化工热力学 (Chemical Engineering Thermodynamics ) 主讲 何平 蒋琪英.

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1 化工热力学 (Chemical Engineering Thermodynamics ) 主讲 何平 蒋琪英

2 1 绪论 内容 1.2 化工热力学的主要研究内容和特点 1.3 化工热力学的研究方法 1.4 如何学好化工热力学 1.5 教学安排
1 绪论 内容 1.1 化工热力学的定义、地位以及在化工研究中的作用 1.2 化工热力学的主要研究内容和特点 1.3 化工热力学的研究方法 1.4 如何学好化工热力学 1.5 教学安排 1.6 参考文献

3 1 绪论 目的和要求 1.了解化工热力学的目的和任务 2.了解化工热力学的研究方法 3.了解化工热力学研究的对象和在化学工程中的应用
4.了解各章节内容间的相互关系

4 1.1 化工热力学的定义、地位和作用

5 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 1.1.1 定义 1.热力学(thermodynamics)（物理学）
热力学四大特点： 完整性：四大定律（零、一、二、三和四）. 严密性：表现在具有严格的理论基础-热力学证明能行通的事物，才能够在 实际中行的通，热力学证明不可能的 事物，在实际中无论采取何种措施，也实现不了。 普遍性：热现象在日常生活中普遍存在。热力学不仅能 解决实际生产中的问题，还能解决日常生活中问题，甚至用于宇宙问题的研究。 精简性：表现在能定性、定量地解决实际问题

6 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 将热力学的基本原理应用于工程技术领域。
2.化学热力学(Chemical Therodynamics)（物理化学） 应用热力学来研究化学现象以及与化学有关的物理现象的科学。如热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题(是物理化学的一部分). 3.工程热力学（Engineering Thermodynamics） 将热力学的基本原理应用于工程技术领域。 主要研究热能与机械能之间的转化规律以及在工程中的应用。如热能动力装置中工作介质的基本热力学性质、各种装置的工作过程以及提高能量转化效率的途径。如制冷、发电。常使用介质很简单，如水蒸汽、液氨、氟里昂等。

7 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 4.化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics）
化学热力学和工程热力学为基础，结合化工实际过程逐步形成的学科。它是化学工程学的一个重要组成部分，是化工开发、设计和生产的重要依据。 任务：从热力学第一、二定律出发，研究化工过程中各种能量的相互转化和有效利用，研究各种物理和化学变化过程中达平衡的理论极限、条件和状态。

8 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 1.1.2 化工热力学的地位
为化学工程学的一个重要组成部分和基础分支学科，是化工过程设计、开发和生产的重要理论依据和有力工具，以下是该课程在化学工程学科中的作用和地位关系图。 图1-1

9 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 1.1.3 化工热力学的作用 1.化工过程、装置设计与优化的理论基础
化工热力学的作用 1.化工过程、装置设计与优化的理论基础 对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性-可行性分析） 压力、温度？ 如： 石墨 金刚石 N2+H NH3 H2O H2+O2 压力、温度？ 判据 物料衡算和热量衡算是化工过程和生产装置研究开发和设计计算的基础。 压力、温度？

10 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 对于实践证明可行的工艺进行优化-能量的有效利用 提高产品的质量（除去杂质等） 节能
多元相平衡数据是设计、生产操作和产品质量控制必不可少的。如石油化工中产品分离精馏塔的设计

11 1.1 化工热力学的定义、地位和作用 2.测量、关联与推算不同条件下物质的平衡性质。建立化工热力学模型，用最易测得的数据（p、V、T、x）推算难测得的数据（H、S、G）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。 物质种类多，但热力学性质研究较透彻（100种） 混合物种类多，有用但数据难测 极性物质性质难测 高压低温数据更需要 3.资源利用与解决环境问地的基础 原料选择 废弃物的回收与纯利 生产工艺和装置有效能的计算和评价等

12 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 过程进行的可行性分析和能量有效利用问题
《化工热力学》课程作为应用化工技术专业的专业基础课程，教学中侧重于解决三类重要应用问题： 过程进行的可行性分析和能量有效利用问题 平衡问题，特别是相平衡与化学平衡 平衡状态下的热力学性质计算 特别是流体的性质随温度、压力、相态、组成等的变化关系，这是在解决实际问题中最为重要。

13 1.2化工热力学研究的内容、方法及特点 1.2.1 研究的内容
化工热力学着重研究热力学函数在工程中的应用，用热力学函数（p、V、T、H、S等）分析某些化工过程实际上的效率问题，即达到平衡的条件、状态，因此是焓熵的计算及应用。 “原理—模型 —应用”构成化工热力学研究内容的“三要素”，也就是 运用经典热力学的原理，结合反映体系特征的模型，应用于解决工程的实际问题。 数学表达式 如EOS等 模型 原理 应用 图1-2

14 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 模 型(重点) 原 理 应 用(重点) 对于模型的研究 和建立不是本课程的主要任务。
但了解模型的适合范围和应用模型是本课程的任务 模 型(重点) 第2章 状态方程EOS 第4章 活度系数模型γi 原 理 第3章 流体的热力学性质(重点) 第7章 相平衡 第10 化学反应平衡 应 用(重点) 第5章 过程能量分析 第6章 动力和制冷循环 第10 化学反应平衡 图1-3

15 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 化工热力学研究的具体内容如下： 热力学数据与物性数据的研究
p、V、T、H、S、G、f、α、φ、γ（第2、3、4章） 解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决能量合理利用问题（第5、6章） 解决相平衡、化学平衡的状态、确定质量传递方向（第7、10章） 图表形式表示各章节间关系如图1-4。

16 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 各章之间的联系 7 相平衡： 化工热力学的任务 10 化学平衡:µ[4] 5 化工过程的
f[2,4],γ[4] 2 流体的p-V-T关系 [p、V、T，Cp、 Cv，EOS] 给出物质 有效利用 极 限 化工热力学的任务 10 化学平衡:µ[4] 3 纯流体的热力学 性质[难测的H,S,U 由EOS,Cp,Cv得到] 5 化工过程的 能量分析：H、S、 U、W（3） 给出能量 有效利用 极 限 蒸汽动力循 环和制冷循环： H、S、W（3） 流体混合物的 热力学性质 图1-5

17 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 1.2.2 研究方法 经典力学方法和分子热力学方法 经典热力学的研究特点∆
分子热力学研究方法的特点 1.建立在大量粒子群的统计性质的基础上。 2.从物质的微观结构观察与分析问题，预测与解释平衡情况下物质的宏观性质。 3.从分子间的相互作用出发，建立宏观性质与微观性质关系。 1.从局部的实验数据推算系统完整的热力学信息； 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）来推算较难测定的数据（H，S，G） 4.从纯物质的信息求取混合物的信息。

18 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 经典热力学的局限： 不能定量预测物质的宏观性质。 不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。 只能解决极限问题，不能解决变化速率问题。 (但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大量的研究时间和精力。) 就工程应用而言，经典热力学的研究方法能满足需要,因此本课程的讨论只限于经典热力学范围。

19 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 1.2.3 化工热力学的研究特点
化工热力学的研究特点 1.研究体系为实际状态 化学热力学——研究的是以理想状态为主，如理想气体、理想溶液； 化工热力学——研究的是实际状态。在任意温度、压力下，多组分的状态。 例如理想气体：分子间没有相互作用，分子的体积大小可以忽略。（压力极低）p V = n R T 真实气体：分子间有相互作用，分子的体积大小不能忽略　pV ≠ n R T

20 1.2 化工热力学研究的内容、方法及特点 2.处理方法：以理想态为标准态加上校正。 3.获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型
4.应用领域：解决工厂中能量利用和平衡问题 气体 Z(压缩因子) 实际结果 = 理想结果 + 校正 气体 φ(逸度系数) 化学热力学的方法 溶液 γi(活度系数) 建立模型

21 1.3 化工热力学的学习方法 1. 掌握化工热力学处理问题方法之特点 从局部的实验数据加半经验模型推算系统完成的信息；从常温常压的物性数据推算其他条件下的性质；从纯物质的性质推算混合物的性质，从易得数据推算难得数据；采用理想状态加校正拉推算真实状态的数据。 2. 注意准确理解热力学概念、各模型实用条件和范围 3. 注意单位换算 能量：J，Cal，cm3.atm，cm3.bar 压力：kg/m３（工程压力），atm，mmHg，bar， Pa 或 MPa 温度：K，℃ ，oF， 4.循序渐进 5. 使用参考资料辅助学习

22 1.4 课程教学安排 第1章 绪论 2 第2章 流体的p-V-T关系 6~10 第3章 纯流体的热力学性质 10~12
第1章  绪论       第2章 流体的p-V-T关系   ~10  第3章 纯流体的热力学性质  ~12  第4章 流体混合物的热力学性质  ~12  第5章 化工过程能量分析  ~14  第6章  蒸汽动力循环与制冷循环   第7章 相平衡     第10章 化学反应平衡    合 计  

23 1.5 参考文献 主要参考文献 书目名称 作者 出版社 出版时间 化工热力学 施云海等 华东理工大学出版社 2007年 化工热力学习题精解
陈新志 科学出版社 2003年 化工热力学例题与习题 陈钟秀等 化学工业出版社 1998年 化工热力学（第二版） 金克新等 天津大学出版社 1989年 化工热力学——基本内容、习题详解和计算程序 高光华等 清华大学出版社 2000年 张联科 1980年