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化学与耐火材料热力学研究报告十 -郑州四季火耐

更新时间:2018-07-05作者:阅读:

由U燃烧反应可知$每摩尔 L 6 与 !U完全燃烧时各需 化学中;8$+(U6 $计共需 E$+(U 6 空气组成是 6Ei U 6 和 AHi @ 6 $6 和 U 6 的摩尔比为 / @ 6 k/ U 6 ^AHk6E$所以#说明需要空气中 E$+(U6 时$就带入 C;AD热力学+(@ 6 由题意$L 6和 !U各为 E$+($用两倍理论量的空气燃烧时$U6 是 热力学+($@ 6则是 6JC;AD6^A;8热力学+(因此由本书后附录查得#经整理后得由尝试法解得# ,$EA6<d E<8Ee((.热力学第二定律自然界进行的一切过程都遵守热力学第一定律但不违背热力学第一定律的过程未必能自发地发生所谓自发地发生就是指自动发生$即无需外力$不去管它$就可以发生的过程例如热量总是由高温物体自发地传入低温物体$直至温度相等)它的逆过程即热量自低温物体流入高温物体$不会自动进行气体流动总是由高压流向低压$直至压力相等水总是自发地从高处向低处流不同浓度的溶液倒在一起$会自动扩散$最后达到浓度均匀)而浓度均匀的溶液不会自动地变成浓度不均匀的溶液总之$一切自发变化或过程 >T+.2.#+5/T*+耐材#//(都有一定的变化方向与限度 即达到平衡状态($不会自动地逆向进行$即都是不可逆过程这就是自发过程的共同特征人们对自发过程之所以特别感兴趣$是因为一切自发过程在适当条件下可以用来为人类做功而非自发过程则必须依靠人类采取外力$消耗功才能进行蒸汽机的出现与发展推动了热力学第二定律的建立蒸汽机是一种将燃料燃烧放出的热转化为机械功的装置)水为工作介质$水在锅炉中从高温热源 燃料燃烧(取得热量$并汽化产生高温高压蒸汽$蒸汽在汽缸中绝热膨胀推动活塞做功$其温* I 6 *度!压力同时降低$蒸汽在冷凝器中放出热量给低温热源 冷却介质($并冷凝为水$水经泵增压$重新送入锅炉蒸汽机出现后$人们自然希望最大限度地提高热机的效率$即消耗最少的燃料能得到最大的机械功热机效率能否无限地提高$即能否将燃料放出的热全转变为功$或者从单一热源吸的热量全部转化为功如能将从单一热源吸的热量全部转化为功$就能制造出一种永动机$这种永动机并不违背热力学第一定律$但可以从海洋或大气等巨大的单一热源不断吸取热量来做功这种永动机称为第二类永动机 >#耐材+.,S.,+0T#*T#25($+2+.$B耐材.#(经过长期实践$证明这是不可能的$从而否定这些想法由此热力学第二定律 >#耐材+.,(R+02#*$+,-.$耐材/(有了开尔文 Q;d#(_.(与克劳修斯 1;!(5/5/(两种表述或说法图 EBE3热力学第二定律两种说法等同性的说明E(克劳修斯说法#热从低温物体传给高温物体$而不产生其他变化是不可能的或者说$热不能自动从低温流向高温6(开尔文说法#从一个热源 热储器(吸热$使之完全转变为功$而不发生其他的变化是不可能的或者说$第二类永动机是不可能的克劳修斯的说法是指明热传导的不可逆性开尔文说法是指明功转变为热 或摩擦生热(的过程的不可逆性这两种说法实际上是一致的若克劳修斯说法不成立$则开尔文说法也不能成立热力学第二定律两种说法等同性的说明如图 EBE所示其证明如下#如图 EBE所示$假定和克劳修斯的说法相反$热量 2E 能够从温度为 , E 的低温热源自动地传给温度为 ,6 的高温热源$今使一个蒸汽机在 ,6 和 , E 间工作$并使它传给低温热源的热量恰等于2E $则在循环过程的终了$净的结果是蒸汽机从单一热源 即温度为 ,6 的热* H 6 *源(吸取 26 的热量$全部变为功$而没有其他变化这就违反了开尔文的说法应指出利用海水表面与深海之间的温度差来做功则是不违背热力学第二定律的从上面热力学第二定律的两种说法可得出如下两种重要的结论#E(当热从高温物体传给低温物体$或者功转变为热 例如摩擦生热(后$将再也不能简单地逆转而完全复原了即在不引起其他变化或不产生其他影响的条件下$热不能完全转变为功因此能量还有一定品位或 ,质量-功的品位比热高$高温热源传递的热的品位比低温热源的高 E化学中化学中e的水与 <化学中e的水很不相同$E化学中化学中e的水可以伤人(能量的品位只可能自发地降低$而不能自发地升高6(热从高温物体传给低温物体是不可逆过程$则功转化为热也必定是不可逆过程((耐材可逆过程实际进行的过程都是不可逆过程 =**#_#*/O(#T*+耐材#//(可逆过程 1#_#*/O(#T*+耐材#//(是一种在无限接近平衡并且没有摩擦力的条件下进行的过程)或者说在平衡条件下正逆方向都能任意进行的过程它是一个不可逆程度为零$作为基准而抽象出来的理想过程下面以理想气体的等温膨胀为例来说明设有一带活塞的圆筒气缸$内有压力为 #E !体积为 $ E 的 /$+(理想气体$放在一温度为 ,的恒温器中若活塞上的压力突然减小$活塞就会向上突然一冲$圆筒内气体会相当紊乱$这时气缸内各处压力会各不相同$体系内气体的压力不能确定$经过一定时间$逐渐分布均匀$到达最终稳定的数值 #6 !体积 $ 6 在这种情况下$虽然开始和最终状态都可以在 #热力学图上用点表示出来$但体系在离开最初状态之后$到达最终状态之前的中间情* 化学中 C *况$却无法在 #热力学图上表示出来假如不是突然使活塞上的压力减小$而是使它以很小很小的 ,#逐渐缓慢地减少压力 也可以想像为在活塞上取走一粒砂子就膨胀$放上一粒砂子就压缩($使气体缓慢!不断膨胀$直至 #6 !$ 6 )其变化过程中不同时间的#!$就可以在 #热力学图上表示出来$这些点联成的曲线就表示了变化过程)这样的膨胀称为可逆膨胀而前面的膨胀则为不可逆膨胀由于可逆过程这一概念在热力学中十分重要$下面通过数值计算来进一步说明设一理想气体从初态压力 化学中;CYG!体积 EQ$恒温膨胀至终态压力 化学中;EYG!体积 CQ从初态到终态分别经过 C种不同途径#E(使活塞外压 #外一次减小到 化学中;EYG即在整个膨胀过程中气体反抗的外压均为 化学中;EYG$体系做功#即图 EB6中矩形 8+:9的面积图 EB63理想气体恒温膨胀功6(先使 #外 减小到 化学中;6YG$气体反抗 化学中;6YG的外压膨胀到体积为 E;8Q)然后再使外压减小到 化学中;EYG$使气体反抗* E C *化学中;EYG的外压膨胀到体积 CQ体系做功#即图 EB6中 A9=.和 -+:=二矩形面积之和C(在整个膨胀过程中$始终维持 #外 比气体压力 #小一无限小量 ,#下进行$即 #外 ^#K,#体系做功#略去二级无限小$以及将理想气体在恒压下$#$^#E $ E ^# 6 $ 6 代入上式得#这个功就是图 EB6中 ).+曲线以下的面积 ).+:9比较以上 C种不同途径的恒温膨胀过程$可知途径 C(所做的功最大现在再看使气体复原的压缩过程要使气体压缩$#外 至少必须比气体压力 #大 ,#若使整个压缩过程始终维持##外 ^#],#$体积从 CQ压缩回到 EQ$则此过程外界对体系做功为#这个功是使体系复原所需的最小功3 < 的绝对值与途径C(的功 3 C 恰好相等而符号相反由此可知$途径 C(的过* 6 C *程发生后$只要将途径 C(的膨胀过程中所做的功贮存起来$则这些功恰好能够使体系沿原途径逆向进行$恢复原状$而不给环境留下任何影响或痕迹途径 C(整个过程可看成是由一系列极接近平衡的状态的过程所构成$这种过程在经典热力学中称为准静态过程 F5/B/22耐材T*+耐材#//(在没有摩擦力的情况下$准静态过程就是可逆过程而途径 E(和 6(所做的功 3 E 和 3 6 都比恢复原状 即初态(所需最小压缩功 3< 的绝对值小)因此要使体系恢复原状$必然外界要另外付出一定的能量才行)也就是说要给环境留下影响或痕迹综合起来$可逆过程有如下特点#可逆过程是在作用力与阻力相差无限小的条件下进行的$过程进行极为缓慢$在过程进行的每一步$体系都接近平衡状态$将条件稍微改变就能使过程方向逆向进行因此可逆过程发生后$可以使体系沿原途径逆向进行恢复原来状态在可逆过程中$体系做最大功可逆过程可用热力学函数表示可逆过程是一种理想的极限过程可逆过程在热力学中是极其重要的一种过程$一些重要热力学函数值是通过可逆过程得到的在实际生活中$有些变化是与可逆过程接近的$例如气B液平衡条件下液体的蒸发)固B液平衡条件下液体的结晶)原电池电动势与外加电压相差很小的情况下$电池的放电或充电等都可近似地看作可逆过程(((卡诺循环从热力学第二定律知$从单一热源吸热$使之完全转换为功的热机是不可能造成的)也就是说$热机至少需要两个热源即高温热储器与低温冷库从高温热源 ,E 吸的热 2 E 只能有一部分转变为功 3$有一部分热 26 必须传给较低温度的冷源 冷库(

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