Тема 3 из серии по подготовке к экзамену для специалистов-химико-технологов: Термодинамические процессы в химической промышленности
Thread Content
Последнее изменение в этом посте было сделано zhanghp30 29.09.2019 в 14:21. 1. Профессиональные знания: 1) Задачи термодинамики: анализ возможности протекания процессов, эффективное использование энергии； Термодинамические свойства в состоянии равновесия, прогнозирование и расчет физических свойств ； Равновесие фаз в процессах физических и химических превращений и расчеты химического равновесия ； 2) Основное принцип термодинамики: невозможно создать вечный двигатель (первый закон термодинамики) ； Невозможно полностью восстановить естественный процесс (второй закон термодинамики) ； Абсолютный нуль достичь невозможно (третий закон термодинамики). Кроме того, существует ещё один закон, которого никто не изучает в университете; возможно, некоторые преподаватели о нем упоминали. Это — нулевой закон термодинамики: если температура двух тел равна температуре третьего тела, то температуры этих двух тел также должны быть равны. 3) Особенности и ограничения термодинамики: термодинамика касается только начальных и конечных состояний, а не промежуточных путей ； При строгом выводе термодинамических заключений не существует никаких дополнительных условий, и эти заключения имеют универсальный характер. 4) Классификация термодинамических свойств: Интенсивные свойства: обладают аддитивностью. Такие величины, как объем V, масса m, энтропия S, энтальпия H, функция Гиббса G и т. д. Свойства прочности: не обладают аддитивностью. Такие как температура T, давление P, вязкость u, плотность p, удельная теплоемкость r и т. д. 5) Расчет изменения энтропии в различных процессах ； Следуйте конкретно учебнику, обращая внимание на условия применения формул. 6) Расчет скрытой теплоты: deta H=deta U+P*(Vg-Vl)=H насыщенного пара-H насыщенной жидкости ； Обратите внимание, что потенциальная теплота испарения одного и того же вещества по мере повышения температуры постепенно снижается и при достижении критической точки становится равной нулю! Можно использовать закон Гейса для описания реверсивных термодинамических процессов с целью определения количества тепла, затрачиваемого в ходе этих процессов. 7) Определение дифференциальной и интегральной теплоты растворения. Возможно, будут вопросы на примерах! 8*) Процесс непрерывного потока: при постоянном давлении: Q+W=deta H+deta U^2/2+deta gZ; в стабильном процессе Q+W=deta H. При постоянной температуре: Q+W=deta U+deta U^2/2+deta gZ; в стабильном процессе Q+W=deta U. Обратите внимание, что вышеуказанные уравнения часто сочетаются с соотношениями Максвелла, что приводит к задачам сложной степени. Необходимо их хорошо освоить! Это ключевые темы в экзаменах на протяжении всех лет, такие как процесс дросселирования при постоянной энтальпии, адиабатические процессы и т. д.! 9*) Идеальная работа, потерянная работа и эффективная энергия: Идеальная работа: Wid = T0·dηS – dηH. Потерянная работа: Ws = Wid – Ws = T0·dηS – Q = T0·dηSt. Эффективная энергия: Ex = (H – H0) – T0·(S – S0) = –Wid. 10) Фугенция и активность: обратите внимание на определение формул! 11*）Тепловой насос, охлаждение: подробно повторить согласно учебнику, обязательно освоить! 【Прогноз вопросов】 1*) Какие из следующих термодинамических функций являются величинами интенсивности? （ ） А. Давление Б. Объем В. Вязкость Г. Энтальпия 【Решение】 Б, Г. 2*) Какие из следующих термодинамических функций являются функциями состояния? （ ） А. Тепло Б. Объем В. Энтропия Г. Рабочая сила 【Решение】 Б, Г. Обратите внимание: тепло и рабочая сила связаны с процессом, поэтому не являются термодинамическими функциями состояния! ! ! 3*) Идеальный газ определенной массы проходит через какой-либо обратимый процесс. Возможны следующие варианты: A) поглощение тепла, повышение температуры и выделение положительной работы; B) поглощение тепла, снижение температуры и выделение отрицательной работы; C) поглощение тепла, повышение температуры и выделение отрицательной работы; D) поглощение тепла, снижение температуры и выделение положительной работы. 【Решение】Варианты A, C и D возможны. Это можно объяснить с помощью графиков. 4) Азот проходит адиабатическое свободное расширение. Каково верное утверждение? （ ） A deta H=0, deta U=0 B deta H>0, detaU>0 C deta H=0, deta U=0 D deta H
Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем zhanghp30 13.11.2015 в 10:23. 2. Знания, связанные с конкретными случаями: 1) При нормальном давлении вода может охлаждаться до температуры ниже 0°C, после чего замерзает. Вода при температуре -5°C более склонна к замерзанию под воздействием различных факторов. Этот процесс можно рассматривать как адиабатический. Необходимо определить изменение энтропии в ходе этого процесса. Тепло плавления льда составляет 334,4 Дж/г, а теплоемкость воды в диапазоне от 0°C до -5°C — 4,22 Дж/г·К. 【Анализ】 Исходя из 1 г воды, обозначим коэффициент затвердевания как X. Тогда 1 г воды при температуре -5°C превращается в (1-X) г воды при температуре 0°C плюс X г льда при той же температуре. Следовательно: 1 * 4,22 * (0 + 5) + X * (-334,4) = 0. Отсюда получаем X = 0,0631. Значение изменения энтропии равно сумме изменений энтропии S1 и S2: ΔS = ΔS1 + ΔS2 = m * Cp * ln(T2/T1) + X * ΔHфус/Т. Подставляя значения, получаем: ΔS = 1 * 4,22 * ln(273,15/268,15) + 0,0631 * (-334,4)/273,15 = 7,13 * 10^(-4) Дж. 2) 1 кг воздуха в компрессоре совершает адиабатическое реверсивное сжатие с давления 0,1034 МПа и температуры 299,7 К до давления 0,517 МПа. Предполагается, что процесс происходит в состоянии стационарного потока, а изменение потенциальной энергии можно игнорировать. Пусть воздух является идеальным газом, при этом Cv = 0,716 кДж/кг·К, а Cp = 1,005 кДж/кг·К. Какова тогда работа сжатия? 【Разбор】Из уравнения потока: dηH + 1/2dηU² + dηgZ = Q + Ws. Поскольку Q = 0, процесс находится в устойчивом состоянии. Следовательно, Ws = dηH = mCp*(T2 – T1). Адиабатический реверсивный процесс является изентропическим процессом; отношение T2/T1 равно (P2/P1)^(k–1)/k, где k = Cp/Cv = 1,4036. Таким образом, T2 = 299,7 * (0,517/0,1034)^(1,4036–1)/1,4036 = 476,1 К. Затем Ws = 1 * 1,005 * (476,1 – 299,7) = 177,28 кДж/кг. 3) Для приведения в движение турбины используется перегретый пар при давлении 1,5 МПа и температуре 773 К; пар выходит при давлении 0,07 МПа. Работа, вырабатываемая этой турбиной, соответствует 85% от работы, получаемой в адиабатически реверсивном процессе. Из-за теплопотерь в окружающую среду (температура 293,15 К) потери энергии составляют 79,4 кДж/кг. Необходимо определить размер потерь работы в данном процессе. (Исходное состояние: давление 1,5 МПа, температура 773 К; энтальпия H1 равна 3473,1 кДж/кг, а энтропия S1 — 7,5698 кДж/кг·К). 【Обоснование】 Процесс можно рассматривать как адиабатический; следовательно, S2 = S1 = 7,5698. В этом случае энтальпия H2 равна 2680 кДж/кг. На экзамене будет дана диаграмма, показывающая изотермы! Таким образом, Ws = ΔH = (2680 – 3473,1) = –793,1 кДж/кг. Следовательно, фактическое значение Ws’ равно 0,85·Ws = 0,85·(–793,1) = –674,1 кДж/кг. Фактическое значение H2 составляет H1 + Q + Ws = 3473,1 – 79,4 – 674,1 = 2719,6 кДж/кг. При давлении 0,07 МПа и значении энергии 2719,6 кДж/кг энтропия равна 7,6375. Затраты на выполнение работы составляют Wl = T0·ΔS – Q = 293,15·(7,6375 – 7,5698) + 79,4 = 99,2 кДж/кг
Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем zhanghp30 16.01.2020 в 10:39. 4) У устройства для охлаждения с использованием аммиака мощность охлаждения составляет 4,186*10^5 КДж/ч; температура испарения – -26°C, а температура конденсации – 20°C. Предполагается, что компрессор работает в режиме адиабатически обратимого процесса. Необходимо определить объем циркулирующего хладагента, работу компрессора, нагрузку на конденсатор и коэффициент охлаждения. (При температуре -26°C: H1=1430 кДж/кг, S1=6 кДж/кг·К; при температуре 20°C: H2=290 кДж/кг, S2=1,3 кДж/кг·К) 【Обоснование】 Объем циркулирующего хладагента: G=Q/q=418600/(H1-H2)=418600/1430-290=367,2 кг/ч. Работа компрессора: Ws=G*W=367,2*(H3-H1)=-367,3*(1680-1430)=-25,5 кВт. Для адиабатического обратимого процесса значение H3 определяется по кривой равных отношений; H3=1680. На экзамене будет предоставлена диаграмма! ) Конденсатор: Q = G*(H2 – H1) = 367,2*(290 – 1430) = –5,1*10^5 кДж/ч. Коэффициент охлаждения: S = q0 / (-Ws) = (1430 – 290) / (1680 – 1430) = 4,56. 5) Мощность теплового насоса составляет 1 кВт; температура окружающей среды – 0°C. Необходимо обеспечить температуру нагреваемого объекта 30°C. Коэффициент нагрева равен 80% от коэффициента цикла Карно в обратном направлении. Необходимо определить количество тепла, которое может выдать этот кондиционер, а также количество тепла, которое тепловой насос поглощает из окружающей среды. 【Решение】 Qh = Sh * Wn = 0,8 * (Th/Th – Tl) = 0,8 * (303,15/30 – 3) = 8,084 кВт. Количество тепла, поглощаемого из окружающей среды: Q = Qh – Wn = 8,084 – 1 = 7,084 кВт. 6) Один из проектов по опреснению морской воды в стране. Исходным материалом является морская вода, содержащая 3,5% NaCl; продуктом процесса — чистая вода. Температура в обоих случаях составляет 25°C. Известно, что при температуре 25°C давление насыщенного пара над морской водой и чистой водой составляет соответственно 3098,1 Па и 3167,2 Па. Осмотическое давление морской воды равно 3049,9 кПа. Необходимо определить идеальную работу, затрачиваемую в ходе этого процесса. 【Разбор】 Ws = T0*delta S – delta H. Принцип опреснения морской воды заключается в том, что изменение свободной энтропии под действием давления представляет собой идеальную работу, выполняемую в процессе. Следовательно, Ws = T0*delta S – delta H = -delta G = -8,314*298,15*Ln(3167,2/3098,1) = -54,68 Дж/моль. 7*) Объем сухой и чистой комнаты составляет 1000 м³; температура — 10°C, а давление — атмосферное. Сколько тепла потребуется для повышения температуры до 20°C при постоянном давлении? Если температура на улице составляет 0°C, а температуру в помещении необходимо снизить с 20°C до 10°C, сколько тепла будет выделяться? Пусть воздух является идеальным газом; значение Cpm равно 29,29 Дж/К/моль. 【Решение】При постоянном давлении при повышении температуры имеем: n = f(T) = PV/(RT). Количество тепла, необходимое для этого процесса, равно: Qp = dΔH = f·n·CPm·dT = f(PV/(RT))·CPm·dT = PV/R·(CPm)·ln(T2/T1) = 101325·1000/8,3145·29,29·ln(293,15/283,15) = 1,24·10^7 Дж. При понижении температуры в помещение попадает воздух; при температуре 20°C имеем n1 = PV/293,15, а при температуре 10°C — n2 = PV/283,15. Количество добавленного воздуха равно n3 = n2 – n1 = PV/283,15 – PV/293,15. Общее количество тепла равно сумме двух частей: Q = Q1 + Q2 = f(PV/293,15)·29,29·dT + f(PV/283,15 – PV/293,15)·29,29·dT = 101325·1000·29,29·(-10/293,15 + (1/283,15 – 1/293,15)·10) = -1,2·10^7 Дж.
8) Имеется трубопровод для подачи горячей воды при температуре 90°C. Из-за плохой изоляции температура воды к моменту её использования снижается до 70°C. Необходимо определить потери энергии и тепла в процессе снижения температуры. Температура воздуха составляет 25°C. Удельная теплоемкость воды — 4,18 Дж/моль·К. 【Решение】Берем за основу 1 моль воды. Тогда dΔH = Q – Ws, причем Ws = 0. Следовательно, Q = dΔH = 1·4,18·(343 – 363) = -83,6 Дж. dΔS = Cp·ln(T2/T1) = 4,18·ln(343/363) = -0,2369 Дж/К. Согласно второму закону термодинамики: -dΔS + q/T0 + dΔSg = 0. Отсюда dΔSg = dΔS – Q/T0 = -0,2369 + 83,6/298,15 = 0,0436 Дж/К. WL = T0·dΔSg = 298,15·0,0436 = 13 Дж.
9) В каком-то цикле парового компрессорного охлаждения мощность охлаждения составляет 4·10^4 кДж/ч. Температура в камере испарения — -10°C, а температура воды на входе в конденсатор — 8°C. Количество воды в цикле бесконечно. Необходимо спроектировать минимально возможную схему цикла и рассчитать минимальное количество энергии, необходимое для его работы. Если использовать конденсатор с воздушным охлаждением при температуре в помещении 25°C, какова будет минимальная потребляемая мощность? 【Анализ】Устройство с минимальным энергопотреблением по принципу проектирования — это обратный карнов цикл! Тогда Sc = Q0 / (-Ws) = TL/Th – TL. 40000 / (-Ws) = 263,15 – 281,15 – 263,15; WS = -2736 кДж/ч. При температуре 25°C происходит охлаждение воздухом. 40000 / (-Ws) = 263,15 – 298,15 – 263,15; WS = -5320 кДж/ч. 10) Известно, что при температуре -5°C давление пара над льдом составляет 0,4 кПа, а относительная плотность – 0,915. Необходимо рассчитать фугацию льда при температуре -5°C и давлении 100 МПа. 【Разбор】-5C, пар воды при давлении 0,4 кПа может считаться идеальным газом, следовательно, f = 0,4 кПа. При изотермических условиях (df/dp)T = V/RT. Поскольку молярный объем льда практически не меняется с изменением давления, его можно считать постоянной величиной. Тогда Vs = M/p = 18/0,915 = 19,69 см³/моль. Далее: fs = f·e^(Vs·(100–0,4))/R·(273,15–5) = 0,4·e^(1,969·10^-5·(1000–0,4))/(8,314·10^-5·(273,15–5)) = 0,97 кПа
8) Имеется трубопровод для подачи горячей воды при температуре 90°C. Из-за плохой изоляции температура воды к моменту её использования снижается до 70°C. Необходимо определить потери энергии и тепла в процессе снижения температуры. Температура воздуха составляет 25°C. Удельная теплоемкость воды — 4,18 Дж/моль·К. 【Решение】Берем за основу 1 моль воды. Тогда dΔH = Q – Ws, причем Ws = 0. Следовательно, Q = dΔH = 1·4,18·(343 – 363) = -83,6 Дж. dΔS = Cp·ln(T2/T1) = 4,18·ln(343/363) = -0,2369 Дж/К. Согласно второму закону термодинамики: -dΔS + q/T0 + dΔSg = 0. Отсюда dΔSg = dΔS – Q/T0 = -0,2369 + 83,6/298,15 = 0,0436 Дж/К. WL = T0·dΔSg = 298,15·0,0436 = 13 Дж.
9) В каком-то цикле парового компрессорного охлаждения мощность охлаждения составляет 4·10^4 кДж/ч. Температура в камере испарения — -10°C, а температура воды на входе в конденсатор — 8°C. Количество воды в цикле бесконечно. Необходимо спроектировать минимально возможную схему цикла и рассчитать минимальное количество энергии, необходимое для его работы. Если использовать конденсатор с воздушным охлаждением при температуре в помещении 25°C, какова будет минимальная потребляемая мощность? 【Анализ】Устройство с минимальным энергопотреблением по принципу проектирования — это обратный карнов цикл! Тогда Sc = Q0 / (-Ws) = TL/Th – TL. 40000 / (-Ws) = 263,15 – 281,15 – 263,15; WS = -2736 кДж/ч. При температуре 25°C происходит охлаждение воздухом. 40000 / (-Ws) = 263,15 – 298,15 – 263,15; WS = -5320 кДж/ч. 10) Известно, что при температуре -5°C давление пара над льдом составляет 0,4 кПа, а относительная плотность – 0,915. Необходимо рассчитать фугацию льда при температуре -5°C и давлении 100 МПа. 【Разбор】-5C, пар воды при давлении 0,4 кПа может считаться идеальным газом, следовательно, f = 0,4 кПа. При изотермических условиях (df/dp)T = V/RT. Поскольку молярный объем льда практически не меняется с изменением давления, его можно считать постоянной величиной. Тогда Vs = M/p = 18/0,915 = 19,69 см³/моль. Далее: fs = f·e^(Vs·(100–0,4))/R·(273,15–5) = 0,4·e^(1,969·10^-5·(1000–0,4))/(8,314·10^-5·(273,15–5)) = 0,97 кПа
Как здорово, ощущается аура опытного учителя
Этот раздел всегда был для меня самым непонятным. Хорошенько изучи*~~~