電場強化氣液相變的熱力學機理及特徵規律

《電場強化氣液相變的熱力學機理及特徵規律》是依託華南理工大學，由韓光澤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電場強化氣液相變的熱力學機理及特徵規律
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：韓光澤
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

氣液相變是一種高效傳熱傳質過程，也是蒸餾分離的基礎。實驗表明，外加電場可以有效地強化氣液相變過程，但缺乏對電場作用物理機制清晰的認識制約了電場強化技術的工程套用。本項目擬通過在內能微分式中引入電場極化功，擴展熱力學基本微分方程；由此建立電介質熱力學理論體系，包括含電場參量的基本微分方程、Maxwell關係式、平衡態判據以及Gibbs-Duhem和Clapeyron方程等其它熱力學方程。利用電介質熱力學理論導出氣液平衡態的溫度、飽和蒸汽壓、組分的摩爾分數和相對揮發度等與外加電場的關係，闡明電場強化氣液相變的熱力學機理。對電場強化具體物系的氣液相變過程進行理論分析和實驗研究，揭示電場強化效果與電場特性、工質物性的關聯關係。本項目對發展熱力學理論、促進電場強化傳熱傳質的理論研究及工程套用都具有十分重要的意義。

結題摘要

氣液相變是一種高效傳熱傳質過程，也是蒸餾分離的基礎。有實驗表明，電場可以有效地控制氣液相變過程。基於能量公理和熱力學第一定律，通過將電介質中靜電場能量表達式引入熱力學內能的微分式，推廣了熱力學基本微分方程，這是電介質熱力學的基礎。通過構建電場作用下電介質系統的熵函式，利用平衡態及其穩定性的熵判據導出了靜電場作用下電介質氣液平衡系統的平衡條件及穩定條件；平衡條件要求系統各相的溫度、等效壓強和等效化學勢相等，穩定條件要求產生電場的電荷量與電勢成正比。利用包含電場參量的熱力學基本微分方程導出了靜電場作用下系統的熱容、溫度、熵和熱流量等隨外場變化的計算公式；表明電偶極矩隨外界溫度變化是產生電熱效應的基礎，介電常數的溫度變化率越大，電熱效應越明顯。利用齊次函式的歐拉定理以及重新定義Gibbs函式，導出了廣義的Gibbs-Duhem方程；該方程包含了外場作用效果，提供了一種有效描述外場對熱力學系統作用的方法。利用平衡態Helmholtz能判據，由系統的力學平衡條件導出了靜電場作用下熱力學系統的等效壓強；當電場的方向平行於相界面時，介電常數較大的相的壓強較大；當電場的方向垂直於相界面時，介電常數較大的相的壓強較小。基於相平衡原理，利用電場作用下電介質化學勢的表達式，推廣了開爾文方程，將介電壓強與廣義開爾文方程結合，導出了靜電場作用下的飽和蒸氣壓；利用電場改變蒸氣壓與電場作用方向有關的特點，設計了一種新型製冷裝置。利用電場作用下的化學勢和介電壓強導出了廣義拉烏爾定律，再結合分壓定律導出了壓強、溫度、電場與組分摩爾分數間的關係方程；利用這個方程可以計算電場作用下的摩爾分數以及相對揮發度，電場可以改變組分的摩爾分數及相對揮發度，作用效果與混合物組分的特性及電場的作用方式有關。本項目研究揭示了電場控制氣液相變的物理機制，豐富完善了電介質熱力學，為電場控制氣液相變技術的工程套用提供理論指導。