化工熱力學(xué)的教學(xué)課件2

歡迎同學(xué)們進(jìn)入《化工熱力學(xué)》的學(xué)習(xí)第一章

緒論1、化工熱力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史2、化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容3、化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展4、化工熱力學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和局限性5、名詞、定義、基本概念6、化工熱力學(xué)在化學(xué)工程中的地位7、學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)的目的和要求8、參考書目第一章

緒論

——化工熱力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史遠(yuǎn)古時(shí)代：鉆木取火12世紀(jì)：火藥1593年：伽利略制造出第一只溫度計(jì)1784年：有了比熱的概念18世紀(jì)末：證明了熱不是一種物質(zhì)1824年：卡諾提出了理想熱機(jī)的設(shè)想1738年：伯努利提出了第一個(gè)能量守恒實(shí)例提出了熱力學(xué)第一定律1824年：焦耳測(cè)定了熱功當(dāng)量第一章

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——化工熱力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1850年：克勞休斯證明了熱機(jī)效率，提出了熱力學(xué)第二定律1944年：B.F.Dodge寫出了化工熱力學(xué)教科書第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行過(guò)程的能量衡算判斷過(guò)程進(jìn)行的方向和限度提高化工過(guò)程能量的有效利用率提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行過(guò)程的能量衡算：物料衡算和建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的能量衡算是所有化工工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。比如（1）求取設(shè)備中的傳熱量、傳質(zhì)量或反應(yīng)量（2）確定設(shè)備的尺寸和臺(tái)數(shù)（3）操作條件分析、工藝改進(jìn)、設(shè)計(jì)方案對(duì)比第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容判斷過(guò)程進(jìn)行的方向和限度：建立在熱力學(xué)第二定律上的一些熱力學(xué)函數(shù)可以判斷過(guò)程進(jìn)行的方向和限度，在化工單元操作及反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，平衡狀態(tài)的確定、平衡組成的計(jì)算、多組元相平衡數(shù)據(jù)的求取是非常重要的內(nèi)容。第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容提高化工過(guò)程能量的有效利用率：

化工生產(chǎn)過(guò)程消耗大量的能源。石油、天然氣等能源不僅是化學(xué)工業(yè)的燃料，而且是生產(chǎn)一些重要化工產(chǎn)品的原料。利用熱力學(xué)的基本原理，對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析，是熱力學(xué)近三十年來(lái)最重要的進(jìn)展。計(jì)算各種熱力過(guò)程的理想功、損耗功、有效能等，找出可以節(jié)能而沒(méi)有能的環(huán)節(jié)和設(shè)備，然后采取措施，達(dá)到節(jié)能的目的。第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容提高化工過(guò)程能量的有效利用率：

對(duì)于評(píng)定新的設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)都是有效的手段。近來(lái)，能源緊張問(wèn)題更顯突出，故在流程選擇、設(shè)備設(shè)計(jì)中往往以節(jié)能為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為了節(jié)能，寧可增加設(shè)備（即初始投資）。第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)：

熱力學(xué)把研究的對(duì)象稱為體系（System），與研究對(duì)象有密切聯(lián)系的周圍稱為環(huán)境（Surrounding）。描述體系處于一定狀態(tài)是用一系列的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)（如T、P、Cp、H、S、G等）表示。上述三個(gè)問(wèn)題的解決離不開熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)：

但是，熱力學(xué)的有效應(yīng)用（如過(guò)程模擬與放大），往往由于缺乏熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而發(fā)生困難。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有十萬(wàn)種以上的無(wú)機(jī)化合物和近四百萬(wàn)種有機(jī)化合而熱力學(xué)性質(zhì)已研究得十分透徹的元素和化合物卻只一百種左右。第一章

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——化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容提供熱力學(xué)數(shù)據(jù)與物性數(shù)據(jù)：因此，對(duì)于物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算、氣體狀態(tài)方程的研究、普遍化方法求算熱力學(xué)函數(shù)，已成為很重要熱力學(xué)基礎(chǔ)工作。目前，特別是對(duì)于混合物的數(shù)據(jù)更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的熱力學(xué)性的研究和計(jì)算，目前已成為化工熱力學(xué)的主攻方向之一。第一章

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——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展研究方法：宏觀研究法和微觀研究法1、利用熱力學(xué)函數(shù)和物質(zhì)狀態(tài)之間的關(guān)系解決實(shí)際問(wèn)題2、利用抽象的概括的理想的方法來(lái)處理問(wèn)題，當(dāng)用于實(shí)際問(wèn)題時(shí)，加以適當(dāng)修正。第一章

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——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展1、與分子熱力學(xué)聯(lián)系：經(jīng)典化工熱力學(xué)和分子熱力學(xué)沒(méi)有絕對(duì)的分解線，目前，經(jīng)典化工熱力學(xué)越來(lái)越多使用分子熱力學(xué)的研究成果，特別是，從微觀的結(jié)果導(dǎo)出的模型及相應(yīng)的計(jì)算式；分子熱力學(xué)由于理論計(jì)算的困難，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，不得不使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)或使用一些經(jīng)驗(yàn)方法作為補(bǔ)充。第一章

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——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展2、突破石油化工熱力學(xué)的限制：（1）發(fā)展新的計(jì)算方法，解決摩爾質(zhì)量較大化合物的熱力學(xué)計(jì)算，擴(kuò)充了熱力學(xué)在化工中的使用范圍；（2）把化工熱力學(xué)擴(kuò)充到化學(xué)工業(yè)之外，比如環(huán)境熱力學(xué)，解決了環(huán)境中的化學(xué)品污染問(wèn)題，為發(fā)展化學(xué)工業(yè)打破了環(huán)境限制。第一章

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——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展3、與計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合：在化工設(shè)計(jì)程序中，熱力學(xué)的計(jì)算量可占總計(jì)算量的50%以上，有的甚至占到80%，可見熱力學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的必要性。第一章

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——化工熱力學(xué)的研究方法及其發(fā)展化工熱力學(xué)的發(fā)展4、豐富熱力學(xué)數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有十萬(wàn)種以上的無(wú)機(jī)化合物和近四百萬(wàn)種有機(jī)化合，而熱力學(xué)性質(zhì)已研究得十分透徹的元素和化合物卻只一百種左右。因此，對(duì)于物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算、氣體狀態(tài)方程的研究、普遍化方法求算熱力學(xué)函數(shù)，已成為很重要熱力學(xué)基礎(chǔ)工作。目前，特別是對(duì)于混合物的數(shù)據(jù)更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的熱力學(xué)性的研究和計(jì)算，目前已成為化工熱力學(xué)的主攻方向之一。第一章

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——化工熱力學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和局限性優(yōu)點(diǎn)：①經(jīng)典熱力學(xué)是從宏觀角度研究問(wèn)題，他研究大量分子組成的體系表現(xiàn)出來(lái)的宏觀性質(zhì)，是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。?②熱力學(xué)只問(wèn)過(guò)程的結(jié)果，而不問(wèn)過(guò)程變化的經(jīng)過(guò)。以靜態(tài)的觀點(diǎn)研究問(wèn)題，無(wú)隨時(shí)間變化的因素。因此，化工熱力學(xué)又稱為化工靜力學(xué)。第一章

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——化工熱力學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和局限性優(yōu)點(diǎn)：③經(jīng)典熱力學(xué)只能處理極限情況的有關(guān)問(wèn)題例：解決化學(xué)平衡與相平衡組成的計(jì)算④在嚴(yán)格導(dǎo)出的熱力學(xué)結(jié)論中，沒(méi)有任何的假想成分，因而結(jié)論是可靠的，具有普遍性。例：熱力學(xué)第二定律證明永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)，那么在這方面的努力是徒勞的。第一章

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——化工熱力學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和局限性局限性：①對(duì)于某一具體物質(zhì)的具體性質(zhì)，需要做一定的實(shí)驗(yàn)，然后才能在熱力學(xué)理論及數(shù)學(xué)推倒下得到具有實(shí)用性的關(guān)聯(lián)式。原因是熱力學(xué)基本定律是宏觀的，不考慮物質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異。因此，熱力學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠程度受實(shí)驗(yàn)條件的限制。如：某物質(zhì)的汽-液平衡數(shù)據(jù)會(huì)有不同的幾套。第一章緒論——化工熱忘力學(xué)的劣優(yōu)點(diǎn)和營(yíng)局限性局限性霞：②由于不創(chuàng)考慮過(guò)加程的機(jī)罵理、細(xì)狠節(jié)，因礎(chǔ)此不能枯解決反闊應(yīng)速率退問(wèn)題速率=推動(dòng)力/阻力其罩中推動(dòng)尼力=實(shí)際狀態(tài)-平衡狀白態(tài)熱力潑學(xué)解決鄉(xiāng)豐平衡狀腳態(tài)的問(wèn)詢題，可廳為推動(dòng)年力提供皮平衡數(shù)遵據(jù)第一章緒栽論——名詞、定管義、基本潤(rùn)概念1體系和環(huán)膽境為明確露討論的椒對(duì)象，基對(duì)感興道趣的一近部份物蘇質(zhì)或空緒間和其節(jié)余的物估質(zhì)和空飽間分開(可以是管實(shí)際的齡，也可戰(zhàn)以是假興想的)。把這部素分稱為體猾系，其余賺部分叫做暈環(huán)境。(1)隔離體創(chuàng)系或孤膽立體系紙?bào)w系和薦環(huán)境間利沒(méi)有任醋何物質(zhì)職或能量煤交換。蒸它們不真受環(huán)境創(chuàng)改變的警影響。(2)封閉體摟系體系踢和環(huán)境樣間只有祥能量而躺無(wú)物質(zhì)碼的交換細(xì)。但是頸這并不姑意味著期體系不率能因有識(shí)化學(xué)反屢應(yīng)發(fā)生噸而改變鄭其組成落。(3)敞開體系猛體系和環(huán)適境可以有獄能量和物骨質(zhì)的交換第一章緒財(cái)論——名詞、定狡義、基本傳概念2平衡狀態(tài)雁與狀態(tài)函評(píng)數(shù)平衡狀頁(yè)態(tài):一個(gè)體溪系在不封受外界特影響的桐條件下疾，如果帖它的宏尋觀性質(zhì)學(xué)不隨時(shí)刊間而變艦化，此看體系處皺于熱力內(nèi)學(xué)平衡賄狀態(tài)。狼達(dá)到熱力學(xué)平饅衡(即熱平衡、云力平衡、追相平衡和民化學(xué)平衡)的必要條煌件是引起愈體系狀態(tài)妨變化的所配有勢(shì)差，童如溫度差異、壓力差訓(xùn)、化學(xué)位押差等均為恢零。動(dòng)態(tài)階平衡狀態(tài)函嗚數(shù)：描述體討系所處狀燙態(tài)的宏觀史物理量稱飄為熱力學(xué)漫變量。由真于它們是勻狀態(tài)的單猴值函數(shù)，慈亦稱為狀緒態(tài)函數(shù)。舌常用的狀伍態(tài)函數(shù)有牌壓力P、溫度T、比容V、內(nèi)能U、焓H、熵S、自由焓G等。強(qiáng)度量的數(shù)值辭僅取決獵于物質(zhì)競(jìng)本身的定特性，默而與物婚質(zhì)的數(shù)旱量無(wú)關(guān)跌。如:溫度、壓鄙力、密度突、摩爾內(nèi)碌能等。廣度量的數(shù)值與賴物質(zhì)的數(shù)始量成正比甘。如:體積、質(zhì)誘量、焓、北熵、內(nèi)能救、自由焓繁等。須指攜出，單位氧質(zhì)量的廣逆度量顯然莫是一種強(qiáng)眾度量。第一章緒論——名詞、腎定義、殲基本概擦念3過(guò)程過(guò)程是巴指體系潔由某一歉平衡狀退態(tài)變化斥到另一衣平衡狀插態(tài)時(shí)所滋經(jīng)歷的貍?cè)繝畛紤B(tài)的總桑和。(1)不可逆乏過(guò)程(2)可逆過(guò)給程(3)各種熱力過(guò)程等溫過(guò)趨程、等悶壓過(guò)程斜、等容雪過(guò)程和站絕熱過(guò)釘程等(4)循環(huán)過(guò)程體系經(jīng)噴過(guò)一系敲列的狀裳態(tài)變化公過(guò)程后同，最后棚又回到幕最初狀報(bào)態(tài)，則并整個(gè)的劣變化稱嚇為循環(huán)第一章緒腰論——名詞、私定義、么基本概僅念4溫度與熱托力學(xué)第零紅定律實(shí)驗(yàn)觀飯察可知六，當(dāng)兩蹲個(gè)物體棕分別與甘第三個(gè)啦物體處涂于熱平園衡時(shí)，泳則這兩元個(gè)物體蒼彼此之忙間也必誕定處于護(hù)熱平衡忠。這是陷經(jīng)驗(yàn)的欺敘述，史稱熱平衡心定律，又稱熱力學(xué)第險(xiǎn)零定律。為建立悉溫度概念械提供實(shí)驗(yàn)異基礎(chǔ)，是墳進(jìn)行溫度娃測(cè)量和建瓶立經(jīng)驗(yàn)溫芝標(biāo)的理論丟基礎(chǔ)。絕叫對(duì)溫標(biāo)T(K，Kel模vin棵)、攝氏溫胃標(biāo)t(℃)第一章緒論——名詞、定君義、基本仰概念5能、功絲式和熱(1)能是一個(gè)基拖本概念。芳所有物質(zhì)例都有能。挨能定義為糠做功的容膏量。能是窗既不能創(chuàng)倍造，也不乓會(huì)毀滅的前。任何體細(xì)系而言，補(bǔ)輸入的能雙量和輸出役的能量之疑差等于該歷體系內(nèi)貯椅藏著能的桿改變。體奴系的內(nèi)能指除動(dòng)煮能和位促能以外借的所有僑形式的下能，它亦代表著周微觀水始平的能仗的形式尋，我們?nèi)睙o(wú)法測(cè)劉定內(nèi)能斤的絕對(duì)掃值，而矛只能計(jì)膝算出它燈的變化仔。內(nèi)能下的符號(hào)街是U，單位賣用J表示，在工程上Cal表示。第一章緒論——名詞、定券義、基本盟概念5能、功娘和熱(2)功:由于存享在著除破溫度外胞的其他吐位的梯善度，如右壓差，涌在體系惹和環(huán)境拳間傳遞評(píng)著的能份稱為功冬。在熱京力學(xué)中必因做功扔的方式向不同，構(gòu)有各種吸形式的對(duì)功機(jī)械利功、電余功、化攏學(xué)功、讀表面功狀、磁功燥體系所造得的功透（環(huán)境解對(duì)體系潮做功）嘩為正值版，體系北所失的便功（對(duì)聾環(huán)境做仇功）為并負(fù)值?？毓Σ皇敲w系的謊性質(zhì)，廳不是狀退態(tài)函數(shù)衡，而是館和過(guò)程傾所經(jīng)的吧途徑有任關(guān)。在叢國(guó)際單笑位制中么功的單賴位也用捉J表示肉。第一章緒驚論——名詞、定副義、基本學(xué)概念5能、功和夢(mèng)熱（3)熱：從經(jīng)驗(yàn)知團(tuán)道，一個(gè)毒熱的物體躬和一個(gè)冷鞭的物體相亮接觸，冷黑的變熱了來(lái)，而熱的躺變冷了。有說(shuō)明在它茶們之間有韻第一章緒論——名詞、定協(xié)義、基本張概念6焓除內(nèi)能旗外，還冠有許多火熱力學(xué)唐函數(shù)，籍焓就是奮其中之幟一，它醬的定義騙可寫為H=U飄+PV式中H是焓，U是內(nèi)能，P是絕壓池，V是體積。牽由于U和PV都由體系識(shí)的狀態(tài)所巴決定，因念此焓也是視個(gè)狀態(tài)函版數(shù)。其單授位和內(nèi)能挺相同。第一章緒論——名詞、維定義、習(xí)基本概械念7熵可逆過(guò)鎮(zhèn)程是一獨(dú)種極限刻，實(shí)際評(píng)的過(guò)程菜則或多澇或少地趨趨近這盒個(gè)極限鄙在《物尊理化學(xué)符》中學(xué)碗習(xí)了Clau禍sius不等式，式中Q代表熱量出，T代表絕草對(duì)溫度品。第一章緒拼論——名詞、定趟義、基本膝概念7熵熵的中糟文意義頑是熱量茅被溫度渾除的商杰，若熱飼量相同競(jìng)，溫度致高則熵杏小，溫?zé)┒鹊蛣t樹熵大。鐘熵的外繪文原名穴的意義缺是轉(zhuǎn)變村（engt辜ropy，the歇rma殼lc魔har賠ge），指溪熱量可抄以轉(zhuǎn)變夜為功的襖程度，虎熵小則號(hào)轉(zhuǎn)化程嫌度高，塑熵大則醋轉(zhuǎn)化程富度低。第一章緒論——名詞、定雷義、基本有概念9.7熵熵是個(gè)幕狀態(tài)函疤數(shù)。伴但隨著自號(hào)發(fā)過(guò)程熱的進(jìn)行殿，熵值咬不斷增懂大，當(dāng)品達(dá)到平扮衡時(shí)，誤熵值增耐到最大里，其后駛熵值不季變。因鮮此熵是劉判斷在童隔離體辨系中任多何自發(fā)曬過(guò)程進(jìn)熱行的方鴿向和限糖度的共襲同準(zhǔn)則廊。在隔眼離體系邁中，如裹果變化芽是可逆率的，熵役值不變特；如果丹變化是鐵不可逆熔的，熵茂值增加饑。這就黑是所謂杯的熵增原理。（熱力喜學(xué)第二定召律）隔離(孤立）匹體系第一章緒康論——名詞、眉定義、曬基本概枕念7熵從統(tǒng)計(jì)熱癥力學(xué)知，睡熵是混亂午程度的度繳量：S=lnk?式中：?表示熱力濕學(xué)幾率。蟻當(dāng)?=1時(shí)，S=0，這就蠅是絕對(duì)閑熵定律完（熱力昨?qū)W第三拆定律）炎，其表坡述為：絕對(duì)零度軟（T=0）完整晶品體（?=1）的熵值雞等于零，可見，怎熵是有絕詠對(duì)值的。第一章緒她論——化工熱力金學(xué)在化學(xué)宗工程中的爛地位！第一章緒論——學(xué)習(xí)化工肥熱力學(xué)的墨目的和要敘求要求：?⑴要明確敬各章節(jié)的五作用，即往解決什么訴問(wèn)題，得隨出了什么礦結(jié)論。⑵要掌繡握化工良熱力學(xué)袋的研究陸方法。⑶除基本情概念理論指外，