化工熱力學(xué)課程介紹課件

ChemicalEngineeringThermodynamics江成發(fā)教授、博士《化工熱力學(xué)》四川大學(xué)化工學(xué)院

Email:jiangcf1yahooChemicalEngineeringThermodyn1

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)(steamengine)的操作以及蒸汽機(jī)工作的極限，后來上升到熱機(jī)(heatengine)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)(thermodynamics)作為2

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)象也都遵循這二個(gè)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)3

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JosiahWillardGibbs。熱力學(xué)第一和第二定律奠定了熱力學(xué)科學(xué)的理論4JosiahWillardGibbs(1839-1903)JosiahWillardGibbs(1839-15

JosiahWillardGibbs(1839-1903)hasbeenreckonedasoneofthegreatestAmericanscientistsofthe19thcentury.HeprovidedasoundthermodynamicfoundationtomuchofPhysicalChemistry.“Gibbs’PhaseRule”iswellknowntoallinthefieldtoday.Yaleeducated,hewasawardedthefirstDoctorofEngineeringintheU.S.,andwasappointedProfessorofMathematicalPhysicsatYalein1871.In1873hepublishedhisfirstmajorworks,"GraphicalMethodsintheThermodynamicsofFluids".In1876camehismostfamouspaper:"OntheEquilibriumofHeterogeneousSubstances."JosiahWillardGibbs(186一、為什么學(xué)《化工熱力學(xué)》？一、為什么學(xué)《化工熱力學(xué)》？7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?；すこ處熗ǔＲ鎸蓚€(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（aimedproduct）從化學(xué)反應(yīng)體系中分離出來?；崃W(xué)提供解決這兩個(gè)問題所需要的理論知識?；崃W(xué)與化學(xué)工程的關(guān)系化學(xué)工程學(xué)科大致可8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（theyieldoftheaimedproduct）是否可觀?！痘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(chemicalreactionequilibrium)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。在化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域，化工工程師通常要解決以下的問9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），

吸附（adsorption）等?；すこ處熞獣M(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（phaseequilibrium）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。在產(chǎn)物分離領(lǐng)域，迄今為止，常見的分離過程有精10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?；崃W(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）?；瘜W(xué)平衡和相平衡理論是《化工熱力學(xué)》的重要內(nèi)容。另外，化工工程師還需要計(jì)算一個(gè)化工或物理過程需11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?；崃W(xué)在化學(xué)工程中兩個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域一是應(yīng)12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UniversityofCalifornia,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“ThermodynamicsandOtherChemicalEngineeringSciences:OldModelsforNewChemicalProductsandProcesses”（FluidPhaseEquilibria158-160,2019）中的一段話，說明目前化工熱力學(xué)存在的問題。化工熱力學(xué)面臨的問題化工熱力學(xué)面臨的最大問13

“Chemicalengineeringthermodynamicshasmanytalentedresearchersworkingonawidevarietyofprojects.ButalltoooftenwhenIreaderuditearticlesintheliterature,theauthorseemstobesaying:“Ihaveananswer.ButIdon’tknowthequestion.”“DothebestworkinThermodynamicsthatyoupossiblycanandenjoyitthoroughly.Butdon’tlosesightofthegoal.Thermodynamicscomessecond.FirstcomesChemicalEngineering.”

“Chemicalengineeringther14JohnM.PrausnitzJohnM.Prausnitz15KennethS.Pitzer(1914-2019)另一個(gè)近代熱力學(xué)著名學(xué)者KennethS.Pitzer(1914-2019)另16

KennethS.PitzerwasborninPomona,California,in1914.HereceivedhisB.S.in1935fromCaltechandhisPh.D.inchemistryfromUCBerkeleyin1937.HewasimmediatelyappointedtothefacultyoftheDepartmentofChemistryatBerkeley,wherehespentmostofhisdistinguishedcareer.ProfessorPitzertookleavetoserveinWashington,D.C.,duringWorldWarIIandagainfrom1949to1951,whenhewasDirectorofResearchfortheAtomicEnergyCommission.UponreturningtoBerkeley,hewasappointedDeanoftheCollegeofChemistry,apositionthathehelduntil1960.HesubsequentlybecamePresidentfirstofRiceUniversity(1961-1968)andthenofStanfordUniversity(1969-1971).In1971,hereturnedtoBerkeley,becomingProfessorEmeritusin1984.KennethS.Pitzerwasbor17

ProfessorPitzerwasthefounderofmoderntheoreticalchemistryatBerkeley.Henotonlyusedquantumandstatisticalmechanicstoexplainthethermodynamicandconformationalpropertiesofmolecules,buthealsopioneeredquantumscatteringtheoryfordescribingchemicalreactionsatthemostfundamentallevel.Healsomadecontributionstorelativisticeffectsinchemicalbondingandthetheoryoffluidsandelectrolytesolutions.ProfessorPitzerwasth18二、《化工熱力學(xué)》的主要內(nèi)容二、《化工熱力學(xué)》的主要內(nèi)容19《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。化工熱力學(xué)在化學(xué)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?！痘崃W(xué)》課程主要內(nèi)容一是基本理論和20

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。第一章緒論(Introduction):介紹化工熱21第二章流體的p-V-T關(guān)系(TheVolumetricPropertiesofFluid):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。第二章流體的p-V-T關(guān)系(TheVol22第三章純流體熱力學(xué)性質(zhì)(TheThermodynamicPropertiesofPureFluids)：講授純流體熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算方法。第三章純流體熱力學(xué)性質(zhì)(TheThermo23第四章溶液熱力學(xué)性質(zhì)(TheThermodynamicpropertiesofSolutions)：講授溶液熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算方法。第四章溶液熱力學(xué)性質(zhì)(TheThermod24第五章化工過程能量分析(TheEnergyAnalysisforChemicalEngineeringProcess):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。第五章化工過程能量分析(TheEnergy25

第六章蒸氣動力循環(huán)和制冷循環(huán)（Steam-powerCycleandVapor-compressionRefrigerationCycle）：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。第六章蒸氣動力循環(huán)和制冷循環(huán)（S26第七章相平衡(PhaseEquilibrium)：重點(diǎn)講授汽液相平衡(Vapor-LiquidEquilibrium,VLE)的基本理論和計(jì)算。第七章相平衡(PhaseEquilibriu27三、基本要求三、基本要求281、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。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29四、教材四、教材30[1]J.M.Smith,H.C.VanNess,andM.M.Abbott.IntroductiontoChemicalEngineeringThermodynamics,SixthEdition,McGraw-HillCompanies,Inc.，2019(雙語教學(xué)）;

[2]顧飛燕、陳鐘秀,化工熱力學(xué)(第二版),化學(xué)工業(yè)出版社，2019。[1]J.M.Smith,H.C.VanNes31五、參考資料五、參考資料32[1]J.M.史密斯、H.C.范奈司,化工熱力學(xué)導(dǎo)論，第三版，化學(xué)工業(yè)出版社，1982;

[2]金克新、趙傳鈞、馬沛生,化工熱力學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，1990;

[3]李胳,化工熱力學(xué)，石油化工出版社，1985。[1]J.M.史密斯、H.C.范奈司,化工熱力學(xué)33六、學(xué)好《化工熱力學(xué)》必備的基本條件六、學(xué)好《化工熱力學(xué)》必備的基本條件341、較好的物理化學(xué)基礎(chǔ)；

2、較強(qiáng)的微積分應(yīng)用能力；

3、較強(qiáng)的邏輯推理能力。1、較好的物理化學(xué)基礎(chǔ)；

2、較強(qiáng)的微積分應(yīng)用能力；

3、較35七、考試與成績評定考試形式：開卷成績評定：期末考試成績占70%，平時(shí)成績占30%。七、考試與成績評定考試形式：開卷成績評定：期末考試成績占7036Q&AQ&A37ChemicalEngineeringThermodynamics江成發(fā)教授、博士《化工熱力學(xué)》四川大學(xué)化工學(xué)院

Email:jiangcf1yahooChemicalEngineeringThermodyn38

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)(steamengine)的操作以及蒸汽機(jī)工作的極限，后來上升到熱機(jī)(heatengine)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)(thermodynamics)作為39

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)象也都遵循這二個(gè)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)40

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JosiahWillardGibbs。熱力學(xué)第一和第二定律奠定了熱力學(xué)科學(xué)的理論41JosiahWillardGibbs(1839-1903)JosiahWillardGibbs(1839-142

JosiahWillardGibbs(1839-1903)hasbeenreckonedasoneofthegreatestAmericanscientistsofthe19thcentury.HeprovidedasoundthermodynamicfoundationtomuchofPhysicalChemistry.“Gibbs’PhaseRule”iswellknowntoallinthefieldtoday.Yaleeducated,hewasawardedthefirstDoctorofEngineeringintheU.S.,andwasappointedProfessorofMathematicalPhysicsatYalein1871.In1873hepublishedhisfirstmajorworks,"GraphicalMethodsintheThermodynamicsofFluids".In1876camehismostfamouspaper:"OntheEquilibriumofHeterogeneousSubstances."JosiahWillardGibbs(1843一、為什么學(xué)《化工熱力學(xué)》？一、為什么學(xué)《化工熱力學(xué)》？44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?；すこ處熗ǔＲ鎸蓚€(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（aimedproduct）從化學(xué)反應(yīng)體系中分離出來?；崃W(xué)提供解決這兩個(gè)問題所需要的理論知識。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45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（theyieldoftheaimedproduct）是否可觀。《化工熱力學(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(chemicalreactionequilibrium)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。在化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域，化工工程師通常要解決以下的問46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），

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（phaseequilibrium）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。在產(chǎn)物分離領(lǐng)域，迄今為止，常見的分離過程有精47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?；崃W(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）?；瘜W(xué)平衡和相平衡理論是《化工熱力學(xué)》的重要內(nèi)容。另外，化工工程師還需要計(jì)算一個(gè)化工或物理過程需48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?；崃W(xué)在化學(xué)工程中兩個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域一是應(yīng)49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UniversityofCalifornia,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“ThermodynamicsandOtherChemicalEngineeringSciences:OldModelsforNewChemicalProductsandProcesses”（FluidPhaseEquilibria158-160,2019）中的一段話，說明目前化工熱力學(xué)存在的問題?；崃W(xué)面臨的問題化工熱力學(xué)面臨的最大問50

“Chemicalengineeringthermodynamicshasmanytalentedresearchersworkingonawidevarietyofprojects.ButalltoooftenwhenIreaderuditearticlesintheliterature,theauthorseemstobesaying:“Ihaveananswer.ButIdon’tknowthequestion.”“DothebestworkinThermodynamicsthatyoupossiblycanandenjoyitthoroughly.Butdon’tlosesightofthegoal.Thermodynamicscomessecond.FirstcomesChemicalEngineering.”

“Chemicalengineeringther51JohnM.PrausnitzJohnM.Prausnitz52KennethS.Pitzer(1914-2019)另一個(gè)近代熱力學(xué)著名學(xué)者KennethS.Pitzer(1914-2019)另53

KennethS.PitzerwasborninPomona,California,in1914.HereceivedhisB.S.in1935fromCaltechandhisPh.D.inchemistryfromUCBerkeleyin1937.HewasimmediatelyappointedtothefacultyoftheDepartmentofChemistryatBerkeley,wherehespentmostofhisdistinguishedcareer.ProfessorPitzertookleavetoserveinWashington,D.C.,duringWorldWarIIandagainfrom1949to1951,whenhewasDirectorofResearchfortheAtomicEnergyCommission.UponreturningtoBerkeley,hewasappointedDeanoftheCollegeofChemistry,apositionthathehelduntil1960.HesubsequentlybecamePresidentfirstofRiceUniversity(1961-1968)andthenofStanfordUniversity(1969-1971).In1971,hereturnedtoBerkeley,becomingProfessorEmeritusin1984.KennethS.Pitzerwasbor54

ProfessorPitzerwasthefounderofmoderntheoreticalchemistryatBerkeley.Henotonlyusedquantumandstatisticalmechanicstoexplainthethermodynamicandconformationalpropertiesofmolecules,buthealsopioneeredquantumscatteringtheoryfordescribingchemicalreactionsatthemostfundamentallevel.Healsomadecontributionstorelativisticeffectsinchemicalbondingandthetheoryoffluidsandelectrolytesolutions.ProfessorPitzerwasth55二、《化工熱力學(xué)》的主要內(nèi)容二、《化工熱力學(xué)》的主要內(nèi)容56《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)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?！痘崃W(xué)》課程主要內(nèi)容一是基本理論和57

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。第一章緒論(Introduction):介紹化工熱58第二章流體的p-V-T關(guān)系(TheVolumetricPropertiesofFluid):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。第二章流體的p-V-T關(guān)系(TheVol59第三章純流體熱力學(xué)性質(zhì)(TheThermodynamicPropertiesofPureFluids)：講授純流體熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算方法。第三章純流體熱力學(xué)性質(zhì)(TheThermo60