单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工热力学,Chemical Engineering Thermodynamics,教材和参考书,陈新志，蔡振云，胡望明。化工热力学,面向21世纪课程教材.北京:化学工业出版社,2001,陈钟秀,顾飞燕.化工热力学,第二版.北京:化学工业出版社,2001,Smith JM,Van Ness HC,etc.“Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics,6th ed.New York:McGraw-Hill,2001,Content,1 Introduction,2 P-V-T relation&EOS,3 Principle&application of thermodynamics for homogeneous closed system,4 Thermodynamics for homogeneous open system&criterion of phase equilibrium,5 Calculation of thermodynamic properties of heterogeneous system,6 Principle&application of thermodynamics for flowing system,7 Application of thermodynamics in other areas,1 Introduction,What is chemical engineering thermodynamics(CET),？,History brief of thermodynamics,Status of CET in chemical industry,Main research scope of CET,Methodology of thermodynamics,Advantages&Disadvantages of,therodynamics,Objectives&Demands of this course,1.1 什么是化工热力学,热力学,是研究能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。,热力学(thermodynamics),一词的意思是热(thermo)和动力学(dynamics)，既由热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。,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。,热力学的分支,热力学,工程热力学,统计热力学,化学热力学,化工热力学,化学中各类过程（PVT过程、相平衡、化学平衡）的有关计算，主要是,H,、,S,、,U,、,F,和,G,的计算,主要研究热功转换，以及能量利用率的高低,从微观角度出发，例如采用配分函数，研究过程的热现象。,统计热力学的特点,构筑分子微观结构与宏观性质间的桥梁，将流体的宏观性质看作是相应微观量的统计平均值，目标是从分子结构预测宏观性质。,分子热力学 统计热力学,经典热力学,计算机分子模拟,半经验方法,1.1 什么是化工热力学,化工热力学就是研究在化学工程中的能量利用问题，以及相际之间质量、能量传递与化学反响方向与限度等问题的一门学科。,就内容而言，它涉及到热机的效率，能量的利用，各种物理、化学乃至生命过程的能量转换，以及这些过程在指定条件下有没有发生的可能性。,1.2 热力学开展史简介,1798年，英国物理学家Benjamin Thompson(1753-1814)通过炮膛钻孔实验开始对功转换为热进行定量研究。,1799年，英国化学家 Humphry Davy(1778-1829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。,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通过对自己设想的理想热机的分析得出结论：热机必须在两个热源之间工作，理想热机的效率只取决于两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都超不过可逆热机，热机效率在理想状态下也不可能到达百分之百。这就是卡诺定理。,Carnot(1796-1832),1.2 热力学开展史简介,Carnot的理想热机工作过程,实际热机工作过程,2,3,3,4,1,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。,1842 年，德国医生Julius Robert Mayer(1814-1878)受发现热带地区病人和欧洲病人的血液颜色存在着差异以及海水温度与暴风雨之间存在一定关系的启发，提出了热与机械运动之间相互转化的思想。,Mayer(1814-1878),1847年，德国物理学家和生物学家 Hermann Ludwig von 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),Joule(1818-1889),1843-1848年，英国酿酒商 James Prescott Joule(1818-1889)以确凿无疑的定量实验结果为根底，论述了能量守恒与转化定律。焦耳的热功当量实验是热力学第一定律的实验根底。,根据热力学第一定律热功可以按当量转化，而根据卡诺原理热却不能全部变为功，当时不少人认为二者之间存在着根本性的矛盾。,Clausius(1822-1888),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，热不可能单独地、不付任何代价地从冷物体传向热物体，并将这个结论称为热力学第二定律。Clausius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。,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。,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。,Gibbs(1839-1903),他在熵函数的根底上，引出了平衡的判据；,提出了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。,Gibbs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根底。,20世纪以来，热力学方面的研究主要侧重于以下几个方面：,完善状态方程，以满足对实际流体高精度计算的要求；,如RK、SRK、PR、WBRS、MH方程等；,改进混合规那么，提高状态方程对混合流体的计算精度；,改进真实溶液活度系数关联模型，,如NRTL、UNIQUAC、UNIFAC等模型。,开展统计热力学方面的研究。如分子模拟等,1.3 化工热力学在化学工程学科中的地位,1.3.1 化工热力学与化工过程的关系,化工传递,1.3.2 化工热力学在化学工程学科中的地位,1.3.3 化工热力学在课程链上的位置,前序课程：,根底课：高等数学、工程数学线性代数、概率论、数理统计图论、大学物理、四大化学无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、量子力学或相关的量子化学、结构化学等,专业根底课：化工原理、化工热力学I、化学反响工程,后续课程,专业课：别离工程、化工工艺学等,1.4 化工热力学的根本内容,热力学根本定律,热力学微分方程,热力学状态函数,相平衡,化学反响平衡,过程热力学分析,热力学根底数据,PVT，Cp，Cv,实际局部,理论局部,(1)进行过程的能量衡算,(2)判断过程进行的方向和限度,(3)进行热力学数据与物性数据的研究,(4)研究化工过程能量的有效利用,1.5 热力学的研究方法,利用热力学函数和物质状态之间的关系解决实际问题。,如：T、P、n求纯物质的V、H、U、G、A、S等。,利用抽象的、概括的、理想的方法来处理问题。当用于实际问题时，加以适当修正,比例系数法,理想的气体 PVm=RT dG=RTdlnP,真实的气体 PVm=Z RT dG=RTdlnf=RTdln(P),代数法,偏离函数 MR=M-Mid,超额函数 ME=M Mid,两种：,宏观研究法,和 微观研究法,1.6 化工热力学的特点及其局限性,局限性,具有严密性、完整性、普遍性和精简性的特点,热力学只问过程的结果，无需考虑过程变化的途径。,优点,对于某一具体物质的具体性质，需要做一定的实验，然后才能在热力学理论及数学推导下得到具有实用性的关联式。,由于不考虑过程的机理、细节，因此不能解决过程速率问题。,表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题,1.7 学习化工热力学的目的和要求,化工热力学的主要任务：,以热力学第一、第二定律为根底，,研究化工过程中各种能量间相互转化及其有效利用的规律，,研究物质状态变化与物质性质之间的关系,研究物理或化学变化到达平衡的理论极限、条件和状态。,化工热力学是理论和工程实践性都较强的学科。,课程学习的目的,了解并掌握化工热力学的根本内容,提高利用化工热力学的观点和方法来分析和解决化工生产、工程设计和科学研究中有关实际问题的能力。,化工热力学被戏称为是“焓焓糊糊“熵脑筋的学科。,具体应用中的难点包括：,混合物中组元逸度系数、活度系数等的计算,多元体系的泡点、露点计算等,重点与难点,重点,难点,根本概念的理解与掌握,热力学处理各种实际问题的研究方法,各种热力学模型的根本假设及推导,1要明确各章节的作用，即解决什么问题，得出了什么结论。,2要掌握化工热力学的研究方法。,3着重于根本概念的理解，对重要的公式加以推导；注意计算技能的提高。,4坚持独立完成作业。思路要明确，步骤要清晰，计算基准、单位要妥当。,5学会巧学与巧记,6多阅读参考书,课程学习要求与措施,热力学根本关系的记忆方法,P,S,T,V,U H A G,记忆方法：,同一线上的能量变量以另两个变,量为自变量，即取微分形式,同一行的另一变量与之相乘加上,另一行的乘积；,自变量在左取正号，在右取负号,Maxwell关系式的记忆方法,记忆方法：,牢记P-V-S-T的顺序,等式左边缺少的那个变量就是等式右,边的被求导函数，同时等式右边的自,变量与不变量交换；,假设等式左、右两边的旋转方向相同，,没有负号出现；假设不同那么出现负号。,名词、定义和根本概念,1 体系和环境,2 平衡状态与状态函数,3 过程,4 温度与热力学第零定律,5 能、功和热,6 焓,7 熵,名词、定义和根本概念,体系：为明确所要研究的对象，所要研究的那一局部物质或空间。,环境：除体系以外的所有其余局部。,隔离体系或孤立体系：体系和环境间没有任何物质或能量交换。它们不受环境改变的影响。,封闭体系：体系和环境间只有能量而无物质的交换。但是这并不意味着体系不能因有化学反响发生而改变其组成。而有化学反响时，通常视为敞开体系处理。,敞开体系：体系和环境可以有能量和物质的交换,名词、定义和根本概念,平衡状态：一个体系在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不随时间而变化，此体系处于热力学平衡状态。到达热力学平衡(即热平衡、力平衡、相平衡和化学平衡)的必要条件是引起体系状态变化的所有势差，如温度差、压力差、化学位差等均为零。是一种动态平衡,状态函数：描述体系所处状态的宏观物理量称为热力学变量。由于它们是状态的单值函数，亦称为状态函数。常用的状态函数有压力P、温度T、比容V、内能U、焓H、熵S、自由焓G等。,强度量：其数值仅取决于物质本身的特性，而与物质的数量无关。如:温度、压力、密度、摩尔内能等。,广度量：其数值与物质的数量成正比。如:体积、质量、焓、熵、内能、自由焓等。需指出的是，单位质量或单位摩尔的广度量就变成了一