教材陈新志主编课时64学时主讲刘淑芝.ppt

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1、教材陈新志主编课时64学时主讲刘淑芝 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 第一章第一章 绪论绪论关于化工热力学课程关于化工热力学课程 是国内外化学工程专业本科生（化工热力学是国内外化学工程专业本科生（化工热力学I）和研究生（化工热力学和研究生（化工热力学II）必修课程。）必修课程。是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。学时学时64。1、热热力力学学（Thermodynamics）讨讨论论热热与与功功转转化化规规律律的科

2、学。的科学。远古远古“钻木取火钻木取火”机械能转换为内能。机械能转换为内能。12世纪世纪“火药燃烧加速箭支的飞行火药燃烧加速箭支的飞行”。19世纪世纪“蒸汽机蒸汽机”热转换为功。热转换为功。涉涉及及到到热热机机效效率率,能能量量利利用用,各各种种物物理理、化化学学乃乃至至生生命命过程的能量转换及这些过程在指定条件下发生的可能性。过程的能量转换及这些过程在指定条件下发生的可能性。一、化工热力学的概念一、化工热力学的概念四大特征四大特征：（1 1）严密性严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。：表现在热力学具有严格的理论基础。（2 2）完完整整性性：是是由由于于热热力力学学具具有有热热力力学学第第

3、一一定定律律、热热力力 学第二定律、学第二定律、热力学第三定律和零定律。热力学第三定律和零定律。（3 3）普普遍遍性性：普普遍遍性性表表现现在在热热现现象象在在日日常常生生活活中中必必不不可可缺少。缺少。（4 4）精精简简性性：表表现现在在热热力力学学能能够够定定性性、定定量量地地解解决决实实际际问题。问题。2.热力学的分支热力学的分支（1）工工程程热热力力学学（Engineerng Thermodynamics）将将热热力力学学的的基基本本理理论论应应用用于于工工程程技技术术领领域域，则则为为工工程程热热力力学学。主主要要研研究究热热能能与与机机械械能能之之间间转转换换规规律律及及能能量量利

4、利用率的高低。用率的高低。特点：特点：制冷、发电制冷、发电 介质简单：水蒸气、氨、氟里昂介质简单：水蒸气、氨、氟里昂（2）化学热力学化学热力学（Chemical ThermodynamicsChemical Thermodynamics）应用应用热力学来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中热力学来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题，则形成化学热力学。的问题，则形成化学热力学。例例1 1：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力条件下，由氮和氢合成氨时的最高产量，这在化肥工力条件下，由氮和氢合成氨时的最高产量，这在化肥工业上产生了重要影。业

5、上产生了重要影。2.2.热力学的分支热力学的分支2.2.热力学的分支热力学的分支（3）化工热力学化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics）研研究究在在化化学学工工程程中中的的热热力力学学问问题题。具具有有双双重重特特点点。主主要要侧侧重重于于工工程程计计算算。它它既既能能解解决决能能量量的的利利用用问问题题，又又能能解解决决相相际际间间质质量量传传递递与与化化学学反反应应方方向向与与限限度度等等问题。问题。（4）统计热力学统计热力学（Statistical Thermodynamics）从微观角度出发研究过程的热现象。从微观角度出发研究过程的热现象。工

6、程热力学工程热力学工程热力学工程热力学化学热力学化学热力学化工热力学化工热力学经典热力学经典热力学2.2.热力学的分支热力学的分支3.3.化工热力学在化学工程中的地位化工热力学在化学工程中的地位原料原料反应反应分离提纯分离提纯产品产品反应工程反应工程分离工程分离工程化工化工 动力学动力学催化工程催化工程化工热力学化工热力学工艺学工艺学4.4.化工热力学的用途化工热力学的用途（1 1）可行性分析。对于新工艺、新方法，用热力学）可行性分析。对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性。事先判断它的可行性。C6H6+NH3 C6H5NH2+H2？H2O H2+O2？G 0 N2+H2 NH3？G

7、0 常温、常压常温、常压 常温、常压常温、常压4.4.化工热力学的用途化工热力学的用途（2 2）能量有效利用。对于实践证明是可行的工艺进行）能量有效利用。对于实践证明是可行的工艺进行优化。优化。节能：老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。节能：老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。如如美美国国一一聚聚乙乙烯烯醇醇工工厂厂能能耗耗大大，特特别别是是分分离离工工段段的的能能耗耗占占全全厂厂的的65%65%，应应用用热热力力学学相相平平衡衡的的成成果果，将将进进料中乙醛含量由料中乙醛含量由0.7%0.7%降至降至0.4%0.4%后，操作费用节省后，操作费用节省50%50%。能量损失的形式：能量损失的形式

8、：防止跑冒滴漏防止跑冒滴漏 不合理的工艺不合理的工艺 不可逆损失不可逆损失 能量是有能量是有品位品位的。的。高温蒸汽比低温蒸汽有用。高温蒸汽比低温蒸汽有用。有用的热量称为有用的热量称为有效能有效能，也，也 称为称为“火用火用”4.4.化工热力学的用途化工热力学的用途（3 3）平平衡衡问问题题（特特别别是是相相平平衡衡）。多多元元相相平平衡衡数数据据是是设设计计、生生产产操操作作和和产产品品质质量量控控制制必必不不可可少少的的，尤尤其其是是产产品品众众多多、分分离要求高的石油化工更是如此。离要求高的石油化工更是如此。产品分离：设备投资产品分离：设备投资5090%；能量投资能量投资6090%。精馏

9、塔的设计。精馏塔的设计。（4 4）热力学性质计算。建立化工热力学模型，用最易测）热力学性质计算。建立化工热力学模型，用最易测得的数据（得的数据（P P、V V、T T、X X）推算难测数据（）推算难测数据（H H，S S，G G）；用）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。多、快、好、省！多、快、好、省！世界上有世界上有105无机物，无机物，6106有机物，只有有机物，只有100种纯物种纯物质的热力学数据研究比较透彻。质的热力学数据研究比较透彻。混合物的种类更多，更有用，但非常难测。混合物的种类更多，更有用，但非常难测。尤其是极性物

10、质、聚合物体系，电解质溶液。尤其是极性物质、聚合物体系，电解质溶液。在高压、低温下的物性数据更是当务之急。在高压、低温下的物性数据更是当务之急。实验费时、费力。实验费时、费力。二、化工热力学的研究内容二、化工热力学的研究内容“原理原理-模型模型-应用应用”构成化工热力学研究内容的构成化工热力学研究内容的“三要素三要素”。原原 理理第三章第三章 流体的热力学性流体的热力学性第七章第七章 相平衡相平衡第八章第八章 化学反应平衡化学反应平衡对于模型的研究和建对于模型的研究和建立不是本课程的内容。立不是本课程的内容。了解模型的适用范围了解模型的适用范围和如何应用模型是本课和如何应用模型是本课程的任务。

11、程的任务。应应 用用第四章第四章 能量分析能量分析第五章第五章 动力和制冷循环动力和制冷循环第八章第八章 化学反应平衡化学反应平衡模模 型型第二章第二章 状态方程状态方程EOSEOS第六章第六章 活度系数模型活度系数模型i i应用应用封闭系统封闭系统流动系统流动系统模型模型EOS和和热力学原理热力学原理均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学均相性质均相性质纯物质纯物质定组成混合物定组成混合物非均相封闭非均相封闭体系热力学体系热力学流动体系的流动体系的能量平衡、能量平衡、熵平衡方程熵平衡方程流动体系流动体系热力学分析热力学分析热力学模拟热力学模拟非均相性质非均相性质纯物质纯物质混合物混合物二、化工

12、热力学研究内容二、化工热力学研究内容三、热力学的研究特点三、热力学的研究特点1 1、经典热力学的研究特点、经典热力学的研究特点 从从局部局部的实验数据推算系统的实验数据推算系统完整完整的信息。的信息。从从纯物质纯物质的信息求取的信息求取混合物混合物的信息。的信息。从从容容易易获获得得的的物物性性数数据据（P P、V V、T T、X X）来来推推算算较较难测定难测定的数据（的数据（H H，S S，G G）。）。从从常温常压常温常压的物性数据来推算的物性数据来推算苛刻条件苛刻条件下的性质。下的性质。需要模型需要模型2 2、化工热力学的研究特点、化工热力学的研究特点（1 1）研究体系为实际状态）研究

13、体系为实际状态 化学热力学研究的是以化学热力学研究的是以理想理想状态为主，如理想气体、状态为主，如理想气体、理想溶液；化工热力学研究的是理想溶液；化工热力学研究的是实际实际状态。状态。在任意温度、压力下，多组分的状态在任意温度、压力下，多组分的状态理想气体：分子间没理想气体：分子间没有相互作用，分子的有相互作用，分子的体积大小可以忽略。体积大小可以忽略。（压力极低）（压力极低）PV=nRT PV=nRT真实气体：分子间有真实气体：分子间有相互作用，分子的体相互作用，分子的体积大小不能忽略积大小不能忽略PV nRTPV nRT三、热力学的研究特点三、热力学的研究特点（2）处理方法：以理想态为标准

14、态加上校正。）处理方法：以理想态为标准态加上校正。实际结果实际结果=理想结果理想结果+校正校正气体气体 Z（压缩因子）（压缩因子）气体气体 （逸度系数）（逸度系数）溶液溶液 i（活度系数）（活度系数）化学热化学热力学的力学的方法方法建立模型建立模型三、热力学的研究特点三、热力学的研究特点（3）获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型）获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型 化化工工热热力力学学是是用用少少量量实实验验数数据据加加半半经经验验模模型型，得得到到所所需需数数据据。尽尽管管有有误误差差（5%），但但很很实实用用，可可以以预预测测复杂复杂的物性数据。的物性数据。高压、高温、高压、高温

15、、低温、多元低温、多元模型：运用数学式来表模型：运用数学式来表达物质之间相互关系。达物质之间相互关系。越有物理意义的模型，越有物理意义的模型，越准确。越准确。三、热力学的研究特点三、热力学的研究特点1 1、经典热力学的特点之一、经典热力学的特点之一 研研究究大大量量分分子子中中发发生生的的平平均均变化。变化。总总结结出出具具有有普普遍遍性性的的热热力力学学基本定律。基本定律。建建筑筑在在热热力力学学的的三三个个基基本本定定律律之之上上，运运用用数数学学方方法法，得得到到宏宏观性质之间的依赖关系。观性质之间的依赖关系。四、化工热力学的局限性四、化工热力学的局限性经典热力学的局限性经典热力学的局限

16、性之一：之一：不能定量预测物不能定量预测物质的宏观性质。质的宏观性质。不能解释微观本不能解释微观本质及其产生某种现象质及其产生某种现象的内部原因。的内部原因。四、化工热力学的局限性四、化工热力学的局限性热力学研究方法热力学研究方法宏观研究方法宏观研究方法微观研究方法微观研究方法经典热力学经典热力学分子热力学（统计热力学）分子热力学（统计热力学）2、经典热力学的特点之二、经典热力学的特点之二 不研究物质的结构；不研究物质的结构；不考虑过程的细节；不考虑过程的细节；只只关关心心平平衡衡问问题题（只只关关心心体体系系的的初初态态和和终终）；不不关心如何到达平衡。关心如何到达平衡。四、化工热力学的局限

17、性四、化工热力学的局限性经典热力学局限性之二：经典热力学局限性之二：只能解决极限问题，不能只能解决极限问题，不能解决速率问题解决速率问题 经经典热力学能够给出的是必典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。要条件而不是充分条件。但由热力学分析可以排除不但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省能发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。了大量的时间和精力。五、学习化工热力学的目的、要求五、学习化工热力学的目的、要求1、目的、目的（两个）两个）（1）了解化工热力学的基本内容）了解化工热力学的基本内容（2）提提高高利利用用化化工工热热力力学学的的观观点点、方方法法来来分分析析、解解决决

18、化化工生产、工程设计、科学研究中有关实际问题的能力。工生产、工程设计、科学研究中有关实际问题的能力。2.要求（四个）要求（四个）（1）要明确各章节的作用，也即解决什么问题，得）要明确各章节的作用，也即解决什么问题，得出什么结论。出什么结论。（2）要掌握化工热力学的研究方法。）要掌握化工热力学的研究方法。（3）除基本理论概念外，要特别注意计算技能。）除基本理论概念外，要特别注意计算技能。（4）作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要）作业步骤清晰，思路明确，计算基准、单位要妥当。妥当。五、学习化工热力学的目的、要求五、学习化工热力学的目的、要求六、热力学基本概念六、热力学基本概念六、热力学基本概

19、念六、热力学基本概念1 1、系统、系统 定义：热力学的研究对象总是选择宇宙空间的一部分，定义：热力学的研究对象总是选择宇宙空间的一部分，这一部分选定的空间即称为系统这一部分选定的空间即称为系统，其余部分称为环境。其余部分称为环境。分类：三类分类：三类 （1 1）封闭系统：与环境间无物质传递。）封闭系统：与环境间无物质传递。（2 2）敞开系统：与环境间有物质传递。）敞开系统：与环境间有物质传递。（3 3）孤立系统：与环境间既无物质传递又无能量传递。）孤立系统：与环境间既无物质传递又无能量传递。环境环境系统系统孤立系统孤立系统 ！六、热力学基本概念六、热力学基本概念2、热力学性质：如、热力学性质：

20、如T、P、V、H、S、U等。等。分类：两类。分类：两类。（1）强度性质：一类与系统的尺寸（即物质量的多少）强度性质：一类与系统的尺寸（即物质量的多少）无关的性质。如：无关的性质。如：T、P等。等。（2）容量性质：与系统中物质量的多少有关的性质。）容量性质：与系统中物质量的多少有关的性质。如：如：V、W、U、H、S等。等。系统的状态是由强度性质决定的！系统的状态是由强度性质决定的！摩尔性质为强度性质！摩尔性质为强度性质！重要重要!六、热力学基本概念六、热力学基本概念3 3、状态和状态函数、状态和状态函数 （1 1）状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。）状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。（2 2）平

21、平衡衡状状态态：在在没没有有外外界界影影响响的的条条件件下下，体体系系的的宏宏观状态不随时间而改变，即系统与环境之间净流为零。观状态不随时间而改变，即系统与环境之间净流为零。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡即温度差，压力差，化学位差均为零。即温度差，压力差，化学位差均为零。（3）状状态态函函数数：与与系系统统状状态态变变化化的的途途径径无无关关，仅仅取取决决于于初态和终态的量。常用的状态函数初态和终态的量。常用的状态函数 有有P，V，T，U，H，S，A，G M状态函数状态函数 六、热力学基本概念六、热力学基本概念状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零状态

22、一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零循环过程：循环过程：H=0，U=0，V=0，S体系体系=0（当然（当然S总总0)状态状态1 1 状态状态2 2 状态状态3 34 4、过程、过程 指体系自指体系自一平衡状态一平衡状态到到另一平衡状态另一平衡状态的转换的转换 对某一过程的描写：对某一过程的描写：初态初态终态终态路径路径（1 1）不不可可逆逆过过程程：一一个个单单向向过过程程发发生生之之后后一一定定留留下下一一些痕迹些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除。，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除。六、热力学基本概念六、热力学基本概念 如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等。如：爆炸、节流

23、、气体向真空自由膨胀等。凡是自发过程过程皆是凡是自发过程过程皆是不可逆过程！不可逆过程！（2 2）可可逆逆过过程程：可可逆逆过过程程：当当体体系系完完成成某某一一过过程程后后，如如果果令令过过程程逆逆行行而而能能使使过过程程中中所所涉涉及及的的一一切切(体体系系及及环环境境)都都回回复复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程无无限限小小的的沙沙子子。拿拿走走一一粒粒无无限限小小的的沙沙子子，dP减减少少无无限限小小，推推动动力力无无限限小小，可可以以忽略不计。忽略不计。带活塞的气缸带活塞的气缸若是可逆过程，推动力需为无限小近，若是可逆过

24、程，推动力需为无限小近，体系始终无限接近平衡状态。体系始终无限接近平衡状态。六、热力学基本概念六、热力学基本概念 可逆过程的特点：可逆过程的特点：（1 1）可可逆逆过过程程是是实实际际过过程程中中只只能能趋趋近近而而永永远远不不能能实实现现的的理理想想过过程程。没没有有摩摩擦擦，推推动动力力无无限限小小,过过程程进进行行无限慢。无限慢。（2 2）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果比较的标准。过程中能量转换效果比较的标准。若说某体系效率为若说某体系效率为80%80%，是指与可逆过程比。，是指与可逆过程比。但爆炸、节流、气体向真空自

25、由膨胀等不能用但爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等不能用“可逆过程可逆过程+效率效率”模式来计算。模式来计算。六、热力学基本概念六、热力学基本概念（3 3）可逆过程是效率最高的过程。）可逆过程是效率最高的过程。体系对外做最大功。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。体系对外吸收最小功。（4 4）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来 的。如：的。如：六、热力学基本概念六、热力学基本概念（5）逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。）逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。（即没有功热得失及状态变化）（即没有功热得失及状态变化）n不可

26、逆过程的特点：不可逆过程的特点：n有摩擦，过程进行有一定速度有摩擦，过程进行有一定速度;n体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）;n逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹;n如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。过程，耗功大于可逆过程。参考文献参考文献：1 朱自强，徐汛编，化工热力学，化学工业出版社，朱自强，徐汛编，化工热力学，化学工业出版社，19912 J.M.Smith,(美美)史史密密斯斯，化化工工热热力力学学导导论论，第第三三版版，化化学学工工业出版社，业出版社，19823 张联科主编，化工热力学，化学工业出版社，张联科主编，化工热力学，化学工业出版社，19804 J.M.Smith,(美美)史史密密斯斯，化化工工热热力力学学导导论论习习题题解解答答，化化学学工工业出版社，业出版社，19865 陈陈钟钟秀秀,顾顾飞飞燕燕编编，化化工工热热力力学学例例题题与与习习题题，化化学学工工业业出出版版社社1998