化工熱力學(xué)1全解

第1章緒論第3章純物質(zhì)(流體)的熱力學(xué)性質(zhì)與計(jì)算第2章流體的p-V-T關(guān)系第4章溶液熱力學(xué)基礎(chǔ)第5章相平衡熱力學(xué)第6章熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用第7章熱力學(xué)第二定律及其工程應(yīng)用第8章蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)第9章化學(xué)反應(yīng)平衡第10章界面吸附過程熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容第一頁，共30頁。第一頁，共30頁。課程目的和要求明確化工熱力學(xué)研究的對(duì)象，掌握熱力學(xué)研究問題與處理的方法，認(rèn)識(shí)其在化學(xué)工程學(xué)科中的重要地位及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用。要求學(xué)生在《物理化學(xué)》、高等數(shù)學(xué)等課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，深入理解與掌握熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)與過程函數(shù)、狀態(tài)函數(shù)與全微分的密切關(guān)系，容量性質(zhì)與強(qiáng)度性質(zhì)，平衡狀態(tài)與可逆過程，熱力學(xué)過程與循環(huán)等基本概念與內(nèi)容。第1章緒論第二頁，共30頁。第二頁，共30頁。1.2

化工熱力學(xué)研究?jī)?nèi)容與主要方法

1.1化工熱力學(xué)的地位和作用1.3

化工熱力學(xué)的局限性1.4

在化工研究與開發(fā)中的重要應(yīng)用1.5

如何學(xué)好化工熱力學(xué)1.6熱力學(xué)基本概念本章主要內(nèi)容第三頁，共30頁。第三頁，共30頁。資源和能源問題：走節(jié)約化發(fā)展道路人類社會(huì)的發(fā)展是能源利用的歷史！人類利用能源的三個(gè)階段：柴草能源時(shí)代草木，畜力，太陽，風(fēng)，水力化石能源時(shí)代煤，石油，天然氣，可燃冰多能源時(shí)代核能，太陽能，氫能，風(fēng)能，潮汐能沒有節(jié)能意識(shí)1.1化工熱力學(xué)的地位和作用第四頁，共30頁。第四頁，共30頁。

能源問題在國家關(guān)系中的地位保證能源供應(yīng)，關(guān)系國家存亡

中國的能源問題：嚴(yán)重的能源危機(jī)

煤荒，煤炭?jī)r(jià)格直線上升

海灣問題：中/俄/日三國能源問題1993，中國由石油純出口國變石油純進(jìn)口國！

油荒，原油漲價(jià)，柴油汽油漲價(jià)。第五頁，共30頁。第五頁，共30頁。節(jié)約能源：

中國的能源浪費(fèi)十分驚人單位能耗創(chuàng)造財(cái)富低于發(fā)達(dá)國家;節(jié)能燈風(fēng)力發(fā)電機(jī)新的能源太陽能電池低壓尾汽發(fā)電每GDP的能耗為世界平均水平的3～4倍,日本的11倍，美國的4.3倍，德國法國的7.7倍第六頁，共30頁。第六頁，共30頁。太陽能路燈第七頁，共30頁。第七頁，共30頁。

化工熱力學(xué)的地位和作用化工熱力學(xué)：

化工學(xué)科的重要分支和基礎(chǔ)學(xué)科化學(xué)工程與工藝專業(yè)：專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課程、必修課和核心課程(42學(xué)時(shí))內(nèi)容：

化學(xué)熱力學(xué)：熱力學(xué)性質(zhì)的推算相平衡和化學(xué)平衡

工程熱力學(xué)：熱功轉(zhuǎn)化、有效能利用問題基礎(chǔ)：熱力學(xué)第一定律、第二定律和第三定律{第八頁，共30頁。第八頁，共30頁。第九頁，共30頁。第九頁，共30頁。1.2化工熱力學(xué)研究?jī)?nèi)容與主要方法

研究?jī)?nèi)容：主要討論熱力學(xué)第一定律、第二定律在化工過程中的應(yīng)用，以及與上述內(nèi)容有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確定方法?；崃W(xué)將第一定律應(yīng)用到系統(tǒng)與環(huán)境間既有能量交換，又有物質(zhì)交換的敞開系統(tǒng)中，如精餾（蒸餾）、吸收、萃取等化工單元操作過程，化學(xué)反應(yīng)過程，壓縮、冷凍循環(huán)熱力過程等不同情況下，計(jì)算過程進(jìn)行時(shí)所需要熱與功的數(shù)量。第十頁，共30頁。第十頁，共30頁。熱力學(xué)第二定律應(yīng)用到化工傳質(zhì)分離過程的計(jì)算中，可以確定相平衡的條件，計(jì)算平衡各相的組成；應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng)工程中，可以研究過程的工藝條件對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率的影響，選擇最佳工藝條件；應(yīng)用到化工過程的熱力學(xué)分析中，可以確定能量損耗的數(shù)量、分布及其原因，提高能量的利用率。與化學(xué)熱力學(xué)相比，化工熱力學(xué)研究的對(duì)象更結(jié)合工程實(shí)際。

第十一頁，共30頁。第十一頁，共30頁。研究方法：分子熱力學(xué)從微觀角度，將經(jīng)典熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)及有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，通過建立數(shù)學(xué)模型、擬合模型參數(shù)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算與預(yù)測(cè)。經(jīng)典熱力學(xué)建立在熱力學(xué)第一、第二定律基礎(chǔ)上的，是人類大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，是自然界和人類各種活動(dòng)中的普遍規(guī)律。因而，熱力學(xué)所給出的結(jié)論、宏觀性質(zhì)間關(guān)聯(lián)式的正確性，具有普遍的意義。第十二頁，共30頁。第十二頁，共30頁。1)物性數(shù)據(jù)的測(cè)定、推算與評(píng)價(jià)：無機(jī)物與有機(jī)物（單質(zhì)與化合物、混合物）2)從可測(cè)量的物性，如流體的p-V-T-x關(guān)系及計(jì)算不可測(cè)量的物性，如U、H、S、A、G等。3)工藝過程的技術(shù)改造與革新4)化工過程設(shè)計(jì)（如物料與熱量衡算）的基礎(chǔ)，熱力學(xué)第一定律5)過程的節(jié)能，熱力學(xué)第一及第二定律應(yīng)用第十三頁，共30頁。第十三頁，共30頁。

狀態(tài)函數(shù)法：熱力學(xué)的獨(dú)特方法

關(guān)于過程的能量轉(zhuǎn)換和過程的方向與限度這兩方面的問題，熱力學(xué)都是以狀態(tài)函數(shù)(宏觀性質(zhì))關(guān)聯(lián)式的形式給出答案的。R表示可逆過程，：體積功

化工熱力學(xué)研究的主要方法第十四頁，共30頁。第十四頁，共30頁。，，，

以上所列關(guān)系式將過程的方向和限度與系統(tǒng)的初、終態(tài)狀態(tài)函數(shù)變化的比較聯(lián)系起來。狀態(tài)函數(shù)的變化只與系統(tǒng)的初、終態(tài)有關(guān)，與過程進(jìn)行的途徑無關(guān)?？衫梦镔|(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，去計(jì)算一些實(shí)際難測(cè)而需要的數(shù)據(jù)，如化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)與反應(yīng)平衡等。也可以對(duì)不可逆過程的狀態(tài)函數(shù)變化，按易于計(jì)算的可逆過程狀態(tài)函數(shù)變化進(jìn)行，如對(duì)過程不可逆程度的計(jì)算等。第十五頁，共30頁。第十五頁，共30頁。狀態(tài)函數(shù)與全微分關(guān)系：熱力學(xué)能U、溫度T、熵S三個(gè)基本狀態(tài)函數(shù)都是全微分，以演繹和推理的方法導(dǎo)出了包括全部基本原理的方程式。如：熱力學(xué)第二定律定義的熵：熵判據(jù)：多元多相系統(tǒng)的基本方程：熱力學(xué)第一定律：第十六頁，共30頁。第十六頁，共30頁。熱力學(xué)演繹方法：熱力學(xué)的基本方法

演繹法的核心是以熱力學(xué)定律作為公理，如將它們應(yīng)用于物理化學(xué)系統(tǒng)中的相變化和化學(xué)變化等過程，通過嚴(yán)密地邏輯推理，得出許多必然性的結(jié)論。特點(diǎn)：1）以熱力學(xué)基本定律作為基點(diǎn)如從熱力學(xué)基本定律出發(fā)，運(yùn)用演繹推理方法，就有可能得到適用于相變化和化學(xué)變化的具體規(guī)律。2）以數(shù)學(xué)作為工具和手段

熱力學(xué)基本定律表達(dá)的方程或不等式具有普遍規(guī)律，針對(duì)各類具體問題時(shí)，需對(duì)這些方程、不等式中相關(guān)物理量代入特定的形式(或確定性質(zhì))，經(jīng)過數(shù)學(xué)演繹，可得到適用于某類問題的結(jié)論。第十七頁，共30頁。第十七頁，共30頁。理想化方法：熱力學(xué)的重要方法

理想化方法包括：系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的理想化和理想化的模型。1）系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的理想化：“可逆過程”2）二個(gè)理想化模型：理想氣體和理想溶液

理想化的作用：不是用來解釋系統(tǒng)的性質(zhì)，而是在一定條件下，代替真實(shí)系統(tǒng)，以保證熱力學(xué)演繹推理的簡(jiǎn)潔易行和目的明確。第十八頁，共30頁。第十八頁，共30頁。在理想條件下得到的許多結(jié)輪，可作為某些特定條件下實(shí)際問題的近似處理。引入理想系統(tǒng)的意義在于對(duì)實(shí)際系統(tǒng)性質(zhì)的研究建立紐帶和橋梁。理想氣體的化學(xué)位

真實(shí)氣體化學(xué)位

第十九頁，共30頁。第十九頁，共30頁。1.3化工熱力學(xué)的局限性熱力學(xué)所給出的結(jié)論、宏觀性質(zhì)間的的關(guān)聯(lián)式的正確性，具有普遍的意義，且對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論具有相當(dāng)大的獨(dú)立性。

經(jīng)典熱力學(xué)處理的對(duì)象是系統(tǒng)處于平衡時(shí)的狀態(tài)特征，它不研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，不考慮過程機(jī)理和細(xì)節(jié)，不能解決過程進(jìn)行的阻力。由于速率等于推動(dòng)力除以阻力，因而經(jīng)典熱力學(xué)不能解決過程進(jìn)行的速率，速率則要由化學(xué)動(dòng)力學(xué)來解決。第二十頁，共30頁。第二十頁，共30頁。1.4在化工研究與開發(fā)中的重要應(yīng)用化工熱力學(xué)：運(yùn)用經(jīng)典熱力學(xué)的原理，結(jié)合反映系統(tǒng)特征的模型，解決工業(yè)過程(特別是化工過程)中熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算和預(yù)測(cè)、相平衡和化學(xué)平衡計(jì)算、能量的有效利用等實(shí)際問題。

1)物性數(shù)據(jù)的測(cè)定、關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)

化學(xué)工程師要處理大量的物質(zhì)，100萬種無機(jī)物，400萬種有機(jī)物?，F(xiàn)已研究得十分透徹的元素和化合物只有100種左右。物性估算是基礎(chǔ)。

理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)定、半理論半經(jīng)驗(yàn)的估算方法。研究方法:第二十一頁，共30頁。第二十一頁，共30頁。2)化工過程、裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化的理論基礎(chǔ)

物料衡算和熱量衡算是化工過程和生產(chǎn)裝置研究開發(fā)和設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。

化工熱力學(xué)也是大型模擬計(jì)算仿真、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。較為流行的大型化工模擬軟件，如AspenPlus、PROII、CHEMCAD等熱力學(xué)模型和物性數(shù)據(jù)庫是其核心基礎(chǔ)。3)是資源利用與解決環(huán)境問題的基礎(chǔ)

當(dāng)今世界人類面臨著人口膨脹和資源、能源短缺和有效利用的問題。不可再生的一次性資源：煤炭、石油、天然氣等礦物資源、農(nóng)林牧漁業(yè)的資源第二十二頁，共30頁。第二十二頁，共30頁。人類面臨的三大環(huán)境問題：溫室氣體效應(yīng)、大氣臭氧層的破壞和水資源的污染。污染物的控制釋放、回收處理資源化和開發(fā)新的替代物是治理環(huán)境問題的主要措施和手段。新型制冷劑（Freons-134A、Freons-152A等）的開發(fā)生產(chǎn)和物性數(shù)據(jù)的測(cè)定和使用性能的評(píng)價(jià)；大氣污染物二氧化硫和二氧化碳的回收治理過程中離不開吸收、吸附平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定，生產(chǎn)工藝和裝置節(jié)能需要有效能的計(jì)算和評(píng)價(jià)等，這些都離不開化工熱力學(xué)這門基礎(chǔ)學(xué)科的理論。

第二十三頁，共30頁。第二十三頁，共30頁。1.5如何學(xué)好化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)針對(duì)解決的問題：客觀物質(zhì)世界的實(shí)際系統(tǒng)，具有高度的非理想性（非理想氣體與非理想溶液）

化工熱力學(xué)=基本概念數(shù)學(xué)模型+=應(yīng)用內(nèi)涵+外延{思維對(duì)象的本質(zhì)屬性

思維對(duì)象的范圍(即概念的適用范圍)

第二十四頁，共30頁。第二十四頁，共30頁。課程學(xué)習(xí)的主線:Gibbs函數(shù)(G函數(shù))應(yīng)用反映真實(shí)氣體與理想氣體性質(zhì)之差，稱之為剩余G函數(shù)。與逸度或逸度系數(shù)的關(guān)系：第二十五頁，共30頁。第二十五頁，共30頁。反映真實(shí)溶液和理想溶液性質(zhì)之差,稱為過量Gibbs函數(shù)。與活度或活度系數(shù)的關(guān)系為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)一致性檢驗(yàn)相平衡和化學(xué)平衡有效能的綜合利用：理想功與有效能也是一種Gibbs函數(shù)。理想功有效能第二十六頁，共30頁。第二十六頁，共30頁。平衡狀態(tài)下壓力,體積,溫度,組成和其它熱力學(xué)函數(shù)的變化規(guī)律p,V,T，nU,H,cp,cv,S,G,A傳遞性質(zhì)物質(zhì)和能量傳遞過程的非平衡特性熱導(dǎo),擴(kuò)散系數(shù),粘度系統(tǒng)（system）封閉系統(tǒng)敞開系統(tǒng)孤立系統(tǒng)均相封閉系統(tǒng),非均相封閉系統(tǒng)流動(dòng)系統(tǒng)1.6熱力學(xué)基本概念環(huán)境(surroundings)熱力學(xué)性質(zhì)第二十七頁，共30頁。第二十七頁，共30頁。強(qiáng)度性質(zhì)與容量性質(zhì)與系統(tǒng)的尺寸(物質(zhì)的量的多少)的性質(zhì)T,p，…無關(guān)強(qiáng)度性質(zhì)有關(guān)容量性質(zhì)總體積,總熱力學(xué)能等單位摩爾的容量性質(zhì)為強(qiáng)度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)與過程函數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)變化途徑無關(guān),僅取決于初態(tài)和終態(tài)的量強(qiáng)度性質(zhì)或容量性質(zhì)?第二十八頁，共30頁。第二十八頁，共30頁。平衡狀態(tài)和可逆過程平衡狀態(tài)靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)系統(tǒng)與環(huán)境間物質(zhì)與能量交換為零?？赡孢^程系統(tǒng)經(jīng)過一系列平衡狀態(tài)變化所完成的,其功耗與沿相同路徑逆向完成該過程所獲得的功是等量的。實(shí)際過程都是不可逆的。熱力學(xué)過程與循環(huán)系統(tǒng)的變化從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)。等溫,等壓等容,等熵絕熱,可逆第二十九頁，共30頁。第二十九頁，共30頁。1、施云海主編，化工熱力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與模擬試題集萃，上海：華東理工大學(xué)出版社，2007.32、J.M.Smith,H.C.VanNess,M.M.Abbott,ChemicalEngineeringThermodynamics(SixEdition),北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。3、朱自強(qiáng)，徐迅合編，化工熱力學(xué)(第二版)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991年。4、陳鐘秀