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《Thermodynamics and Energy Conversion》
热力学与能量转换
作者:
Henning Struchtrup
Dept. Mechanical Engineering
University of Victoria
出版社:Springer
出版时间:2014年
《Thermodynamics and Energy Conversion》
《Thermodynamics and Energy Conversion》
《Thermodynamics and Energy Conversion》
《Thermodynamics and Energy Conversion》
目录:
1 Introduction: Why Thermodynamics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Energy and Work in Our World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Mechanical and Thermodynamical Forces . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Systems, Balance Laws, Property Relations . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Thermodynamics as Engineering Science . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Thermodynamic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Systems, States, and Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 The Closed System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Micro and Macro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Mechanical State Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Extensive and Intensive Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Specific Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Molar Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7 Inhomogeneous States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.8 Processes and Equilibrium States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.9 Quasi-static and Fast Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.10 Reversible and Irreversible Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.11 Temperature and the Zeroth Law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.12 Thermometers and Temperature Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.13 Gas Temperature Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.14 Thermal Equation of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.15 Ideal Gas Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.16 A Note on Problem Solving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.17 Example: Air in a Room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.18 Example: Air in a Refrigerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.19 More on Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Total Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5 Internal Energy and the Caloric Equation of State . . . . . . . 36
3.6 Work and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.7 Exact and Inexact Differentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.8 Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.9 The First Law for Reversible Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.10 The Specific Heat at Constant Volume . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.11 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.12 Example: Equilibration of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.13 Example: Uncontrolled Expansion of a Gas . . . . . . . . . . . . . 46
3.14 Example: Friction Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.15 Example: Heating Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 The Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1 The Second Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Entropy and the Trend to Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Entropy Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Entropy in Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5 Entropy as Property: The Gibbs Equation . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 T-S-Diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 The Entropy Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.8 The Direction of Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.9 Internal Friction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.10 Newton’s Law of Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.11 Zeroth Law and Second Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.12 Example: Equilibration of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.13 Example: Uncontrolled Expansion of a Gas . . . . . . . . . . . . . 69
4.14 What Is Entropy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.15 Entropy and Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.16 Entropy and Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.17 The Entropy Flux Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5 Energy Conversion and the Second Law . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.1 Energy Conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Heat Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 The Kelvin-Planck Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4 Refrigerators and Heat Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5 Kelvin-Planck and Clausius Statements . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.6 Thermodynamic Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.7 Perpetual Motion Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.8 Reversible and Irreversible Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.9 Internally and Externally Reversible Processes . . . . . . . . . . 93
5.10 Irreversibility and Work Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.11 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Properties and Property Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1 State Properties and Their Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3 Phase Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4 p-v- and T-s-Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.5 Saturated Liquid-Vapor Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.6 Identifying States. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.7 Example: Condensation of Saturated Steam . . . . . . . . . . . . . 115
6.8 Superheated Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.9 Compressed Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.10 The Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.11 Monatomic Gases (Noble Gases) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.12 Specific Heats and Cold Gas Approximation . . . . . . . . . . . . 126
6.13 Real Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.14 Fully Incompressible Solids and Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7 Reversible Processes in Closed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.1 Standard Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2 Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3 Isochoric Process: v = const., dv = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4 Isobaric Process: p = const., dp = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.5 Isentropic Process: q12 = δq = ds = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.6 Isothermal Process: T = const, dT = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.7 Polytropic Process (Ideal Gas): pvn = const . . . . . . . . . . . . 138
7.8 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.9 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8 Closed System Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.1 Thermodynamic Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.3 Carnot Refrigeration Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.4 Internal Combustion Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.5 Otto Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.6 Example: Otto Cycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8.7 Diesel Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.8 Example: Diesel Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.9 Dual Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.10 Atkinson Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9 OpenSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.1 Flows in Open Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.2 Conservation of Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.3 Flow Work and Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.4 Entropy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.5 Open Systems in Steady State Processes . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.6 One Inlet, One Exit Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.7 Entropy Generation in Mass Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.8 Adiabatic Compressors, Turbines and Pumps . . . . . . . . . . . 186
9.9 Heating and Cooling of a Pipe Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.10 Throttling Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.11 Adiabatic Nozzles and Diffusers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.12 Isentropic Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.13 Summary: Open System Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
9.14 Examples: Open System Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
9.15 Closed Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
9.16 Open Heat Exchangers: Adiabatic Mixing . . . . . . . . . . . . . . 201
9.17 Examples: Heat Exchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10 Basic Open System Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.1 Steam Turbine: Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.2 Example: Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.3 Vapor Refrigeration/Heat Pump Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . 216
10.4 Example: Vapor Compression Refrigerator . . . . . . . . . . . . . . 218
10.5 Gas Turbine: Brayton Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
10.6 Example: Brayton Cycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.7 Gas Refrigeration System: Inverse Brayton Cycle . . . . . . . . 226
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11 Efficiencies and Irreversible Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
11.1 Irreversibility and Work Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
11.2 Reversible Work and Second Law Efficiency . . . . . . . . . . . . . 237
11.3 Example: Carnot Engine with External Irreversibility . . . 239
11.4 Example: Space Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
11.5 Example: Entropy Generation in Heat Transfer . . . . . . . . . . 244
11.6 Work Potential of a Flow (Exhaust Losses) . . . . . . . . . . . . . 245
11.7 Heat Engine Driven by Hot Combustion Gas . . . . . . . . . . . 246
11.8 Exergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
12 Vapor Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
12.1 Boiler Exhaust Regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
12.2 Regenerative Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
12.3 Example: Steam Cycles with Feedwater Heaters . . . . . . . . . 266
12.4 Cogeneration Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
12.5 Refrigeration Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.6 Linde Method for Gas Liquefaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13 Gas Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.1 Stirling Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.2 Ericsson Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
13.3 Compression with Intercooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.4 Gas Turbine Cycles with Regeneration and Reheat . . . . . . 300
13.5 Brayton Cycle with Intercooling and Reheat . . . . . . . . . . . . 303
13.6 Combined Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.7 The Solar Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
13.8 Simple Chimney . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
13.9 Aircraft Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
14 Compressible Flow: Nozzles and Diffusers . . . . . . . . . . . . . . . 327
14.1 Sub- and Supersonic Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
14.2 Speed of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
14.3 Speed of Sound in an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
14.4 Area-Velocity Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
14.5 Nozzle Flows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
14.6 Converging Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
14.7 Example: Safety Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14.8 Laval Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
14.9 Rockets, Ramjet and Scramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
14.10 Example: Ramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15 Transient and Inhomogeneous Processes
in Open Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.2 Heat Exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3 Heating of a House . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
15.4 Reversible Filling of an Adiabatic Container . . . . . . . . . . . . 355
15.5 Reversible Discharge from an Adiabatic Container . . . . . . . 357
15.6 Reversible Discharge after Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
15.7 Reversible Filling of a Gas Container with Heat
Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
15.8 CAES: Compressed Air Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . 362
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
16 More on Property Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
16.1 Measurability of Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
16.2 Thermodynamic Potentials and Maxwell Relations . . . . . . . 371
16.3 Two Useful Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
16.4 Relation between Specific Heats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
16.5 Measurement of Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
16.6 Example: Gibbs Free Energy as Potential . . . . . . . . . . . . . . . 380
16.7 Compressibility, Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
16.8 Example: Van der Waals Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
16.9 Joule-Thomson Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
16.10 Example: Inversion Curve for the Van der Waals Gas . . . . 388
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
17 Thermodynamic Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
17.1 Equilibrium Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
17.2 Equilibrium in Isolated Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
17.3 Barometric and Hydrostatic Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.4 Thermodynamic Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.5 Equilibrium in Non-isolated Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
17.6 Interpretation of the Barometric Formula . . . . . . . . . . . . . . . 401
17.7 Equilibrium in Heterogeneous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
17.8 Phase Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
17.9 Example: Phase Equilibrium for the Van der Waals
Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
17.10 Clapeyron Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
17.11 Example: Estimate of Heat of Evaporation . . . . . . . . . . . . . . 408
17.12 Example: Ice Skating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
18 Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
18.2 Mixture Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
18.3 Example: Composition and Molar Mass of Air . . . . . . . . . . 416
18.4 Mixture Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
18.5 Mixing Volume, Heat of Mixing and Entropy of Mixing . . . 418
18.6 Ideal Gas Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
18.7 Energy, Enthalpy and Specific Heats for Ideal Gases . . . . . 421
18.8 Entropy of Mixing for Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
18.9 Gibbs Paradox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
18.10 Example: Isentropic Expansion through a Nozzle . . . . . . . . 423
18.11 Example: Isochoric Mixing of Two Gases at
Different p, T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
18.12 Ideal Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
18.13 Entropy of Mixing and SeparationWork. . . . . . . . . . . . . . . . 428
18.14 Non-ideal Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
19 Psychrometrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
19.1 Characterization of Moist Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
19.2 Dewpoint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
19.3 Adiabatic Saturation and Wet-Bulb Temperature . . . . . . . . 436
19.4 Psychrometric Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
19.5 Dehumidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
19.6 Humidification with Steam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
19.7 Evaporative Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
19.8 Adiabatic Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
19.9 Cooling Towers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
19.10 Example: Cooling Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
20 The Chemical Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
20.1 Definition and Interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
20.2 Properties of the Chemical Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
20.3 Gibbs and Gibbs-Duhem Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
20.4 Mass Based Chemical Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
20.5 The Chemical Potential for an Ideal Mixture . . . . . . . . . . . . 460
20.6 The Chemical Potential for an Ideal Gas Mixture . . . . . . . . 460
20.7 The Chemical Potential as Driving Force for Mass
Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
21 Mixing and Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
21.1 Osmosis and Osmotic Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
21.2 Osmotic Pressure for Dilute Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
21.3 Example: Pfeffer Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
21.4 Desalination in a Continuous Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
21.5 Reversible Mixing: Osmotic Power Generation. . . . . . . . . . . 474
21.6 Example: Desalination in Piston-Cylinder Device . . . . . . . . 477
21.7 Example: Removal of CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
22 Phase Equilibrium in Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
22.1 Phase Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
22.2 Gibbs’ Phase Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
22.3 Liquid-Vapor-Mixtures: Idealized Raoult’s Law . . . . . . . . . 494
22.4 Phase Diagrams for Binary Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
22.5 Distillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
22.6 Saturation Pressure and Temperature of a Solvent . . . . . . . 498
22.7 Freezing of a Liquid Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
22.8 Non-ideal Mixtures: Activity and Fugacity . . . . . . . . . . . . . . 502
22.9 A Simple Model for Heat of Mixing and Activity . . . . . . . . 504
22.10 Gas Solubility: Henry’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
22.11 Phase Diagrams with Azeotropes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
23 Reacting Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
23.1 Stoichiometric Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
23.2 Mass and Mole Balances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
23.3 Heat of Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
23.4 Heating Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
23.5 Enthalpy of Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
23.6 The Third Law of Thermodynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
23.7 The Third Law and Absolute Zero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
23.8 Law of Mass Action. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
23.9 Law of Mass Action for Ideal Mixtures and Ideal Gases . . . 524
23.10 Example: NH3 Production (Haber-Bosch Process) . . . . . . . 526
23.11 Le Chatelier Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
23.12 Multiple Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
24 Activation of Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
24.1 Approaching Chemical Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
24.2 Reaction Rates and the Chemical Constant . . . . . . . . . . . . . 536
24.3 Gibbs Free Energy of Activation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
24.4 Entropy Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
25 Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
25.1 Fuels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
25.2 Combustion Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
25.3 Example: Mole and Mass Flow Balances . . . . . . . . . . . . . . . 542
25.4 Example: ExhaustWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
25.5 First and Second Law for Combustion Systems . . . . . . . . . . 545
25.6 Adiabatic Flame Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
25.7 Example: Adiabatic Flame Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . 546
25.8 Closed System Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
25.9 Example: Closed System Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
25.10 Entropy Generation in Closed System Combustion . . . . . . . 548
25.11 Work Potential of a Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
25.12 Example: Work Losses in a CH4 Fired Steam
Power Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
26 Thermodynamics of Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
26.1 Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
26.2 Fuel Cell Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
26.3 Fuel Cell Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
26.4 Nernst Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
26.5 Mass Transfer Losses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
26.6 Resistance Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
26.7 Activation Overpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
26.8 Voltage/Current and Power/Current Diagrams . . . . . . . . . . 580
26.9 Crossover Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
26.10 Electrolyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
26.11 Hydrogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
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