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动力学 热力学 过程
新的绿色溶剂及混合物
低能耗的CO2捕集分离过程
设计新的填料环－提高传质效率
流体力学性能、界面润湿性能对传质效率的影响
CO2的埋存和资源化利用
香山科学会议第276次学术讨论会(2006.4.25～27)的主题
2006年5月国际原油价格已突破70$/桶大关
CO2驱油是有利可图的一举两得的方法
高等化工热力学
2007年9月
损失金额在250亿至1000亿美元之间
2005年的卡特里娜飓风及其 对美国新奥尔良市的影响
2005年第13号台风“泰利”造 成浙江、安徽、福建、江西、 河南、湖北等6省1930.1万人受 灾，死亡124人，失踪31人，紧 急转移安置灾民183.6万人；倒 塌房屋9.7万间，损坏27.7万间 ；农作物受灾面积126.1万公顷 ，绝收26.2万公顷；直接经济 损失154.2亿元。
H H (S , p, n1, , nK ) A A(T , V , n1, , nK ) G G(T , p, n1, , nK )
2 热力学基本方程
Z Z ( X , Y , n1, , nK )
K
Z dZ X
KZ Z dY dni dX Y n i 1 Y,n j X ,n j i X,Y,n[i ]
300 400
空气含水率＝p/大气压
600
T 500
T/K
2005年9月16日新民晚报A30国际新闻.生活/社会 版
过去35年间强飓风数量显著增长
全球升温增长飓风势头
研究人员15日说，过去35年间全球范围 内强度类似于“卡特里娜”的飓风数量显著 增长，与全球气候升温引起的海面水温上升 有关。 美国佐治亚理工学院的柯里说，随着海 洋表面水温增高，飓风变得更强，破坏力更 大。有充分理由可以相信，海洋表面水温升 高与飓风强度增高有联系，而全球气候升温 可能使这一趋势得以延续。 与柯里就职于同一所学院的彼得.韦伯斯 特也认为，“海水表面温度越高，飓风威力 越猛”。 海面上蒸发的水蒸气最终会变成降雨， 水蒸气释放热量过程中则形成热带气旋，而 这最终可能转化为飓风。韦伯斯特说，海水 表面越温暖，水蒸气就会越多，而飓风也就 能得到更多“燃料”。他说，即使海面 水温微小提升也能引起水蒸气迅速增多。 研究人员说，自1970年以来，大西 洋的洋面水温上升了0.5摄氏度。 柯里及其同事发现，1990年至今， 全球发生的强飓风次数比1970年到1985 年间翻了一倍。所谓“强飓风”，特指4 级或5级飓风，破坏力巨大。 研究人员在美国《科学》杂志上报 告说，虽然强飓风增多，但过去10年间 全球飓风总次数呈现下降趋势。 柯里等人的研究结果与其它科学家 近期发表在《自然》杂志上另一份研究 报告的结论吻合。后者认定，过去30年 间飓风强度正在增大。 马震 (新华社供本报特稿)
1 引言
★系统的热力学性质: ●强度性质, 如温度、压力、组成等，与系统 包含的物质的量无关。 ●广延性质, 如体积、焓、熵等，与系统包含 的物质的量有关。
1 引言
相律:
系统的各种热力学性质之间不是相互独立的，而是相互 联系的。相律用于确定系统的独立变量数，即自由度。
F K R R'2
U H T S V ,n j S p,n j
H G V p p S ,n j T ,n j
dU TdS pdV i dni
i 1
K
dH TdS Vdp i dni
i 1
K
K
dA SdT pdV i dni
i 1
dG SdT Vdp i dni
i 1
U A p V V S ,n j T ,n j
国家 USA China Russian Japan German
CO2排放量(亿吨) 48.81 26.68 21.03 10.93 8.78
吨/ 人 19.23 2.27 14.11 8.79 10.96
• 80%以上由化石燃料燃烧产生； • 其中40％左右由火电厂排放
建设节约型社会是我们别无选择的道路！
按照热力学第二 定律，可做功
W Q(1 T2 / T3 )
物料 T1
Q
物料 T2
相平衡热力学的应用
新型分离技术：如何打破平衡限制？ 醋酸＋乙醇 醋酸乙酯＋水
移除
渗透蒸发膜分离 物料 无孔分离膜 多孔支撑层 利用不同分子在同一材料中的传递性质的差异达到分离目的 滞留物
渗透物
相平衡热力学的应用
减灾如何从我做起？
1、日常生活中养成节能习惯
随着生活水平的提高，能源消耗总量急剧上升
2、少用或不用化石燃料？
替代能源的开发周期长，费用大，远水解不了近渴！
3、节能降耗、技术进步？
可以减缓全球变暖的速度，为替代能源的开发赢少可以解决100年的CO2排放问题，关键是费用！
i 1
K
K
dG SdT Vdp i dni
i 1
2 热力学基本方程
★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 的其他广义力，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。
U U (S , V , n1, , nK )
J. M. Prausnitz 美国两院院士、 总统科学奖获得者、 加州伯克利大学化工系教授、 流体分子热力学的创始人、 华东理工大学名誉教授
“流体相平衡的分子热力学”第三版中译本的前言 阿尔伯特· 爱因斯坦在他的自传中曾说到虽然物理学的大部分都会随时间而改变， 但热力学是普适而永恒的；他说许多理论在科学的长河中只是昙花一现，但他坚信热力 学会永远存在。 本书着眼于热力学的应用，以加强我们对相平衡的定量理解，特别关注化工中经常 遇到的流体相平衡。自从1969年第一版发行以来，此书已被包括中国在内的全世界工业 化学家和化学工程师所广泛使用。我和我的同事对此书能被翻译成中文感到由衷的高兴， 这可以让尊敬的中国同行更便利的使用此书，他们和我一样被热力学的美妙及其在新化 工过程和产品的合理设计中的用途所吸引。 在第一版的前言中，我引用了拉丁谚语：了解到事物的本质是令人愉快的。希望第 三版的中译本不但能给中国读者提供一个有用的工程工具，而且可以让他们享受到由热 力学的美丽和充满智慧所带来的快乐。
★系统的表征: (1) 无模型法，即直接采用实验数据。 (2) 有模型法，建立分子热力学模型。
2 热力学基本方程
考虑均相只做体积功的系统。
dU TdS pdV i dni
i 1
K
K
dH TdS Vdp i dni
i 1
dA SdT pdV i dni
节能降耗的理论基础——热力学
为了提高热机效率而建立起来的科学
热力学第一定律：能量守恒
混乱是自发的，恢复次序 是有条件和需要代价的。
热力学第二定律：功可以 全部转换为热，但热不能 全部转换为功 热力学第三定律：绝对零 度不能达到
所得少于所当得，所费 多于所当费，都是浪费。
热力学的两大应用领域
x ( )
求解：
摩尔分数 x1 , x2 , , xK 和p(或T)
1 引言
数学和纯热力 学的抽象世界 数学问题的求解
物理问题向抽 象世界映射
抽象结果的物 理意义
现实世界 问题 热力学解决实际问题的三个步骤 答案
1 引言
★流体相平衡的热力学解决Step III: (1) 确定针对该问题的普遍关系式。 (2) 输入足够数量的强度性质表征系统。 (3) 输入独立变量，其数目由相律决定。 (4) 输出所需的从属变量，解决实际问题。
台风、飓风的能量来自何方？
台风、飓风的频发和破坏力愈来愈大与什么有关？
气温 升高
海面温 度升高
夏秋季
空气含 水量高
10 1
水蒸气 凝结释 放能量
低气压 中心
热能转变 为空气运 动量
形成台风 和灾害
p / MPa
1 2 3
0.1
人类活动的加强 导致温室气体排 放急剧增加
0.01 0.001 200
水的蒸 汽压
♥ 化工过程分析——能量的合理利用 ♥ 相平衡热力学——相分离过程的极限
原 料 I 原料 提纯 去除有害 反应物 II 反 应 未反应的反应 物循环使用 III 产物 纯化 产 品
副产物
在化工生产的第I步和第III步都涉及分离操作 ，如精溜、吸收、萃取等，在一个典型的化工 厂，分离设备的投资约占总投资的40－80％。
1 引言
相平衡热力学的目标: 建立相平衡时联系各强度性质的普遍关系式
f (T , p, x( ) , x( ) , I ( ) , I ( ) ) 0
p (α 相) T
实际问题通常表现为： 已知：
摩尔分数 x1 和T(或p) , x2 , , x K
x ( )
(β 相)
参考书
• • • • • • • • • • • 胡英，近代化工热力学，上海科技文献出版社，1993 胡英等，应用统计力学，化学工业出版社，1990 胡英，流体的分子热力学，高等教育出版社，1980 J.M. Prausnitz, et al., Molecular thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria, 3rd Ed., Prentice-Hall, Inc., 1999(中译本已经出版) S.I. Sandler, Chemical and Engineering Thermodynamics, 3rd Ed., John Wiley & Sons, Inc., 1999 M. Kurata, Thermodynamics of Polymer Solutions, Harwood Academic Publisher GmbH, 1982 朱自强等，流体相平衡原理及其应用，浙江大学出版社，1990 李以圭，金属溶剂萃取热力学，清华大学出版社，1988 朱自强，超临界流体技术——原理和应用，化学工业出版社，2000 李以圭等，电解质溶液热力学，清华大学出版社，2005 J. M. Smith, et al., Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7th Ed., McGraw-Hill, 2004
