《Thermodynamics and Energy Conversion》

请叫我雷锋

《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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nvoe

很好啊
不过，技术基础读物需要看原版的？

火坑

nvoe 发表于 2017-10-16 18:20
很好啊
不过，技术基础读物需要看原版的？

当然有中文版更好啊
英文啃着好费劲

璀璨星空

谢谢。

jjj

Good book, thanks

o0o

谢谢

御锋

谢谢

御锋

好书

sanheiliu

谢谢雷锋同志！

真空能

非常好！非常感谢！