如何设计所述题目的温度平衡方程？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-07-03 10:59 标签： 热平衡的题型怎么算

天然气水合物，俗称“可燃冰”，是一种开发潜力巨大的新型能源，广泛分布于海底沉积物中。水合物的相平衡条件指水合物与水稳定共存时的温度、压力条件，是水合物资源储量评估和开采工艺设计的依据。在孔隙介质中的水合物，由于受到基质吸力、孔隙溶液浓度的影响，其相平衡条件不同于纯水合物，国内外学者对此开展了大量的研究。

统计热力学模型改进得到，这类模型一般需要提供微观的孔径分布参数作为输入条件，且计算过程极为复杂。由于真实沉积物的孔隙形状多变，水合物在孔隙中与其它物质成分的接触方式无法准确探测，因此依据vdWP模型计算得到温度-压力平衡条件与宏观试验结果相差较大。另外，在实际水合物沉积物中，即使气体足量且沉积物温度-压力达到水合物生成条件，沉积物中的水也不能全部转化为水合物，仍有一部分液态水与水合物稳定共存。水合物沉积物中的液态水含量决定了沉积物的变形、渗透和传热等特性，对水合物资源开采有重要影响，而此前并没有一种模型考虑沉积物中液态水含量对温度、压力、浓度的依赖关系。

为了解决以上问题，中国科学院武汉岩土力学研究所科研人员考虑沉积物与孔隙水的物理化学作用，得到孔隙水化学势的准确表达形式，依据相平衡条件下水与水合物晶格化学势相等的条件得到了适用于水合物沉积物的广义相平衡方程，该方程将平衡温度偏移（纯水合物平衡温度与沉积物温度之差）、基质吸力、渗透压联系起来，极大地简化了水合物沉积物的相平衡计算。进一步，结合相平衡方程和水合物沉积物的土水特征曲线，得到了沉积物中未合水（Unhydrated water，意为尚未形成水合物的液态水）的含量与平衡温度偏移的关系，表达这种关系的曲线被称为“土的水合特征曲线（Soil hydration characteristic curve）”。如果将平衡温度偏移用温度和压力表示，土的水合特征曲线还能在“温度-压力-未合水含量”空间上展开形成一个相平衡曲面，任意平衡或近平衡条件下水合物沉积物热力学状态的变化则反映为相平衡曲面上的移动路径。

该研究得到国家自然科学基金的资助，相关成果发表于地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth，第一作者为武汉岩土所助理研究员周家作，通讯作者为研究员韦昌富。

图1 土的水合特征曲线

图2 未合水含量(w)在平衡条件下随温度(T)和压力(P)的变化曲线

图3 水合物沉积物相平衡面

来源：中国科学院武汉岩土力学研究所

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关于课程设计的几点说明

1.《化工原理课程设计》是我们学完《化工原理》理论课后，综合应用本门课

程和有关先修课程知识，完成以单元操作为主的一次设计实践，是体察工程实际问题复杂性的初次尝试，是综合性和实践性都较强的学习环节。

2.通过课程设计，希望大家：①初步掌握化工单元操作设计的基本方法和程序；

②学会查阅文献资料、搜集有关数据、正确选用公式；③培养理论联系实际

的正确设计思想，学会综合运用已学过的理论知识去分析和解决工程问题；

④培养准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算的能力；⑤提

高运用工程语言（简洁的文字、清晰的图表、正确的计算）表达设计思想和计算结果的能力。

考虑到设计时间比较短，我为大家准备了设计的步骤和计算方法，大家还应该查阅资料弄清楚计算的原理，当然，大家也可采用查到的其他方法完成本次设计。

3.请大家按学号在下表中找到自己的设计数据，填入设计任务书的空格内：

最后，祝大家顺利完成本次设计！

下载文档原格式(Word原格式，共14页)

1．如何使一个尚未破裂而被打瘪的乒乓球恢复原状？采用了什么原理？

答：将打瘪的乒乓球浸泡在热水中，使球的壁变软，球中空气受热膨胀，可使其恢复球状。采用的是气体热胀冷缩的原理。

2．在两个密封、绝热、体积相等的容器中，装有压力相等的某种理想气体。试问，这两容器中气体的温度是否相等？

答：不一定相等。根据理想气体状态方程，若物质的量相同，则温度才会相等。3．两个容积相同的玻璃球内充满氮气，两球中间用一根玻管相通，管中间有一汞滴将两边的气体分开。当左边球的温度为273K，右边球的温度为 293K时，汞滴处在中间达成平衡。试问： (1) 若将左边球的温度升高 10K，中间汞滴向哪边移动？ (2) 若将两个球的温度同时都升高 10K，中间汞滴向哪边移动？

答：（1）左边球的温度升高，气体体积膨胀，推动汞滴向右边移动。（2）两个球的温度同时都升高10K，汞滴仍向右边移动。因为左边球的起始温度低，升高 10K所占的比例比右边的大，283/273大于 303/293，所以膨胀的体积（或保持体积不变时增加的压力）左边的比右边的大。

4．在大气压力下，将沸腾的开水迅速倒入保温瓶中，达保温瓶容积的0.7左右，迅速盖上软木塞，防止保温瓶漏气，并迅速放开手。请估计会发生什么现象？

答：软木塞会崩出。这是因为保温瓶中的剩余气体被热水加热后膨胀，当与迅速蒸发的水汽的压力加在一起，大于外面压力时，就会使软木塞崩出。如果软木塞盖得太紧，甚至会使保温瓶爆炸。防止的方法是，在灌开水时不要灌得太快，且要将保温瓶灌满。

5．当某个纯的物质的气、液两相处于平衡时，不断升高平衡温度，这时处于平衡状态的气-液两相的摩尔体积将如何变化？

答：升高平衡温度，纯物质的饱和蒸汽压也升高。但由于液体的可压缩性较小，热膨胀仍占主要地位，所以液体的摩尔体积会随着温度的升高而升高。而蒸汽易被压缩，当饱和蒸汽压变大时，气体的摩尔体积会变小。随着平衡温度的不断升高，气体与液体的摩尔体积逐渐接近。当气体的摩尔体积与液体的摩尔体积相等时，这时的温度就是临界温度。6．Dalton分压定律的适用条件是什么？Amagat 分体积定律的使用前提是什么？

答：这两个定律原则上只适用于理想气体。Dalton分压定律要在混合气体的温度和体积不变的前提下，某个组分的分压等于在该温度和体积下单独存在时的压力。Amagat 分

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