单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,2024/11/18,化工热力学,Chemical Engineering Thermodynamics,2023/9/20化工热力学Chemical Engine,2024/11/18,1.1,热力学的发展简史,1.2,热力学的分支,1.3,化工热力学的基本内容,1.4,化工热力学在化学工程中的地位,1.5,教材的结构体系,1.6,教材中基本的名词及定义,2023/9/201.1 热力学的发展简史,2024/11/18,1.1,热力学的发展简史,热力学是研究,能量、能量转换,及与能量转换,有关的物性,间相互关系的科学，是从观察和实验中总结出来的热现象规律。热力学,(thermodynamics),一词的意思是热,(thermo),和动力,(dynamics),，既由,热产生动力,，反映了热力学起源于对热机的研究。,1593,年，伽利略研究出第一支温度计，开始定量研究热学。,2023/9/201.1 热力学的发展简史,2024/11/18,18,世纪中期以前，,热质说,认为：热是一种物质。,19,世纪末至,19,世纪中叶，开始,热动说,：热是由物体内部运动激发起来的一种能量。,从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器作功成为重要的研究课题。,2023/9/20 18世纪中期以前，热质说认,2024/11/18,1824,年，法国陆军工程师,Carnot,发表了“关于火的动力研究”的论文。,Carnot(1796-1832),对构想的理想热机进行分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决与两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都不超过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。,2023/9/20 1824年，法国陆军,2024/11/18,卡诺的论文发表后，没有马上引起人们的注意。过了十年，法国工程师,Benlt Paul Emile Clapeyron(1799-1864),把卡诺循环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研究了汽液平衡，导出了,克拉佩隆方程,。,2023/9/20 卡诺的论文发表后，没有,2024/11/18,1847,年，德国物理学家和生物学家,Helmholtz(1821-1894),发表了“论力的守衡”一文，全面论证了,能量守衡和转化定律,。,Helmholtz(1821-1894),2023/9/20 1847年，德国物理,2024/11/18,1843-1848,年，英国酿酒商,Joule(1818-1889),以确凿无疑的定量实验结果为基础，论述了能量守恒和转化定律。焦耳的,热功当量实验是热力学第一定律,的实验基础。,Joule(1818-1889),2023/9/20 1843-1848年，,2024/11/18,2023/9/20,2024/11/18,1850,年，德国物理学家,Rudolf J.Clausius(1822-1888),进一步研究了热力学第一定律和克拉佩隆转述的卡诺原理，发现二者并不矛盾。他指出，热不可能独自地、不付任何代价地从冷物体转向热物体，并将这个结论称为,热力学第二定律,。,Clausius(1822-1888),克劳胥斯在,1854,年给出了热力学第二定律的数学表达式，,1865,年提出“熵”的概念。,2023/9/20 1850年，德国物理学,2024/11/18,1851,年，英国物理学家,Lord Kelvin(1824-l907),指出，不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响。这是,热力学第二定律的另一种说法,。,1853,年，他把能量转化与物系的内能联系起来，给出了热力学第一定律的数学表达式。,2023/9/20 1851年，英国物理,2024/11/18,1875,年，美国耶鲁大学数学物理学教授,Josiah Willard Gibbs,发表了“论多相物质之平衡”的论文。他在熵函数的基础上，引出了,熵平衡的判据,；提出热力学势的重要概念，用以处理多组分的多相平衡问题；导出相律，得到一般条件下多相平衡的规律。吉布斯的工作，把热力学和化学在理论上紧密结合起来，奠定了化学热力学的重要基础。,Gibbs(1839-1903),2023/9/20 1875年，美国耶鲁大,2024/11/18,热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这些定律为基础进行演绎、逻辑推理而得到的热力学关系与结论,显然具有高度的普遍性、可靠性与实用性,可以应用于机械工程、化学、化工等各个领域,由此形成了,化学热力学、工程热力学、化工热力学、统计热力学,等重要的分支,。,1.2,热力学的分支,2023/9/20 热力学基本定律反映,2024/11/18,（,1,）化学热力学：,Chemical Thermodynamics,热力学基本定律应用于化学领域，形成化学热力学，主要内容有热化学、相平衡和化学平衡的理论,（,2,）工程热力学：,Engineering Thermodynamics,热力学基本定律应用于热能动力装置，如燃气轮机、冷冻机等，形成工程热力学，主要内容是研究工质的基本热力学性质以及各种装置的工作过程，探讨提高能量转换效率的途径,2023/9/20（1）化学热力学：Chemical The,2024/11/18,化工热力学具有化学热力学和工程热力学的双重特点。它既要解决能量的利用问题，又要研究相际之间质量传递与化学反应方向与限度等问题。,（,3,）化工热力学：,Chemical Engineering Thermo-,dynamics,2023/9/20 化工热力学具有化学热力学和,2024/11/18,1.3,化工热力学的基本内容,化工热力学常涉及的四类问题：,物料衡算与能量衡算主要解决：,a,：进出设备每股物料的数量、组成、温度和压力，从而,求得设备中的传热量、传质量或反应量。,b:,确定生产过程中所需设备的尺寸和台数。,c:,在设计方案评比、操作条件分析、工艺设备改进时，常以物料、热量衡算结果为依据。,（,1,）进行过程的物料,衡算和,能量衡算,2023/9/201.3 化工热力学的基本内容化工热力学,2024/11/18,（,2,）,研究化工过程能量的有效利用,利用热力学原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种热力学过程的理想功、损耗功、有效能等，找出可能节能而没有节能的环节和设备，采取措施，达到节能的目的。,例1：典型的石油气顺序深冷分离，能量消耗较大，经过全面分析和研究，采用原料分段预冷进料、中间再沸器和其他措施，对相同规模的石油气分离装置可节能25%。,2023/9/20（2）研究化工过程能量的有效利用例1：典型,2024/11/18,（,3,）,判断过程进行的方向和限度,建立在热力学第二定律上的一些热力学函数（,S,，,G,等,）是判断过程进行方向与限度、确定平衡状态的依据。而在化工单元操作及反应器设计中，平衡状态的确定、平衡组成的计算，多元相平衡数据的求取都是不可少的内容。,例2：最杰出和典型的节能化工工程是濮阳中原化肥厂的AM合成氨工艺，能耗从常规的900 Gcal/t 降到590Gcal/t 氨。其在过程中采取了一系列的节能措施，包括热泵（Heat Pump）系统。,因此，凡是有能量交换包括热、功、动能、位能和化学能（化学反应）的交换,就有热力学问题。,2023/9/20（3）判断过程进行的方向和限度例2：最杰出,2024/11/18,（,4,）,热力学数据和物性数据的研究,描述体系处于一定状态是用一系列的宏观热力学性质（如,T,、,P,、,C,p,、,H,、,S,、,G,等）表示。这些热力学性质离不开热力学数据与物性数据。如计算体系发生变化与环境交换的热量、功量；计算理想功、损耗功和有效能等。,总之，化工热力学是,“焓焓”,糊糊,“熵”,脑筋的课程，即焓熵计算及其应用。,2023/9/20（4）热力学数据和物性数据的研究,2024/11/18,1.4,化工热力学在化学工程中的地位,化工热力学是化工过程研究、开发和设计的理论基础，一个,化工过程主要包括化学反应过程和产品的分离纯化过程。,1,反应问题,可行性问题：,A,和,B,作用，能否得到目标产物,C,？需要什么工艺条件？,解决方法：化工热力学用,G,T,，,P,0,作判据,化学平衡问题：什么条件下目标产物,C,的产率最高？需要什么工艺条件？,解决方法：化工热力学用,G,T,，,P,=0,作判据,2023/9/201.4 化工热力学在化学工程中的地位,2024/11/18,2,分离问题,含,A,、,B,、,C,、,D,、,E,的混合物,A,和,B,（进一步,参加反应）,纯,C,（所需产品）,D,和,E,（副产品）,怎样分离才能得到纯物质,C,相平衡,能量有效利用,2023/9/202 分离问题A和B（进一步纯C（所需产品,2024/11/18,表面张力计算,导热系数计算,密度计算,粘度计算,焓的计算,相平衡计算,化学反应平衡计算,物料平衡计算,热平衡计算,露点泡点计算,反应速度计算,传质计算,传热计算,流体力学计算,吸收塔计算,反应器计算,换热器计算,蒸馏塔计算,设备模型化,吸收系统模拟,反应系统模拟,蒸馏系统模拟,全流程的最优化设计和控制,化工模拟系统,三传和反应工程学,化工热力学,物性学和热力学,第四级设备设计,第五级流程配置,第六级过程发展,第三级”三传一反“,第二级平衡计算,第一级物性常数和热力学性质计算,化工热力学在化工中的作用以及与其他分支学科的关系：,2023/9/20表面张力计算导热系数计算密度计算粘度计算焓,2024/11/18,（,1,）热力学数据与物性数据的研究。,p,V,T,H,S,G,f,(,第二、三、五、七章,),1.5,教材的结构体系,（,2,）解决化工过程所需要的热、功及其传递方向和能量的合理利用问题。,(,第四章,),（,3,）解决相平衡、化学平衡的状态，确定质量传递方向。,(,第六章,),2023/9/20（1）热力学数据与物性数据的研究。1.5,2024/11/18,1.6,化工热力学处理问题的方法,化工热力学的“聪明”之处,化学热力,学的方法,反映系统,特征的模型,2023/9/201.6 化工热力学处理问题的方法化工热,2024/11/18,演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方法，演绎过程,主要以数学方法进行,1,化工热力学往往从局部的实验数据加半经验模型来推算系统完整的信息,2,从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质,3,从容易获得的物性数据（,P,、,V,、,T,、,X,）来推算较难测定或不可测定的数据（,y,、,H,、,S,、,G,）,4,从纯物质的性质利用混合规则求取混合物的性质,5,以理想态为标准态加以校正，求取真实物质的性质,2023/9/20演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方法，,2024/11/18,参考资料,1,、马沛生,李永红,.,化工热力学,（第二版）化学工业出版社,2011,年,2,、陈新志,蔡振云,.,化工热力学习题精解,科学出版社,2008,年,3,、冯新，宣爱国,.,化工热力学,化学工业出版社,2010,年,2023/9/20参考资料1、马沛生,李永红.化工热力学,2024/11/18,作业：,1.,一个绝热刚性容器,总体积为,V,t,温度为,T,被一个体积可忽略的隔板分为,A,、,B,两室。两室装有不同的理想气体。突然将隔板抽走，气体自发达到平衡。计算该过程的,Q,、,W,、,U,，最终的,T,、,P,。初始压力为（,a,）两室均为,p,0,；（,b,）,A,室为,p,0,，,B,室为真空。,解答,:,（,a,）,Q,、,W,、,U,均为,0,T,、,P,不变,（,b,）,Q,、,W,、,U,均为,0,T,不变,P=P/2,2023/9/20作业：1.一个绝热刚性容器,总体积为V,2024