 (1) 请根据对液化气储存和使用的要求来选
众所周知 ,化工热力学是化学工程的精髓 。 然而 ,该课程是枯燥的 、难学的 ,抽象的概念和多 而繁琐的公式往往令众多学子望而生畏 。[122 ]
理解是走向真知必不可少的阶段 。[2] 作者认 为 ,生动的实例是改变该局面的良药 。考虑到学 生对生产没有感性认识 ,课程教学应尽可能用“从 生活中来到生产中去”的实例 ,并精心设计 。编制 鲜活实例是不易的 ,这也是一线教师最大的苦恼 。 本文愿意与大家共享作者编写 、收集的多个例子 , 也许它们还不够成熟和准确 ,但以期能起到抛砖 引玉的作用 ,希望更多的教师加入这个队伍 ,以便
总统奖获得者 、美国三院院士 、加州大学伯克利分 校化工系 J . M. Prausnitz 教授是这样描述的 :[5]
分子之间的力通常是十分特殊的 ,在这种情 况下 ,遗憾的是不可能用纯组分的性质来预测 (即
能否当做理想气体 ?
(2) 如果将管道输送来的 0. 2M Pa 、10 ℃的天
然气不经压缩直接装入储气罐中 ,一罐天然气能
行驶多少公里 ?
(3) 为了行驶更长的里程 ,在其他条件均不变
的情况下 ,是否可以通过再提高压力使压缩天然
气变成液化天然气来实现 ? 你有什么好的建议 ?
(4) 据出租车司机说“同样一罐压缩天然气 ,
费 50 194. 29
=
0.
257
元
;
②同样方法计算夏天气体温度为 45 ℃时 ,每
公里花费 50 163. 94
=
0
.
305
元
因此 ,同样每天行驶 300 公里 ,夏天比冬天 要多花的钱为 300 ×(0. 305 - 0. 257) = 14. 4 元/ 天 ;一个季度要多花 1300 元 。
二 、偏摩尔性质 偏摩尔性质是一个比较抽象的概念 ,很难举
【例 8】用表 2 来解释 :空气比 CO2 更廉价和 无毒 ,为何不能用来制作苏打和冒泡香槟 ?[6]
例 。以下两个例子均是用人与人之间的相互作用
表 2 25 ℃下溶解在水中的各种气体的 Henry 常数[6]
来比喻 。 【例 4】现今世界最著名的热力学权威 ,美国
42
2009年第1期 (总第105期)
化工热力学中从生活中来到 生产中去的实例 3
冯 新 ,陆小华 ,吉远辉 ,钱红亮
(南京工业大学 材料化学工程国家重点实验室 ,江苏 南京 210009)
[ 摘要 ]生动的实例是改变化工热力学枯燥 、抽象局面的良药 。本文列举了多个“从生活中来到生产中 去”与热力学原理密切相关的实例 ,以期激发学生的兴趣 ,使他们体会到化工热力学的魅力 。 [ 关键词 ]化工热力学 ;实例 ;p V T 性质 ;偏摩尔性质 ;节能减排
V S = S RK - S理想 = 194. 29 - 158. 93 = 35. 36km 由此可见 ,如此高压下的压缩天然气不能当
分 ,冬天室温较低 ,戊烷等高级烷烃不能气化导致 做理想气体 。
残液产生 。
(2) 用 R K 方程计算得 :
44
化工热力学中从生活中来到生产中去的实例
夏天跑的里程比冬天要短”,为什么 ? 请说出理
由 ,并估算出同样每天行驶 300 公里 ,夏天比冬天
要多花多少钱 ? (一罐压缩天然气约 50 元 。必要
图 1 例 1 中液化气候选成分的 p2T 图
的数据可以自己假设) 。
设厨房室温为 10～40 ℃,压力为 1at m 。从图 1 中可以看出 ,甲烷在室温下始终是气体 ,若不把 甲烷的温度降至 Tc 即 - 82. 55°C 以下 ,则无论施 加多高压力都不能使其液化 ———因此甲烷不适合 做液化气成分 ; 乙烷的 Tc 为 32. 18°C ,到了夏天 一旦超过 32. 18°C ,则压力升高会引起爆炸 ——— 因此乙烷也不适合做液化气成分 ;正己烷在室温 下就是液体 ,不需要压缩 ,但它的正常沸点 Tb 为 68. 75°C ,无论春夏秋冬 ,打开减压阀它都不会气
正己烷 234. 4 29. 80 68. 75
48. 4
(1) 如果将 20M Pa ,15 ℃压缩天然气当做理
解 : (1) 根据液化气候选成分 Tc 、pc 的范围画 成 p2T 示意图 ,见图 1 。
想气体 ,则与 R K 状态方程相比 ,它计算出来的一 罐压缩天然气的行驶里程多了还是少了 ,相差多 少公里 ? (按冬天算) 。试问 :此时的压缩天然气
解 :解题思路见图 2 。需注意的是 :压力表显 示 210k Pa ,则实际压力应为 210 + 100 (当地大气 压) = 310k Pa
图 2 例 3 解题思路
化工热力学中从生活中来到生产中去的实例
45
答 : ( 1) 25 ℃,V 1 = 0. 0079854m3 ·mol - 1 ; n1 = 0. 025/ 0. 0079854 = 3. 13mol
理论上 ,温度降至 - 82. 55°C ,即可能加压液 化 ,但压力极高为 4. 60M Pa ,由流体的 p2V2T 关 系可知 ,温度越低 ,所需压力越低 ,因此实际上液 化天然气的温度常降至 - 162 ℃,这样在常压下即 能变成液体 。
(4) ①由 (1) 可知 ,冬天气体温度为 15 ℃时 , 每罐压缩天然气行驶 194. 29 公里 ,那么每公里花
解 : (1) ①由理想气体状态方程可得
V = R T = 1. 198 ×10 - 4 m3 ·mol - 1 ; n = V 总 =
p
V
584. 31mol ; 行驶 里 程 S理想 = 584. 31 ×16 ×10 - 3 ×17 =
158. 93km ②根据 R K 方程
求 得 V = 0. 0000980m3 ·mol - 1 n = V 总 =
55. 6
32. 18 48. 08 - 88. 65
52. 0
96. 59 41. 98 - 42. 15
50. 5
151. 9 37. 43 - 0. 5
49. 6
196. 46 33. 32 36. 05
49. 1
和出租车改烧天然气 (主要成分为甲烷) 。为了使 单位气量能行驶更长的里程 ,天然气加气站需要 将管道输送来的 0. 2M Pa 、10 ℃的天然气压缩灌 装到 储 气 罐 中 , 制 成 压 缩 天 然 气 , 其 压 力 为 20M Pa ,由于压缩机冷却效果在夏天要差 ,所以气 体的温度在冬天为 15 ℃,夏天为 45 ℃。已知储气 罐体积为 70L ,每 kg 甲烷可行驶 17 公里 ,问 :
714. 29mol
化 ———不适合 ;正戊烷室温下能液化 ,但在大多季 节不能气化 ———不适合 ;因此 ,只有丙烷和正丁烷
行驶 里 程 为 : S RK = 714. 29 ×16 ×10 - 3 ×17 = 194. 29km
符合要求 。 (2) 多数液化气会含有少量戊烷等 C5 、C6 成
(3) 50 ℃, V 3 = 0. 00866m3 ·mol - 1 ; n3 = 0. 025/ 0. 00866 = 2. 887mol
故放掉 3. 13 - 2. 887 = 0. 243mol 的空气 。
高了 y空气中O2 , 两 者 使 pO2 增 大 。根 据 ( 2 ) 式 , x血液中O2 随着高压氧舱内 pO2 的提高而提高 ,提高 7221 倍 ,从而使大脑组织得到充分氧供 。
V
= 0. 0192909m3
·mol -
1
;
n
=
V总 V
= 3. 63mol
S = 3. 63 ×16 ×10 - 3 ×17 = 0. 987 公里
由此可见 ,作为汽车燃料 ,管道输送来的天然
气必须经压缩机压缩成高压天然气才有实际意
义。
(3) 不可以 。因为 “, 其他条件均不变”意味着 温度也不变 ,由例 1 可知 ,当温度在 10 ℃左右 ,大 于 Tc 时 ,无论Fra Baidu bibliotek加多大的压力都不能使之液化 。 因此 ,只有必须将其温度降低至 - 82. 55°C 以下 , 再加压才行 。
有较多液体却不能被点燃 。
随着汽油不断涨价 ,既经济又环保的天然气
表 1 各种气体的 Tc 、pc 以及正常沸点 Tb [3 ]
已成为汽车发动机的新燃料 ,越来越多的公交车
物质 甲烷 乙烷 丙烷 正丁烷 正戊烷
Tc , ℃ pc ,at m Tb , ℃ 燃烧值 ,kJ / g
- 82. 55 45. 36 - 161. 45
【例 7】高压氧舱与 Henry 定律 高压氧治疗是将患者置于 1. 4at m 以上的治
(2) 当夏天胎内空气升至 50 ℃时 ,压力表应 疗舱内 ,并间歇性吸入 100wt %氧气的治疗方式 。
显示为 336. 15 - 100 = 236. 15k Pa 。
原理同【例 6】,一方面提高了总压 p ,另一方面提
Practical Examples of Chemical Engineering Thermodynamics
Feng Xin , L u Xiao hua , J i Yuanhui , Qian Ho ngliang
Abstract : Chemical engineering t hermodynamics is a co urse t hat st udent s generally feel abst ract , uninter2 esting and difficult to st udy. However , vivid examples will excite t hem. In t his paper , many examples , clo sely related to t he t hermodynamic p rinciples f rom life to p roductio n , are enumerated in stimulating st udent s’interest s and help t hem to realize t he charisma of chemical engineering t hermodynamics. Key words : Chemical engineering t hermodynamics ; Practical examples ; pV T p roperty ; Partial molar p roperty ; Energy saving and discharge reduction
[ 作者简介 ] 冯新 (19612) ,女 ,教授 、博导 、博士 。 3 本文由 2007 江苏高等教育教改立项课题重点项目资助 (编号 4242) 。
化工热力学中从生活中来到生产中去的实例
43
择液化气成分 。
【例 2】p V T 行为与汽车新燃料压缩天然气间
(2) 请解释以下现象 :到冬天 ,有时钢瓶内还 的关系
这是因为 V ∝ T , 当夏天温度增大后气体的 摩尔体积 V 增大 , 由于储气罐的总体积是一定 的 ,因此装入的压缩天然气摩尔数 n = V 总 / V 变 小 ,随之行驶的里程数减小 。所以同样一罐气夏 天跑的里程比冬天要短 。
【例 3】汽车轮胎 里的压力与胎内空气 的温度相关 。当胎内 空气温度为 25 ℃时 , 压力表显示 210k Pa 。 如果 轮 胎 的 体 积 为 0. 025m3 , 当 夏 天 胎 内空气升至 50 ℃时 ,压力表应显示为多少 ? 为了 轮胎的安全使用 ,需要轮胎恢复到原来的压力 ,此 时轮胎 内 应 该 放 掉 多 少 空 气 ? 假 定 大 气 压 为 100k Pa ,空气的成分 21wt %O2 ; 79wt %N2 。[4 ] 请 给出解题思路 。
更多的人能共享他的智慧和成果 。 一 、流体的 pVT 性质
临界温度 Tc 是过程安全最重要 、最普遍的 基本概念之一 。因此 ,作者在设计 p V T 例题时 , 始终围绕着这个知识点 。
【例 1】p V T 行为与液化气成分选择的关系 液化气是理想的气体燃料 。对家庭用液化气 的要求是加压后变成液体储于高压钢瓶里 ,打开 减压阀后即汽化 ,以便燃烧 。现有如表 1 所示的 6 种物质作为液化气成分的候选气体 。 (1) 请根据对液化气储存和使用的要求来选
众所周知 ,化工热力学是化学工程的精髓 。 然而 ,该课程是枯燥的 、难学的 ,抽象的概念和多 而繁琐的公式往往令众多学子望而生畏 。[122 ]
理解是走向真知必不可少的阶段 。[2] 作者认 为 ,生动的实例是改变该局面的良药 。考虑到学 生对生产没有感性认识 ,课程教学应尽可能用“从 生活中来到生产中去”的实例 ,并精心设计 。编制 鲜活实例是不易的 ,这也是一线教师最大的苦恼 。 本文愿意与大家共享作者编写 、收集的多个例子 , 也许它们还不够成熟和准确 ,但以期能起到抛砖 引玉的作用 ,希望更多的教师加入这个队伍 ,以便
总统奖获得者 、美国三院院士 、加州大学伯克利分 校化工系 J . M. Prausnitz 教授是这样描述的 :[5]
分子之间的力通常是十分特殊的 ,在这种情 况下 ,遗憾的是不可能用纯组分的性质来预测 (即
能否当做理想气体 ?
(2) 如果将管道输送来的 0. 2M Pa 、10 ℃的天
然气不经压缩直接装入储气罐中 ,一罐天然气能
行驶多少公里 ?
(3) 为了行驶更长的里程 ,在其他条件均不变
的情况下 ,是否可以通过再提高压力使压缩天然
气变成液化天然气来实现 ? 你有什么好的建议 ?
(4) 据出租车司机说“同样一罐压缩天然气 ,
费 50 194. 29
=
0.
257
元
;
②同样方法计算夏天气体温度为 45 ℃时 ,每
公里花费 50 163. 94
=
0
.
305
元
因此 ,同样每天行驶 300 公里 ,夏天比冬天 要多花的钱为 300 ×(0. 305 - 0. 257) = 14. 4 元/ 天 ;一个季度要多花 1300 元 。
二 、偏摩尔性质 偏摩尔性质是一个比较抽象的概念 ,很难举
【例 8】用表 2 来解释 :空气比 CO2 更廉价和 无毒 ,为何不能用来制作苏打和冒泡香槟 ?[6]
例 。以下两个例子均是用人与人之间的相互作用
表 2 25 ℃下溶解在水中的各种气体的 Henry 常数[6]
来比喻 。 【例 4】现今世界最著名的热力学权威 ,美国
42
2009年第1期 (总第105期)
化工热力学中从生活中来到 生产中去的实例 3
冯 新 ,陆小华 ,吉远辉 ,钱红亮
(南京工业大学 材料化学工程国家重点实验室 ,江苏 南京 210009)
[ 摘要 ]生动的实例是改变化工热力学枯燥 、抽象局面的良药 。本文列举了多个“从生活中来到生产中 去”与热力学原理密切相关的实例 ,以期激发学生的兴趣 ,使他们体会到化工热力学的魅力 。 [ 关键词 ]化工热力学 ;实例 ;p V T 性质 ;偏摩尔性质 ;节能减排
V S = S RK - S理想 = 194. 29 - 158. 93 = 35. 36km 由此可见 ,如此高压下的压缩天然气不能当
分 ,冬天室温较低 ,戊烷等高级烷烃不能气化导致 做理想气体 。
残液产生 。
(2) 用 R K 方程计算得 :
44
化工热力学中从生活中来到生产中去的实例
夏天跑的里程比冬天要短”,为什么 ? 请说出理
由 ,并估算出同样每天行驶 300 公里 ,夏天比冬天
要多花多少钱 ? (一罐压缩天然气约 50 元 。必要
图 1 例 1 中液化气候选成分的 p2T 图
的数据可以自己假设) 。
设厨房室温为 10～40 ℃,压力为 1at m 。从图 1 中可以看出 ,甲烷在室温下始终是气体 ,若不把 甲烷的温度降至 Tc 即 - 82. 55°C 以下 ,则无论施 加多高压力都不能使其液化 ———因此甲烷不适合 做液化气成分 ; 乙烷的 Tc 为 32. 18°C ,到了夏天 一旦超过 32. 18°C ,则压力升高会引起爆炸 ——— 因此乙烷也不适合做液化气成分 ;正己烷在室温 下就是液体 ,不需要压缩 ,但它的正常沸点 Tb 为 68. 75°C ,无论春夏秋冬 ,打开减压阀它都不会气
正己烷 234. 4 29. 80 68. 75
48. 4
(1) 如果将 20M Pa ,15 ℃压缩天然气当做理
解 : (1) 根据液化气候选成分 Tc 、pc 的范围画 成 p2T 示意图 ,见图 1 。
想气体 ,则与 R K 状态方程相比 ,它计算出来的一 罐压缩天然气的行驶里程多了还是少了 ,相差多 少公里 ? (按冬天算) 。试问 :此时的压缩天然气
解 :解题思路见图 2 。需注意的是 :压力表显 示 210k Pa ,则实际压力应为 210 + 100 (当地大气 压) = 310k Pa
图 2 例 3 解题思路
化工热力学中从生活中来到生产中去的实例
45
答 : ( 1) 25 ℃,V 1 = 0. 0079854m3 ·mol - 1 ; n1 = 0. 025/ 0. 0079854 = 3. 13mol
理论上 ,温度降至 - 82. 55°C ,即可能加压液 化 ,但压力极高为 4. 60M Pa ,由流体的 p2V2T 关 系可知 ,温度越低 ,所需压力越低 ,因此实际上液 化天然气的温度常降至 - 162 ℃,这样在常压下即 能变成液体 。
(4) ①由 (1) 可知 ,冬天气体温度为 15 ℃时 , 每罐压缩天然气行驶 194. 29 公里 ,那么每公里花
解 : (1) ①由理想气体状态方程可得
V = R T = 1. 198 ×10 - 4 m3 ·mol - 1 ; n = V 总 =
p
V
584. 31mol ; 行驶 里 程 S理想 = 584. 31 ×16 ×10 - 3 ×17 =
158. 93km ②根据 R K 方程
求 得 V = 0. 0000980m3 ·mol - 1 n = V 总 =
55. 6
32. 18 48. 08 - 88. 65
52. 0
96. 59 41. 98 - 42. 15
50. 5
151. 9 37. 43 - 0. 5
49. 6
196. 46 33. 32 36. 05
49. 1
和出租车改烧天然气 (主要成分为甲烷) 。为了使 单位气量能行驶更长的里程 ,天然气加气站需要 将管道输送来的 0. 2M Pa 、10 ℃的天然气压缩灌 装到 储 气 罐 中 , 制 成 压 缩 天 然 气 , 其 压 力 为 20M Pa ,由于压缩机冷却效果在夏天要差 ,所以气 体的温度在冬天为 15 ℃,夏天为 45 ℃。已知储气 罐体积为 70L ,每 kg 甲烷可行驶 17 公里 ,问 :