分離過程中熱力學

1、關于分離過程中的熱力學第一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月熱力學是研究各種物理和化學現(xiàn)象的有力工具，同時也是研究分離過程中各種物理和化學變化的理論工具；分離過程中主要用熱力學理論討論和解決以下三方面的問題：研究分離過程中的能量、熱量與功的守恒和轉(zhuǎn)換問題。如在工業(yè)分離中，可通過熱力學中功能關系的研究降低分離過程的能量消耗，從而降低生產(chǎn)成本。通過研究分離過程中物質(zhì)的平衡與分布問題，結(jié)合分子間的相互作用與分子結(jié)構(gòu)關系的研究，選擇和建立高效分離體系，使分離過程朝著有利于分離的方向進行。通過熵、自由能、化學勢的變化來判斷分離過程進行的方向和限度。第二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2

2、.1 化學平衡“系統(tǒng)”與“環(huán)境”在物理化學中，將所研究的對象(物質(zhì)和空間)稱作系統(tǒng)(或體系)，而將系統(tǒng)以外有關的物質(zhì)和空間稱作環(huán)境。“系統(tǒng)”的分類封閉系統(tǒng)：只有能量得失，沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)敞開系統(tǒng)：既有能量得失，又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)孤立系統(tǒng)：既無能量得失，又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)平衡狀態(tài)類型熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)各部分以及環(huán)境的溫度相同，沒有由于溫度不等引起的能量傳遞；力平衡：系統(tǒng)內(nèi)各部分以及環(huán)境的各種力達到平衡，沒有由于力的不平衡引起坐標變化； 相平衡：相變化達到平衡，系統(tǒng)中各相之間沒有物質(zhì)的傳遞，每一相的組成與物質(zhì)數(shù)量不隨時間而變；化學平衡：化學反應達到平衡，沒有由于化學反應而產(chǎn)生的系統(tǒng)組成隨時間的變化。

3、第三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月為什么要研究分離過程中的平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)比較簡單；孤立體系都 有自發(fā)趨向平衡的趨勢，但速度可能相差較大；分離過程都需要對物質(zhì)進行輸運，物質(zhì)的輸運是在化學勢梯度驅(qū)動下組分移向平衡位置的一種形式；大多數(shù)分離過程的輸運速度比較快，是在非常接近平衡的狀態(tài)下完成的，因此，可近似地看成是在平衡狀態(tài)下完成的。第四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月封閉體系中的化學平衡熱力學第一定律和第二定律第五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月分離熵與混合熵混合熵(Smix

4、)是指將i種純組分混合，若各組分間無相互作用，則混合前后體系的熵變稱為混合熵變，簡稱混合熵；分離熵(Ssep)則是混合逆過程的熵變。兩種過程的始態(tài)和終態(tài)對應相反，即Ssep=- Smix對于絕熱體系中混合后形成均相的理想體系，若Smix0，則混合過程為自發(fā)過程；若Smix0，則混合過程為非自發(fā)過程。第八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月分開理想氣體或溶液需要做的最小功第十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月分離過程的自由能第十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月敞開體系的化學平衡

5、第十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月有外場存在時的化學平衡外場的作用提供外力幫助待分離組分進行輸運；利用外場對不同組分作用力的不同，造成或擴大待分離組分之間的化學勢差，起到促進分離的作用。外場分離技術(shù)舉例外場分離技術(shù)舉例電(磁)場電泳分離、磁力分離、質(zhì)譜濃度梯度(化學勢場)透析重力場沉降分離、重力過濾壓力梯度反滲透、過濾離心場離心分離、離心過濾溫度梯度(熱能)分子蒸餾常見外場與對應的分離技術(shù)第十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第

6、十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2 分配平衡現(xiàn)代分離過程大多是在兩個互不相溶的相中進行的，兩相界面的物理化學過程是影響分離的主要因素。兩相的組成可以完全由被分離物質(zhì)本身所組成，如蒸餾；但實際用于分析和制備的多數(shù)分離體系都是加入起載體作用的其他物質(zhì)為相，即兩相是由非試樣組分組成的，試樣組分在兩相間分配；分離就是利用被分離各組分在兩相間分配能力的不同而實現(xiàn)的；在分配平衡體系中，相的組成可以在很寬的范圍內(nèi)變化，這種相組成的變化必然引起不同物質(zhì)在兩相間分配系數(shù)大小的變化 ，分配平衡分離體系正是利用相組成的變化來擴大不同物質(zhì)在兩相間分配系數(shù)的差異，從而實現(xiàn)分離的；對化工分離，加入載體相

7、的情況不多，但對生化分離，加入載體相的情況就比較多。第十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月分配等溫線第二十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月分配定律第二十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月分離體系中物質(zhì)自發(fā)輸運方向是從化學勢高的相轉(zhuǎn)移到化學勢低的相；就某單一作用力而言，是從化學作用弱的相轉(zhuǎn)移至化學作用強的相；從分子間作用力弱的相轉(zhuǎn)移至作用力強的相；從外力場弱的相轉(zhuǎn)移至外力場強的相；從濃度高的相轉(zhuǎn)移至濃度低的相；從分離狀態(tài)變?yōu)榛旌蠣顟B(tài)；從有序狀態(tài)變成無序狀態(tài)。第二十四張

8、，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3 相平衡相平衡在分離中有著重要的理論意義和實際意義；相平衡是從熱力學的角度研究物質(zhì)從一種相(聚集態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌嗟囊?guī)律；物質(zhì)從一種聚集態(tài)變成另一種聚集態(tài)的過程稱為相變；引起相變的主要條件是溫度、壓力、溶劑和化學反應；相圖和相律是研究相平衡的兩種重要方法。相律：F=C-P+2 (C為體系中的獨立組分數(shù)，P為相的個數(shù)，F(xiàn)為自由度)常見的相平衡分離方法有溶解、蒸餾、結(jié)晶、凝結(jié)等。第二十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月單組分體系的氣-液相平衡單組分體系的相圖單組分的組分數(shù)C=1，所以F=3-P當相的個數(shù)P=1時，自由度F=2，即單相體系為一個雙

9、變量體系，溫度和壓力是兩個獨立的變量，在一定范圍內(nèi)可以同時任意選擇；當P=2時，F(xiàn)=1，即單組分兩相平衡體系只有一個獨立變量，不能任意選定一個溫度，同時又任意選定一個壓力，而仍舊保持兩相平衡；當P=3時，即三相共存時，F(xiàn)=0，為無變量體系，溫度和壓力都是確定的值，不能作任何選擇；因此，對于單組分體系則言，單相為一個區(qū)域，兩相共存為一條線，三相共存為一個點，單組分體系最多只可能三相共存。第二十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月雙組分體系的相平衡雙組分體系的相圖對于雙組分體系，C=2，根據(jù)相律F=4-P；因為體系至少有一個相，所以自由度F最多為3，即體系的狀態(tài)可以由三個獨立的變量決定，通常這三個變量為溫度、壓力和組成；因此，要完整描述雙組分體系的相平衡關系，要用以這三個變量為坐標的立體相圖；由于雙組分體系通常保持一個變量為常量，如保持壓力不變，當兩相處理平衡狀態(tài)時，相圖就是一個溫度和組成的關系圖，只需要取某個組分在一個相中的摩爾分數(shù)和溫度作為獨立變量即可；對于理想的雙組分液態(tài)混合物，根據(jù)這兩種液態(tài)純物質(zhì)在不同溫度下的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，即可計算并畫出雙組分體系的溫度-組成圖。第二