数学方法在物理化学课程中的应用研究——以循环关系用于偏导数简化运算为例

物理化学课程是化学、材料、环境等专业的一门重要基础课程,偏导数、全微分等数学知识贯穿着物理化学的各个章节,偏导数之间的简化运算与证明是热力学部分的重要内容.本文专门探讨循环关系用于偏导数的简化运算,并通过实例说明循环关系在简化热力学公式过程中的重要作用.     

基于热力学机理与生产数据挖掘相结合的受热面积灰程度的研究

为实现对燃煤锅炉各对流受热面的积灰程度的监测,以热力学为基础,对锅炉的燃烧特性、对流受热面的积灰特性及工质吸热特性进行热平衡机理分析,确定了表征受热面的积灰程度的特征参数。用相关性分析、回归分析和正态分布等方法对大量实际生产数据进行挖掘,得到了特征参数与积灰程度的关联特性,建立了描述受热面的积灰程度的数学模型。测试结果表明,该模型能较好地反映受热面的积灰程度,能为实现按需吹灰,节约能源提供参考。     

水氯镁石制备金属镁的过程集成与能量分析

以无水氯化镁和氧化镁作为中间产物，电解和热还原为两个关键方法，集成各种相关过程，构建了从水氯镁石到金属镁的综合过程网络，其中涉及24个物种、20个化学过程和25个工艺路线；建立了最低能耗分析模型用于简单和复合过程的能量分析；利用物质的标准生成焓和多温等压摩尔热容，计算得出全部反应过程及工艺过程的能量消耗和热量移除。结果表明基于还原法的最优路径是水氯镁石用石灰法转为氢氧化镁，进而煅烧成氧化镁，再铝热还原成金属镁，该过程能耗360.15 kJ/mol，放出热量–315.46 kJ/mol；基于电解法的最优路径是石灰乳法生成氢氧化镁，再煅烧成氧化镁，通过在熔融电解质中电解生成金属镁，该过程能耗738.54 kJ/mol，放出热量–135.42 kJ/mol。无水氯化镁制备耗能高，不在最优路径中。     

非共沸混合工质用于C-ORC系统的热力学分析

以低温烟气为热源,以R245fa、R152a及不同比例R245fa/R152a混合物为工质,提出新型的再热-抽汽-内回热联合有机朗肯循环(C-ORC)系统,基于美国NIST提供的制冷剂物性参数查询软件(REFPROP)及数学处理软件(MATLAB)混合编程,以净输出功和热效率为主要目标参数,分析系统性能随抽汽回热器出口温度、再热温度、不同比例混合工质的变化关系。结果表明,相同蒸发温度下纯工质R245fa的热力性能优于R152a,其最佳的抽汽回热器出口温度分别为70和55℃,抽汽回热器出口温度对系统的影响要大于再热温度的影响;混合工质分析中,在70℃抽汽回热器出口温度、105℃再热温度下,存在R245fa/R152a最佳质量分数比0.85/0.15,对应的净输出功为37.18 k W、热效率为18.52%、火用损为30.08 k W,其中蒸发器、冷凝器所占的火用损最大。     

等温滴定量热法探索酪蛋白磷酸肽单体与不同钙盐的相互作用

本研究探讨了在模拟小肠末端环境下酪蛋白磷酸肽（β-casein phosphopeptides(1-25)，简称CPP）与不同钙盐的相互作用情况。实验以等温滴定量热仪为方法，以热力学参数、化学计量数及亲和力常数为指标，评价不同钙盐与CPP的相互作用情况。结果表明，CPP与不同钙盐两两相互作用，且均为由熵驱动的自发反应（pH 8.0，37 ℃），该反应的主要推动力为离子相互作用力。不同钙盐与CPP反应时，焓变，熵变及自由能无明显差别（p>0.05），而化学计量数和亲和力常数存在显著性差异（p<0.05）。CPP与葡萄糖酸钙，乳酸钙和氯化钙相互作用时，化学计量数较高（3~4 mol/mol），而与天冬氨酸钙结合的化学计量数较低（2~3 mol/mol）。此外，相比其他钙盐，乳酸钙与CPP结合的亲和力常数最低。多肽与钙盐结合数高且亲和力较低时有利于小肠对钙的吸收。因此，相对于其他钙盐，CPP与乳酸钙结合可能更有利于小肠对钙的吸收。本研究为更好地了解CPP与不同钙盐溶液在模拟小肠末端环境下的热力学变化及结合情况奠定坚实的基础。     

新型表面活性剂柠檬酸单酯的溶液性能研究及其在凝胶油中的应用

凝胶油不仅在功能食品中得到广泛应用,而且在药物制剂、化妆品领域也有重要应用前景。本文通过直接酯化法合成了两种柠檬酸单酯,并对其作为凝胶因子性能进行了研究。利用表面张力仪、电导率仪以及动态光散射仪等方法对两种柠檬酸酯的溶液聚集行为和胶束形成热力学进行了分析。结果表明,25℃下,柠檬酸月桂醇单酯和柠檬酸异癸醇单酯的临界胶束浓度分别为3.30mmol/L和6.40 mmol/L。同时,研究了离子强度对胶束形成过程的影响,结果表明,无机盐不仅影响胶束聚集数,而且使得柠檬酸异癸醇单酯的胶束尺寸降低约100 nm,柠檬酸月桂醇单酯的胶束尺寸降低约200 nm。凝胶油性能研究结果表明,最低凝胶浓度为7%,溶胶-凝胶转变温度为45~53℃之间,两种柠檬酸酯均能与植物油形成凝胶。生物相容性研究结果表明,两种柠檬酸酯在浓度为200mg/L时对微生物生长没有显著影响,具有良好的生物相容性。     

应用M-MIVM预测含钛渣系组元活度

 在钢铁冶炼过程中,随着护炉钛材料和含钛铁矿石的应用,大量的含钛炉渣被生产出来。由于缺少多元含钛渣系的热力学数据,限制了钛资源综合利用技术的深入发展。因此,应用改进的分子相互作用体积模型(M-MIVM(FII)),预测了基础渣系Al₂O₃-CaO-SiO₂、FeO-MnO-SiO₂和含钛渣系FeO-MnO-TiO₂、FeO-SiO₂-TiO₂、MnO-SiO₂-TiO₂、Al₂O₃-CaO-FeO-TiO₂中各组元活度,并与试验值比较。结果表明,M-MIVM(FII)的预测值与试验值符合较好,6个体系总的平均相对误差为11%,该精度处于Turkdogan提出的30%以内的试验误差范围; M-MIVM(FII)在参数拟合与活度预测能力方面均优于MIVM,该模型对多元含钛熔渣体系组元活度具有更好的预测效果。在此基础上,应用M-MIVM(FII)预测Al₂O₃-CaO-SiO₂-TiO₂熔体中TiO₂活度,并分析其影响因素。结果表明,TiO₂活度预测值与试验值吻合良好,且随炉渣碱度、Al₂O₃含量的增加而降低,该规律与试验规律相一致。M-MIVM(FII)仅通过拟合子二元系活度或者直接由无限稀活度系数就能够预测多元熔体的热力学性质。     

FCM燃料堆内行为模拟及结构设计研究

本文采用二维特征模型模拟不同无燃料区厚度全陶瓷微封装弥散（FCM）燃料的热力学行为，在保证堆芯装载要求的条件下，研究不同结构FCM燃料SiC基体和包覆燃料颗粒SiC层的应力状态。通过优化无燃料区厚度，调整TRISO颗粒间的间距，保证无燃料区和SiC层同时具有较低的应力水平。分析了无燃料区厚度为100 ~ 500 μm时基体SiC、无燃料区以及SiC层的应力分布，结果表明，基体SiC和SiC层最大应力随无燃料区厚度增大而增大，而无燃料区的最大应力则随其厚度增大而降低。当无燃料区厚度为400 μm时，无燃料区和SiC层均处于较低的应力状态，无燃料区SiC基体应力约为400 MPa，而SiC层的最大环向应力约为200 MPa，其失效概率约为2.5×10-4。因此，当无燃料区厚度为400 μm时，FCM燃料既能维持芯块结构完整，又能保证SiC层具有较低的失效概率。结构优化为FCM燃料的应用提供了基础。      

太阳能光电/光热一体化技术及其应用进展研究

太阳能光电/光热一体化系统主要由光伏电池组件和太阳能集热器组成,可同时实现光伏发电和光热利用,从而有效地提高了太阳能的综合利用效率。文章首先从光伏组件和光热部件着手,分析了PV/T系统的结构和各项性能;然后,概述了目前常用的PV/T热水系统性能评估方法;最后,提出了在推广PV/T系统时还须解决的问题。