电场强化气液相变的热力学机理及特征规律

Vapor-liquid phase change is an effective heat and mass transfer process, and also the base of distillation. Experiments show that electric field can effectively promote these processes, but the related techniques are not broadly in use due to the ignorance of their physical mechanisms. The fundamental differential equations of thermodynamics are to be extended to include the properties of electric field by the introduction of polarized energy in internal energy. Then the theory of dielectric thermodynamics with the influence of electric field is set up, which includes the fundamental differential equations, Maxwell relations, criterion of phase equilibrium, and other equations, such as Gibbs-Duhem equation and Clapeyron equation. The relations of the equilibrium temperature, saturated vapor pressure, molar fractions of the components and the relative volatility of the vapor-liquid system with the electric properties are to be derived from the dielectric thermodynamics, which reveals the thermodynamic mechanism of phase change controlled by electric field. Theoretical and experimental studies are to be carried out to the specified processes of vapor-liquid equilibrium acted by external electric field for the specific substances, and the relations of the electric effects with the properties of the electric field and the properties of substances are summarized. The study of this proposal may greatly promote the development of thermodynamics and the heat and mass transfer enhanced by external field.

气液相变是一种高效传热传质过程，也是蒸馏分离的基础。实验表明，外加电场可以有效地强化气液相变过程，但缺乏对电场作用物理机制清晰的认识制约了电场强化技术的工程应用。本项目拟通过在内能微分式中引入电场极化功，扩展热力学基本微分方程；由此建立电介质热力学理论体系，包括含电场参量的基本微分方程、Maxwell关系式、平衡态判据以及Gibbs-Duhem和Clapeyron方程等其它热力学方程。利用电介质热力学理论导出气液平衡态的温度、饱和蒸汽压、组分的摩尔分数和相对挥发度等与外加电场的关系，阐明电场强化气液相变的热力学机理。对电场强化具体物系的气液相变过程进行理论分析和实验研究，揭示电场强化效果与电场特性、工质物性的关联关系。本项目对发展热力学理论、促进电场强化传热传质的理论研究及工程应用都具有十分重要的意义。

气液相变是一种高效传热传质过程，也是蒸馏分离的基础。有实验表明，电场可以有效地控制气液相变过程。基于能量公理和热力学第一定律，通过将电介质中静电场能量表达式引入热力学内能的微分式，推广了热力学基本微分方程，这是电介质热力学的基础。通过构建电场作用下电介质系统的熵函数，利用平衡态及其稳定性的熵判据导出了静电场作用下电介质气液平衡系统的平衡条件及稳定条件；平衡条件要求系统各相的温度、等效压强和等效化学势相等，稳定条件要求产生电场的电荷量与电势成正比。利用包含电场参量的热力学基本微分方程导出了静电场作用下系统的热容、温度、熵和热流量等随外场变化的计算公式；表明电偶极矩随外界温度变化是产生电热效应的基础，介电常数的温度变化率越大，电热效应越明显。利用齐次函数的欧拉定理以及重新定义Gibbs函数，导出了广义的Gibbs-Duhem方程；该方程包含了外场作用效果，提供了一种有效描述外场对热力学系统作用的方法。利用平衡态Helmholtz能判据，由系统的力学平衡条件导出了静电场作用下热力学系统的等效压强；当电场的方向平行于相界面时，介电常数较大的相的压强较大；当电场的方向垂直于相界面时，介电常数较大的相的压强较小。基于相平衡原理，利用电场作用下电介质化学势的表达式，推广了开尔文方程，将介电压强与广义开尔文方程结合，导出了静电场作用下的饱和蒸气压；利用电场改变蒸气压与电场作用方向有关的特点，设计了一种新型制冷装置。利用电场作用下的化学势和介电压强导出了广义拉乌尔定律，再结合分压定律导出了压强、温度、电场与组分摩尔分数间的关系方程；利用这个方程可以计算电场作用下的摩尔分数以及相对挥发度，电场可以改变组分的摩尔分数及相对挥发度，作用效果与混合物组分的特性及电场的作用方式有关。本项目研究揭示了电场控制气液相变的物理机制，丰富完善了电介质热力学，为电场控制气液相变技术的工程应用提供理论指导。