溶液热力学基础word版本.ppt

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1、溶液热力学基础前 言 H2O的蒸汽压、两相的 C2H5OH+H2O组分的分压力也会变化；溶液的液相的浓度（成分）会变化。4.上部，H2O的压力或分压力不同；5.（3）的上部C2H5OH+H2O两组分的成分与液相中两组分成分一般不同；6.液相吸收蒸汽会放热，析出蒸汽需吸热。溶液热力学研究溶液的热力学性质及溶液在加热（或放热）过程中状态的变化情况。（1）纯）纯 水水（2）58%溴化溴化锂锂水溶液水溶液（3）38度老白干度老白干5.1 溶液、溶液的成分 一.溶液 1.溶液由两种或两种以上的物质所组成的均匀、稳定的体系称为溶液。溶液分为：气态（体）溶液，如空气；液体溶液，如溴化锂水溶液；固态溶液，又称

2、固溶体。2.溶剂与溶质在液态溶液（2）58%溴化溴化锂锂水溶液水溶液 中，能中，能溶解其它物质的组分叫溶溶解其它物质的组分叫溶剂，被溶解的物质叫溶质。剂，被溶解的物质叫溶质。溶质可以是固体（如溴化锂）溶质可以是固体（如溴化锂）、液体（如乙醇）和气体（如氨、液体（如乙醇）和气体（如氨气），溶剂一般为液体。气），溶剂一般为液体。3.3.溶液的溶液的“元元”“元元”即即表示组分多少的量词。表示组分多少的量词。两元溶液，如溴化锂水溶两元溶液，如溴化锂水溶液和氨水溶液。液和氨水溶液。一一.溶液的成分溶液的成分 组成溶液的各组分在溶液中组成溶液的各组分在溶液中所占的百分比。所占的百分比。常见的有：常见的有

3、：质量分数、摩尔分数。质量分数、摩尔分数。5.1 溶液、溶液的成分 一.溶液的成分溶液的成分 1.质量分数：（2）58%溴化溴化锂锂水溶液水溶液 式中：式中：mi第第i种组分的质量；种组分的质量；m为溶液的总质量。为溶液的总质量。质量分数也简称浓度。质量分数也简称浓度。1.摩尔分数：式中：式中：ni第第i种组分的摩尔数；种组分的摩尔数；n为溶液的总摩尔数。为溶液的总摩尔数。为方便起见，混合气体的摩为方便起见，混合气体的摩尔分数用符号尔分数用符号yi表示，液体的摩表示，液体的摩尔分数尔分数xi表示。表示。（3）38度老白干度老白干5.2 相、独立组分数、自由度和相率 一.相相 体系内物理和化学性

4、质完全均匀一致的部分称之为相。（2）58%溴化溴化锂锂水溶液水溶液 相与相之间有明显分界面。相与相之间有明显分界面。体系内相的数目用体系内相的数目用表示。表示。举例：举例：空气，只有气相，空气，只有气相，=1；湿饱和蒸汽，有液、汽两相，湿饱和蒸汽，有液、汽两相，=2。二.独立组分数 平衡体系中独立存在的物质平衡体系中独立存在的物质称为独立组分，其数目为独立组称为独立组分，其数目为独立组分数，用分数，用k k表示。表示。举例：举例：冰水混合物，只有冰水混合物，只有H2O一种一种组分，组分，k=1；溴化锂水溶液，有溴化锂水溶液，有LiBr和和H2O，k=2。（2）58%溴化溴化锂锂水溶液水溶液5.

5、2 相、独立组分数、自由度和相率 三.自由度自由度 体系的自由度是指体系的独立可变因素。在一定范围内，这些因素的数值可以任意改变而不会引起相数目的改变；用f表示。如：氧氧 气气 氧气，氧气，f=2，如，如p和和t，在一定，在一定范围内这两个量（因素）可以自由范围内这两个量（因素）可以自由改变，但改变，但p、t、v三个量不能同时三个量不能同时自由改变。自由改变。f=体系最小不可同时改变的状体系最小不可同时改变的状态参数的数目态参数的数目-1 四.相率 体系处于平衡状态时，它的体系处于平衡状态时，它的自由度自由度f、相数、相数和组分数和组分数k之间之间存在如下关系：存在如下关系：湿饱和蒸汽湿饱和蒸

6、汽 氧气：氧气：k=1，=1，f=2;有两个独立可变的因素有两个独立可变的因素pp、t t，p p、v v或或t t、v v。不会是不会是p p、t t、v v三个都独立可三个都独立可变，变，f3f3。5.2 相、独立组分数、自由度和相率 四.相率 湿饱和蒸汽：湿饱和蒸汽：k=1 k=1，=2，f=1;只有一个独立可变因素只有一个独立可变因素p，或，或t，或，或v。ps=1atm的湿蒸汽；的湿蒸汽；ps=0.9atm的湿蒸汽；的湿蒸汽；ps=1atm、90 的湿蒸汽？的湿蒸汽？单相溴化锂水溶液：单相溴化锂水溶液：k=2，=1，f=3;p p、t t、都是可以独立改变都是可以独立改变的因素。的因

7、素。溴化锂水溶液溴化锂水溶液-蒸汽两相蒸汽两相平衡时：平衡时：k=2，=2，f=2;t t、与上部的蒸汽压是相与上部的蒸汽压是相对应的。对应的。溴化锂水溶液溴化锂水溶液湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽5.2 相、独立组分数、自由度和相率 四.相率溴化锂水溶液溴化锂水溶液 换一个角度，换一个角度，f是确定体系所是确定体系所处状态而需要的独立状态参数的处状态而需要的独立状态参数的数目。数目。单组分体系，单组分体系，k=1=1：当当=1时，时，f=2，如氧气；，如氧气；当当=2时，时，f=1，如湿蒸汽；，如湿蒸汽；稳定的大气，稳定的大气，f=2。两组分汽、液平衡体系：两组分汽、液平衡体系：k=2，=2，f=2

8、确定处于汽、液平衡的二元确定处于汽、液平衡的二元溶液的状态，只需要知道两个独溶液的状态，只需要知道两个独立的状态参数，其它状态参数就立的状态参数，其它状态参数就可随之而定。可随之而定。这两个状态参数可以是这两个状态参数可以是p p、t t、h h 和和中的任意两个参数。中的任意两个参数。湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽5.3 理想溶液两组分体系的相图 一.溶液的相平衡溴化锂水溶液溴化锂水溶液 溶液在一定条件下，易挥发溶液在一定条件下，易挥发的组分经常自发地通过分界面从的组分经常自发地通过分界面从液相转移到气相，因而造成了蒸液相转移到气相，因而造成了蒸汽压；同时也有一些气态基本微汽压；同时也有一些气态基本微

9、粒从气相转移到液相，这样：粒从气相转移到液相，这样：气相、液相之间的转移产气相、液相之间的转移产生了质量和能量的交换；生了质量和能量的交换；在转移过程中，当两种转在转移过程中，当两种转移的速度相等时，在系统中所有移的速度相等时，在系统中所有各部分的全部状态参数都保持不各部分的全部状态参数都保持不变，实现溶液的相平衡状态。变，实现溶液的相平衡状态。“所有各部分所有各部分”即每一部分，即每一部分，如液相部分、气相部分；也包括如液相部分、气相部分；也包括整体系统；整体系统；相平衡相平衡是动态平衡；是动态平衡；溶液的相平衡溶液的相平衡与与纯物质的相纯物质的相 平衡平衡有相同之处，又有一定的差有相同之处

10、，又有一定的差别别二者都是动态平衡，但溶二者都是动态平衡，但溶液的液相在相变时成分也同时发液的液相在相变时成分也同时发生变化。生变化。湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽5.3 理想溶液两组分体系的相图 一.溶液的相平衡溴化锂水溶液溴化锂水溶液 溶液两相之间的质量与能量溶液两相之间的质量与能量的交换：的交换：某一浓度的溶液，在不同的某一浓度的溶液，在不同的温度下形成对应不同温度下形成对应不同 蒸气压的相蒸气压的相平衡；平衡；若溶液的液相被降温，则若溶液的液相被降温，则 液相吸收上部蒸气；液相吸收上部蒸气；若压力较高的外部蒸气进入若压力较高的外部蒸气进入汽相中，则液相吸收上部蒸气；汽相中，则液相吸收上部蒸气；维

11、持连续的吸气，则需要：维持连续的吸气，则需要：溶液降温，即取走热量；溶液降温，即取走热量；浓度降到一定程度后的液浓度降到一定程度后的液相被抽走；相被抽走；补充较高浓度的新溶液。补充较高浓度的新溶液。湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽 单一组分的气、液两相之间单一组分的气、液两相之间质量与能量的连续交换：质量与能量的连续交换：取热降温取热降温+凝液抽走。凝液抽走。5.3 理想溶液两组分体系的相图 二.p-x图 1.拉乌尔定律：拉乌尔定律：在一定温度下，理想溶液任在一定温度下，理想溶液任一组分的蒸气分压等于其纯组分一组分的蒸气分压等于其纯组分的饱和蒸气压乘以该组分在液相的饱和蒸气压乘以该组分在液相中的摩尔分数。

12、中的摩尔分数。从整体看，又有从整体看，又有A、B的摩尔的摩尔分数。分数。A、B组成理想溶液组成理想溶液 2.道尔顿分压力定律道尔顿分压力定律 道尔顿分压力定律也讲蒸气道尔顿分压力定律也讲蒸气分压，它指出：分压，它指出：溶液中某一组分的蒸气分压溶液中某一组分的蒸气分压等于溶液的饱和蒸气压乘以该组等于溶液的饱和蒸气压乘以该组分在气相中的摩尔分数。分在气相中的摩尔分数。在组分、温度确定的两相平在组分、温度确定的两相平衡态的溶液，衡态的溶液，5.3 理想溶液两组分体系的相图 二.p-x图A、B组成理想溶液组成理想溶液 2.道尔顿分压力定律道尔顿分压力定律 3.p-x图图 蒸气压蒸气压p p与与x x的

13、曲线的曲线 在组分、温度确定的两相平在组分、温度确定的两相平衡态的溶液，衡态的溶液，即易挥发组分即易挥发组分A在气相中的在气相中的摩尔分数摩尔分数yA大于它在液相中的摩大于它在液相中的摩尔分数尔分数xA。5.3 理想溶液两组分体系的相图A、B组成理想溶液组成理想溶液 3.p-x图图 蒸气压蒸气压p p与与y y的曲线的曲线 讨论讨论A为溶液中易挥发组分为溶液中易挥发组分时的情况：时的情况：5.3 理想溶液两组分体系的相图A、B组成理想溶液组成理想溶液 三三.T-x图图 很多情况下，液体在定压下蒸很多情况下，液体在定压下蒸发，此时发，此时用用T-x图更方便。图更方便。T-x图既可用实验数据绘制，

14、图既可用实验数据绘制，也可从也可从p-x图求得。图求得。以液相为例看如何由以液相为例看如何由p-x图绘图绘制制T-x图：图：5.3 理想溶液两组分体系的相图A、B组成理想溶液组成理想溶液 四四.杠杆规则杠杆规则 液相线和气相线将液相线和气相线将T-x图分成图分成三个区域：三个区域：5.3 理想溶液两组分体系的相图A、B组成理想溶液组成理想溶液 四四.杠杆规则杠杆规则5.4 溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏 一.溶解与结晶 (1)固体溶质的溶解固体溶质的溶解 固体溶质放入溶剂中时，溶质固体溶质放入溶剂中时，溶质 表面的基本微利由于本身的振动和表面的基本微利由于本身的振动和受到溶剂分子的吸引，脱

15、离溶质表受到溶剂分子的吸引，脱离溶质表面并均匀扩散到溶剂中形成溶液。面并均匀扩散到溶剂中形成溶液。上述过程称为溶解。上述过程称为溶解。溴化锂溶解于水时整体表现溴化锂溶解于水时整体表现为放热。为放热。(2)溶解热溶解热 在溶解过程中往往伴随着热的在溶解过程中往往伴随着热的放出或吸收，此热为溶解热。放出或吸收，此热为溶解热。原应在于：原应在于：溶质离子扩散于溶剂要吸热；溶质离子扩散于溶剂要吸热；溶质离子与溶剂分子间结合成溶质离子与溶剂分子间结合成水合物则放热。水合物则放热。吸热大于放热时表现为吸热；吸热大于放热时表现为吸热；放热大于吸热时表现为放热。放热大于吸热时表现为放热。(3)溶解度溶解度 一

16、定温度下，一定量的溶剂一定温度下，一定量的溶剂只能最大溶解一定量的溶质，形只能最大溶解一定量的溶质，形成饱和溶液。成饱和溶液。饱和溶液中所含的溶质量为饱和溶液中所含的溶质量为该温度下的溶解度。该温度下的溶解度。通常用通常用100克溶剂中所含溶克溶剂中所含溶质的克数来表示。质的克数来表示。溶解度与质量分数不同；溶解度与质量分数不同；溶解度与温度关系密切，受溶解度与温度关系密切，受压力影响小。压力影响小。(4)结晶结晶 一定温度饱和溶液，当温度一定温度饱和溶液，当温度降低时，溶解度减小，溶液中有降低时，溶解度减小，溶液中有固体溶质晶体析出，此为结晶。固体溶质晶体析出，此为结晶。5.4 溶解与结晶、

17、吸收与解析、蒸馏与精馏 二.吸收与解析 主要针对气体溶质而言。主要针对气体溶质而言。(2)在温度为在温度为t2时，溶质时，溶质A在气在气相和液相中分别有相和液相中分别有 (1)在温度为在温度为t1时，溶质时，溶质A在气在气相和液相中分别有相和液相中分别有 A与与B组成溶液，组成溶液，A易挥发；易挥发；有有T-x图（图（p1=const）。）。(3)C1点溶液温度一下降为点溶液温度一下降为t2时，时，则则 溶液处于非平衡状态；溶液处于非平衡状态；在在p1,t2下处于平衡时的状态为下处于平衡时的状态为C2点；点；C1点的溶液吸收更多的点的溶液吸收更多的A来来实现在实现在C2点的新平衡。点的新平衡。

18、5.4 溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏 二.吸收与解析 主要针对气体溶质而言。主要针对气体溶质而言。(5)在吸收与解析过程中也经常在吸收与解析过程中也经常伴随着热量的交换。伴随着热量的交换。如氨蒸汽，被氨水溶液吸收时如氨蒸汽，被氨水溶液吸收时放出热量；放出热量；为使其吸收过程不断进行，则为使其吸收过程不断进行，则 要对氨水溶液不断地进行冷却；要对氨水溶液不断地进行冷却；反之，需不断加热。反之，需不断加热。(4)对对(p1，t2)下处于平衡时的下处于平衡时的C2点进行加热至平衡态点进行加热至平衡态C1，则，则 A与与B组成溶液，组成溶液，A易挥发；易挥发；有有T-x图（图（p1=const）

19、。）。三三.蒸馏与精馏蒸馏与精馏 在氨水吸收式制冷机中，氨在氨水吸收式制冷机中，氨水溶液在发生器解析出氨蒸汽；水溶液在发生器解析出氨蒸汽；它是氨蒸汽与水蒸汽的混合物。它是氨蒸汽与水蒸汽的混合物。利用精馏塔对其进行蒸馏和利用精馏塔对其进行蒸馏和精馏可得到纯度很高的氨蒸汽。精馏可得到纯度很高的氨蒸汽。在溴化锂吸收式制冷机中，在溴化锂吸收式制冷机中，溶液在发生器中解析出水蒸汽，溶液在发生器中解析出水蒸汽，不需要精馏塔。不需要精馏塔。5.4 溶解与结晶、吸收与解析、蒸馏与精馏 利用利用T-x图说明蒸馏与精馏。图说明蒸馏与精馏。(2)加热到加热到T1时，开始沸腾；时，开始沸腾；(1)组分组分A，初始点为

20、，初始点为M，其，其 温度为温度为TM，A的成分为的成分为x1；A与与B组成溶液，组成溶液，A易挥发；易挥发；有有T-x图（图（p1=const）。）。三三.蒸馏与精馏蒸馏与精馏 a.在在O点可产生与液相处于动点可产生与液相处于动态平衡的蒸汽态平衡的蒸汽;b.O点产生的蒸汽中，点产生的蒸汽中，A组分组分的成分为的成分为y1；c.y1x1，表明新产蒸汽中，表明新产蒸汽中A组组分的成分高于原溶液中的数值。分的成分高于原溶液中的数值。(3)继续加热到继续加热到T2时，可知时，可知 y2x2，表明，表明N点对应的蒸汽中点对应的蒸汽中A组分成分高于液相中的数值。组分成分高于液相中的数值。(4)将将MN过

21、程中产生的蒸汽过程中产生的蒸汽引出并加以冷凝，则得到比原来液引出并加以冷凝，则得到比原来液相中含有更多相中含有更多A组分的溶液。组分的溶液。溶液的蒸发、蒸汽的引出与溶液的蒸发、蒸汽的引出与冷凝过程称为蒸馏。冷凝过程称为蒸馏。(5)不断进行这样的加热、蒸不断进行这样的加热、蒸发、引出、冷凝过程，可得很纯的发、引出、冷凝过程，可得很纯的A组分组分精馏精馏。(6)引出蒸发后的液体再不断引出蒸发后的液体再不断进行蒸馏，则液体中的进行蒸馏，则液体中的A组分越来组分越来越少，最后可得很纯的越少，最后可得很纯的B组分。组分。5.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）在吸收式制冷中，溶液吸收蒸在吸收式制冷中，溶液

22、吸收蒸汽要放热，溶液释放出蒸气要吸收汽要放热，溶液释放出蒸气要吸收热量。热量。吸、放热的计算是这样的：吸、放热的计算是这样的：提出提出h-图的意义：图的意义：P=constP=const5.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）1.最简单的问题最简单的问题 先讨论溶液焓（先讨论溶液焓（h溶液溶液）与组分）与组分的比焓（的比焓（h1，h2）之间的关系。）之间的关系。一一.h-图上的等温线图上的等温线P=const (1)当放热当放热q=0时，有。时，有。5.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）一一.h-图上的等温线图上的等温线 看此线在看此线在T-x图上的表示：图上的表示：(2)对于放热对于放热q0时

23、，混合过程时，混合过程保持定温的实际情况：保持定温的实际情况：2.等温线群等温线群 温度变，温度变，h1、h2和和q同时改变，同时改变，得到不同位置的等温线。得到不同位置的等温线。5.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）一一.h-图上的等温线图上的等温线 c.位置的高低：位置的高低：在相同质量分数在相同质量分数和温度和温度T下，下，气相线和液相线差别很大。气相线和液相线差别很大。a.气相部分：气相部分：2.等温线群等温线群 b.液相部分：液相部分：因此，气相线高高在上。因此，气相线高高在上。5.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）二二.h-图上的等压饱和线图上的等压饱和线 (1)在在T-图上作出图

24、上作出T1线，得线，得 a、b二点；二点；它们可根据实验数据在它们可根据实验数据在h-图图上画出；上画出；也可从也可从T-图的等压线和图的等压线和h-图图上的等温线上的等温线联合得出。联合得出。等压饱和线包括等压饱和液等压饱和线包括等压饱和液线和等压饱和气线。线和等压饱和气线。看在看在h-图上作出图上作出p1=const的的两条等压线：两条等压线：在在T-图上作出图上作出T2线，得线，得 a、b二点；二点；(2)h-图上找到对应的各点；图上找到对应的各点；(3)h-图上连接图上连接a、a等得到等等得到等压饱和液线；压饱和液线；(4)h-图上连接图上连接b、b等得到等等得到等压饱和气线。压饱和气

25、线。5.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）三三.氨氨-水溶液的水溶液的h-图图 图的上半部为气态区图的上半部为气态区 1.氨氨-水溶液水溶液h-图分两个区图分两个区：图的下半部为饱和液态区图的下半部为饱和液态区 (1)给出了等压饱和气线，没给出了等压饱和气线，没有画出等温线。有画出等温线。(2)另给出了一组对应的辅助等另给出了一组对应的辅助等压线。压线。2.对应饱和气线和饱和液线之对应饱和气线和饱和液线之间的区域为处于两相平衡的间的区域为处于两相平衡的氨氨-水水 湿蒸汽区湿蒸汽区氨水饱和液氨水饱和液+氨水饱氨水饱和气共存和气共存(共有共有)的区域。的区域。(1)给出了等压饱和液线和等给出了等压

26、饱和液线和等温饱和液线；温饱和液线；(2)图上的一个点表示一个饱图上的一个点表示一个饱和液的状态。和液的状态。3.两相区两相区d点温度的求出点温度的求出Td=t35.5 两组分体系的焓-浓图（h-图）四四.溴化锂溴化锂-水溶液的水溶液的h-图图 1.溴化锂溴化锂-水溶液处于两相平水溶液处于两相平衡时，在气相区只有水蒸汽；衡时，在气相区只有水蒸汽；溴化锂水溶液溴化锂水溶液h-图的上部不图的上部不同于氨同于氨-水溶液的上部。水溶液的上部。2.在气相区溶质的在气相区溶质的=0；3.与液相平衡时的与液相平衡时的水蒸汽的焓水蒸汽的焓值都标在值都标在=0的纵坐标上。的纵坐标上。4.气相区有一组气相区有一组

27、辅助等压线辅助等压线，是为查找与液相处于平衡时的水蒸是为查找与液相处于平衡时的水蒸汽的焓值的。汽的焓值的。p-t图表明溴化锂饱和溶液中图表明溴化锂饱和溶液中压力压力p、温度温度t和和浓度浓度之间关系。之间关系。如查找与如查找与A点溶液处于两相平点溶液处于两相平衡时的蒸汽的焓值。衡时的蒸汽的焓值。五五.溴化锂溴化锂-水溶液的水溶液的p-t图图 p-t图、图、h-图、数据表、关图、数据表、关系式之间往往需要配合使用。系式之间往往需要配合使用。5.6 稳定流动下溶液的混合与节流 两股不同浓度的溶液混合成一两股不同浓度的溶液混合成一股溶液是装置中常见的现象。股溶液是装置中常见的现象。混合过程中遵循质量

28、守恒和能混合过程中遵循质量守恒和能量守恒。量守恒。一一.两股两组分溶液的绝热混合两股两组分溶液的绝热混合蒸发器冷凝器发生器吸收器324215754058%；63%；9744445.6 稳定流动下溶液的混合与节流蒸发器冷凝器发生器吸收器324215754058%；63%；9744445.6 稳定流动下溶液的混合与节流蒸发器冷凝器发生器吸收器324215754058%；63%；9744445.6 稳定流动下溶液的混合与节流蒸发器冷凝器发生器吸收器324215754058%；63%；974444 二二.两股两组分溶液的非绝热混合两股两组分溶液的非绝热混合5.6 稳定流动下溶液的混合与节流蒸发器冷凝器发生器吸收器324215754058%；63%；974444 三三.溶液的节流溶液的节流 节流就是溶液流动中因流通节流就是溶液流动中因流通界面突然变窄而引起压降的过程界面突然变窄而引起压降的过程或现象。或现象。节流过程中：节流过程中：流量、组分、浓度均不变；流量、组分、浓度均不变；节流过程可视为绝热过程。节流过程可视为绝热过程。四四.举例举例 吸收器，存在这溶液吸收蒸吸收器，存在这溶液吸收蒸汽、放热等过程。汽、放热等过程。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢