化工熱力學(xué)課程介紹

1、化工熱力學(xué),熱力 學(xué)(thermodynamics)作為一門科學(xué)(science)誕生于19世紀(jì)，最初用于研究和描述蒸汽機(jī)(steam engine)的操作以及蒸汽機(jī)工作的極限，后來上升到熱機(jī)(heat engine)的研究和應(yīng)用?！盁崃W(xué)”名稱的本身就意味著“來自熱的能量”，因?yàn)閠hermo代表熱，dynamics代表動力。熱力學(xué)在研究熱機(jī)工作的基本原理過程中，總結(jié)、歸納出了著名的熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律沒有任何數(shù)學(xué)意義上的證明，它是自然界基本規(guī)律的總結(jié)，但迄今為止，沒有任何人對這二個(gè)定律提出異議（除了一些科學(xué)狂人），自然界發(fā)生的過程或出現(xiàn)的現(xiàn)象也都遵循

2、這二個(gè)定律,熱力學(xué)第一和第二定律奠定了熱力學(xué)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。從熱力學(xué)第一和第二定律出發(fā)，通過一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了一整套的熱力學(xué)公式，形成了完整的熱力學(xué)理論體系。這就是我們今天所認(rèn)識的熱力學(xué),伴隨熱力學(xué)科學(xué)的形成和發(fā)展，產(chǎn)生了一批著名的數(shù)學(xué)家和化學(xué)家，其中，貢獻(xiàn)最大的是美國數(shù)學(xué)家Josiah Willard Gibbs,Josiah Willard Gibbs (1839 - 1903,Josiah Willard Gibbs (1839 - 1903) has been reckoned as one of the greatest American scientists of the 19

3、th century. He provided a sound thermodynamic foundation to much of Physical Chemistry. “Gibbs Phase Rule” is well known to all in the field today. Yale educated, he was awarded the first Doctor of Engineering in the U.S., and was appointed Professor of Mathematical Physics at Yale in 1871. In 1873

4、he published his first major works, Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids. In 1876 came his most famous paper: On the Equilibrium of Heterogeneous Substances,一、為什么學(xué)化工熱力學(xué),化工熱力學(xué)與化學(xué)工程的關(guān)系,化學(xué)工程學(xué)科大致可分為兩大領(lǐng)域，即化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)物分離。化工工程師通常要面對兩個(gè)問題，一是如何設(shè)計(jì)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)路線合成所需要的產(chǎn)品，二是如何設(shè)計(jì)一個(gè)分離裝置將目的產(chǎn)物（aimed product）從化學(xué)反應(yīng)體系

5、中分離出來?；崃W(xué)提供解決這兩個(gè)問題所需要的理論知識,在化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域，化工工程師通常要解決以下的問題：用來合成目的產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)是否熱力學(xué)可行？是否動力學(xué)可行？熱力學(xué)可行主要指該反應(yīng)能否發(fā)生，如果能發(fā)生，目的產(chǎn)物的產(chǎn)量（the yield of the aimed product）是否可觀?；崃W(xué)課程中的熱力學(xué)第一、第二定律以及化學(xué)反應(yīng)平衡(chemical reaction equilibrium)理論就是用來解決化學(xué)反應(yīng)是否熱力學(xué)可行的問題,在產(chǎn)物分離領(lǐng)域，迄今為止，常見的分離過程有精餾(distillation)，萃取(extraction)，結(jié)晶（crystallization

6、）， 吸附（adsorption）等。化工工程師要會進(jìn)行這些分離過程以及分離裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算。而所有分離過程都與相平衡（phase equilibrium）有關(guān)，分離過程的設(shè)計(jì)和計(jì)算必須以相平衡理論為基礎(chǔ)。比如，精餾塔的塔高計(jì)算就是根據(jù)汽-液相平衡的研究結(jié)果完成的,另外，化工工程師還需要計(jì)算一個(gè)化工或物理過程需要的熱和功。化工熱力學(xué)提供了計(jì)算實(shí)際化工或物理過程需要的熱和功的方法（化工過程能量分析,化學(xué)平衡和相平衡理論是化工熱力學(xué)的重要內(nèi)容,化工熱力學(xué)在化學(xué)工程中兩個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域,一是應(yīng)用化工熱力學(xué)知識研究新興工業(yè)中不常見的混合物的相平衡規(guī)律，比如與生物大分子的分離系統(tǒng)有關(guān)的相平衡； 二是應(yīng)用化

7、工熱力學(xué)知識指導(dǎo)新產(chǎn)品的開發(fā)，比如控制藥物釋放的大分子的合成、具有優(yōu)異力學(xué)性能的高分子合金的設(shè)計(jì)等,化工熱力學(xué)面臨的問題,化工熱力學(xué)面臨的最大問題：理論研究多,實(shí)際應(yīng)用少,美國 University of California, Berkeley 的Prausnitz 教授是近代化工熱力學(xué)領(lǐng)域最著名的一位學(xué)者，下面引用他在論文 “Thermodynamics and Other Chemical Engineering Sciences: Old Models for New Chemical Products and Processes”（Fluid Phase Equilibria 158

8、-160,1999）中的一段話 ，說明目前化工熱力學(xué)存在的問題,Chemical engineering thermodynamics has many talented researchers working on a wide variety of projects. But all too often when I read erudite articles in the literature, the author seems to be saying: “I have an answer. But I dont know the question.” “Do the best wor

9、k in Thermodynamics that you possibly can and enjoy it thoroughly. But dont lose sight of the goal. Thermodynamics comes second. First comes Chemical Engineering.,John M. Prausnitz,Kenneth S. Pitzer (1914-1997,另一個(gè)近代熱力學(xué)著名學(xué)者,Kenneth S. Pitzer was born in Pomona, California, in 1914. He received his B.

10、S. in 1935 from Caltech and his Ph.D. in chemistry from UC Berkeley in 1937. He was immediately appointed to the faculty of the Department of Chemistry at Berkeley, where he spent most of his distinguished career. Professor Pitzer took leave to serve in Washington, D.C., during World War II and agai

11、n from 1949 to 1951, when he was Director of Research for the Atomic Energy Commission. Upon returning to Berkeley, he was appointed Dean of the College of Chemistry, a position that he held until 1960. He subsequently became President first of Rice University (1961-1968) and then of Stanford Univer

12、sity (1969-1971). In 1971, he returned to Berkeley, becoming Professor Emeritus in 1984,Professor Pitzer was the founder of modern theoretical chemistry at Berkeley. He not only used quantum and statistical mechanics to explain the thermodynamic and conformational properties of molecules, but he als

13、o pioneered quantum scattering theory for describing chemical reactions at the most fundamental level. He also made contributions to relativistic effects in chemical bonding and the theory of fluids and electrolyte solutions,二、化工熱力學(xué)的主要內(nèi)容,化工熱力學(xué)課程主要內(nèi)容,一是基本理論和基本概念?；纠碚摪崃W(xué)第一定律和第二定律；二是熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算?；崃W(xué)在化學(xué)

14、工程中的應(yīng)用主要是通過建立數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)的。熱力學(xué)性質(zhì)是數(shù)學(xué)模型中的主要模型參數(shù)，只有首先計(jì)算出這些參數(shù)，才能應(yīng)用模型解決問題；三是應(yīng)用。這部分內(nèi)容主要包括化工過程能量分析、相平衡理論和化學(xué)平衡理論,第一章緒論(Introduction): 介紹化工熱力學(xué)學(xué)科的主要內(nèi)容、研究方法以及基本概念,第二章流體的 p-V-T關(guān)系(The Volumetric Properties of Fluid): 講授真實(shí)流體的狀態(tài)方程和對比態(tài)原理及其應(yīng)用,第三章純流體熱力學(xué)性質(zhì)(The Thermodynamic Properties of Pure Fluids)：講授純流體熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算方法,第四章溶液熱

15、力學(xué)性質(zhì)(The Thermodynamic properties of Solutions)：講授溶液熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算方法,第五章化工過程能量分析(The Energy Analysis for Chemical Engineering Process):重點(diǎn)講授敞開體系的熱力學(xué)第一定律、熵與熵增原以及熵平衡,第六章蒸氣動力循環(huán)和制冷循環(huán)（Steam-power Cycle and Vapor-compression Refrigeration Cycle）：講授蒸氣動力循環(huán)和制冷循環(huán)的基本原理和主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算方法,第七章相平衡(Phase Equilibrium)：重點(diǎn)講授汽液相平衡(

16、Vapor-Liquid Equilibrium, VLE)的基本理論和計(jì)算,三、基本要求,1、掌握化工熱力學(xué)基本理論和基本概念；2、會進(jìn)行純物質(zhì)和混合物的熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算；3、會對化工過程進(jìn)行能量分析；4、會運(yùn)用化工熱力學(xué)基本理論對實(shí)際物理、化工過程出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析；5、會進(jìn)行簡單體系的相平衡計(jì)算,四、教材,1 J. M. Smith, H. C. Van Ness, and M. M. Abbott. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, Sixth Edition, McGraw-Hill Companies, Inc.，2001(雙語教學(xué)）;