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化學與耐火材料熱力學研究報告十 -鄭州四季火耐

更新時間:2018-07-05作者:閱讀:

由U燃燒反應可知$每摩爾 L 6 與 !U完全燃燒時各需 化學中;8$+(U6 $計共需 E$+(U 6 空氣組成是 6Ei U 6 和 AHi @ 6 $6 和 U 6 的摩爾比為 / @ 6 k/ U 6 ^AHk6E$所以#說明需要空氣中 E$+(U6 時$就帶入 C;AD熱力學+(@ 6 由題意$L 6和 !U各為 E$+($用兩倍理論量的空氣燃燒時$U6 是 熱力學+($@ 6則是 6JC;AD6^A;8熱力學+(因此由本書后附錄查得#經整理后得由嘗試法解得# ,$EA6<d E<8Ee((.熱力學第二定律自然界進行的一切過程都遵守熱力學第一定律但不違背熱力學第一定律的過程未必能自發地發生所謂自發地發生就是指自動發生$即無需外力$不去管它$就可以發生的過程例如熱量總是由高溫物體自發地傳入低溫物體$直至溫度相等)它的逆過程即熱量自低溫物體流入高溫物體$不會自動進行氣體流動總是由高壓流向低壓$直至壓力相等水總是自發地從高處向低處流不同濃度的溶液倒在一起$會自動擴散$最后達到濃度均勻)而濃度均勻的溶液不會自動地變成濃度不均勻的溶液總之$一切自發變化或過程 >T+.2.#+5/T*+耐材#//(都有一定的變化方向與限度 即達到平衡狀態($不會自動地逆向進行$即都是不可逆過程這就是自發過程的共同特征人們對自發過程之所以特別感興趣$是因為一切自發過程在適當條件下可以用來為人類做功而非自發過程則必須依靠人類采取外力$消耗功才能進行蒸汽機的出現與發展推動了熱力學第二定律的建立蒸汽機是一種將燃料燃燒放出的熱轉化為機械功的裝置)水為工作介質$水在鍋爐中從高溫熱源 燃料燃燒(取得熱量$并汽化產生高溫高壓蒸汽$蒸汽在汽缸中絕熱膨脹推動活塞做功$其溫* I 6 *度!壓力同時降低$蒸汽在冷凝器中放出熱量給低溫熱源 冷卻介質($并冷凝為水$水經泵增壓$重新送入鍋爐蒸汽機出現后$人們自然希望最大限度地提高熱機的效率$即消耗最少的燃料能得到最大的機械功熱機效率能否無限地提高$即能否將燃料放出的熱全轉變為功$或者從單一熱源吸的熱量全部轉化為功如能將從單一熱源吸的熱量全部轉化為功$就能制造出一種永動機$這種永動機并不違背熱力學第一定律$但可以從海洋或大氣等巨大的單一熱源不斷吸取熱量來做功這種永動機稱為第二類永動機 >#耐材+.,S.,+0T#*T#25($+2+.$B耐材.#(經過長期實踐$證明這是不可能的$從而否定這些想法由此熱力學第二定律 >#耐材+.,(R+02#*$+,-.$耐材/(有了開爾文 Q;d#(_.(與克勞修斯 1;!(5/5/(兩種表述或說法圖 EBE3熱力學第二定律兩種說法等同性的說明E(克勞修斯說法#熱從低溫物體傳給高溫物體$而不產生其他變化是不可能的或者說$熱不能自動從低溫流向高溫6(開爾文說法#從一個熱源 熱儲器(吸熱$使之完全轉變為功$而不發生其他的變化是不可能的或者說$第二類永動機是不可能的克勞修斯的說法是指明熱傳導的不可逆性開爾文說法是指明功轉變為熱 或摩擦生熱(的過程的不可逆性這兩種說法實際上是一致的若克勞修斯說法不成立$則開爾文說法也不能成立熱力學第二定律兩種說法等同性的說明如圖 EBE所示其證明如下#如圖 EBE所示$假定和克勞修斯的說法相反$熱量 2E 能夠從溫度為 , E 的低溫熱源自動地傳給溫度為 ,6 的高溫熱源$今使一個蒸汽機在 ,6 和 , E 間工作$并使它傳給低溫熱源的熱量恰等于2E $則在循環過程的終了$凈的結果是蒸汽機從單一熱源 即溫度為 ,6 的熱* H 6 *源(吸取 26 的熱量$全部變為功$而沒有其他變化這就違反了開爾文的說法應指出利用海水表面與深海之間的溫度差來做功則是不違背熱力學第二定律的從上面熱力學第二定律的兩種說法可得出如下兩種重要的結論#E(當熱從高溫物體傳給低溫物體$或者功轉變為熱 例如摩擦生熱(后$將再也不能簡單地逆轉而完全復原了即在不引起其他變化或不產生其他影響的條件下$熱不能完全轉變為功因此能量還有一定品位或 ,質量-功的品位比熱高$高溫熱源傳遞的熱的品位比低溫熱源的高 E化學中化學中e的水與 <化學中e的水很不相同$E化學中化學中e的水可以傷人(能量的品位只可能自發地降低$而不能自發地升高6(熱從高溫物體傳給低溫物體是不可逆過程$則功轉化為熱也必定是不可逆過程((耐材可逆過程實際進行的過程都是不可逆過程 =**#_#*/O(#T*+耐材#//(可逆過程 1#_#*/O(#T*+耐材#//(是一種在無限接近平衡并且沒有摩擦力的條件下進行的過程)或者說在平衡條件下正逆方向都能任意進行的過程它是一個不可逆程度為零$作為基準而抽象出來的理想過程下面以理想氣體的等溫膨脹為例來說明設有一帶活塞的圓筒氣缸$內有壓力為 #E !體積為 $ E 的 /$+(理想氣體$放在一溫度為 ,的恒溫器中若活塞上的壓力突然減小$活塞就會向上突然一沖$圓筒內氣體會相當紊亂$這時氣缸內各處壓力會各不相同$體系內氣體的壓力不能確定$經過一定時間$逐漸分布均勻$到達最終穩定的數值 #6 !體積 $ 6 在這種情況下$雖然開始和最終狀態都可以在 #熱力學圖上用點表示出來$但體系在離開最初狀態之后$到達最終狀態之前的中間情* 化學中 C *況$卻無法在 #熱力學圖上表示出來假如不是突然使活塞上的壓力減小$而是使它以很小很小的 ,#逐漸緩慢地減少壓力 也可以想像為在活塞上取走一粒砂子就膨脹$放上一粒砂子就壓縮($使氣體緩慢!不斷膨脹$直至 #6 !$ 6 )其變化過程中不同時間的#!$就可以在 #熱力學圖上表示出來$這些點聯成的曲線就表示了變化過程)這樣的膨脹稱為可逆膨脹而前面的膨脹則為不可逆膨脹由于可逆過程這一概念在熱力學中十分重要$下面通過數值計算來進一步說明設一理想氣體從初態壓力 化學中;CYG!體積 EQ$恒溫膨脹至終態壓力 化學中;EYG!體積 CQ從初態到終態分別經過 C種不同途徑#E(使活塞外壓 #外一次減小到 化學中;EYG即在整個膨脹過程中氣體反抗的外壓均為 化學中;EYG$體系做功#即圖 EB6中矩形 8+:9的面積圖 EB63理想氣體恒溫膨脹功6(先使 #外 減小到 化學中;6YG$氣體反抗 化學中;6YG的外壓膨脹到體積為 E;8Q)然后再使外壓減小到 化學中;EYG$使氣體反抗* E C *化學中;EYG的外壓膨脹到體積 CQ體系做功#即圖 EB6中 A9=.和 -+:=二矩形面積之和C(在整個膨脹過程中$始終維持 #外 比氣體壓力 #小一無限小量 ,#下進行$即 #外 ^#K,#體系做功#略去二級無限小$以及將理想氣體在恒壓下$#$^#E $ E ^# 6 $ 6 代入上式得#這個功就是圖 EB6中 ).+曲線以下的面積 ).+:9比較以上 C種不同途徑的恒溫膨脹過程$可知途徑 C(所做的功最大現在再看使氣體復原的壓縮過程要使氣體壓縮$#外 至少必須比氣體壓力 #大 ,#若使整個壓縮過程始終維持##外 ^#],#$體積從 CQ壓縮回到 EQ$則此過程外界對體系做功為#這個功是使體系復原所需的最小功3 < 的絕對值與途徑C(的功 3 C 恰好相等而符號相反由此可知$途徑 C(的過* 6 C *程發生后$只要將途徑 C(的膨脹過程中所做的功貯存起來$則這些功恰好能夠使體系沿原途徑逆向進行$恢復原狀$而不給環境留下任何影響或痕跡途徑 C(整個過程可看成是由一系列極接近平衡的狀態的過程所構成$這種過程在經典熱力學中稱為準靜態過程 F5/B/22耐材T*+耐材#//(在沒有摩擦力的情況下$準靜態過程就是可逆過程而途徑 E(和 6(所做的功 3 E 和 3 6 都比恢復原狀 即初態(所需最小壓縮功 3< 的絕對值小)因此要使體系恢復原狀$必然外界要另外付出一定的能量才行)也就是說要給環境留下影響或痕跡綜合起來$可逆過程有如下特點#可逆過程是在作用力與阻力相差無限小的條件下進行的$過程進行極為緩慢$在過程進行的每一步$體系都接近平衡狀態$將條件稍微改變就能使過程方向逆向進行因此可逆過程發生后$可以使體系沿原途徑逆向進行恢復原來狀態在可逆過程中$體系做最大功可逆過程可用熱力學函數表示可逆過程是一種理想的極限過程可逆過程在熱力學中是極其重要的一種過程$一些重要熱力學函數值是通過可逆過程得到的在實際生活中$有些變化是與可逆過程接近的$例如氣B液平衡條件下液體的蒸發)固B液平衡條件下液體的結晶)原電池電動勢與外加電壓相差很小的情況下$電池的放電或充電等都可近似地看作可逆過程(((卡諾循環從熱力學第二定律知$從單一熱源吸熱$使之完全轉換為功的熱機是不可能造成的)也就是說$熱機至少需要兩個熱源即高溫熱儲器與低溫冷庫從高溫熱源 ,E 吸的熱 2 E 只能有一部分轉變為功 3$有一部分熱 26 必須傳給較低溫度的冷源 冷庫(

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