化工热力学,Chemical Engineering Thermodynamics,化工学院化工热力学教学组,第1章 绪 论,第3章 纯物质(流体)的热力学性质与计算,第2章 流体的p-V-T关系,第4章 溶液热力学基础,第5章 相平衡热力学,第6章 热力学第一定律及其工程应用,第7章 热力学第二定律及其工程应用,第8章 蒸汽动力循环与制冷循环,第9章 化学反应平衡,第10章 界面吸附过程热力学,教学内容,课程目的和要求,明确化工热力学研究的对象，掌握热力学研究问题与处理的方法，认识其在化学工程学科中的重要地位及其在化工生产中的应用。,要求学生在物理化学、高等数学等课程的学习基础上，深入理解与掌握热力学状态函数与过程函数、状态函数与全微分的密切关系，容量性质与强度性质，平衡状态与可逆过程，热力学过程与循环等基本概念与内容。,第1章 绪 论,1.2 化工热力学研究内容与主要方法,1.1 化工热力学的地位和作用,1.3 化工热力学的局限性,1.4 在化工研究与开发中的重要应用,1.5 如何学好化工热力学,1.6 热力学基本概念,本章主要内容,资源和能源问题：走节约化发展道路,人类社会的发展是能源利用的历史！,人类利用能源的三个阶段：,柴草能源时代,草木，畜力，太阳，风，水力,化石能源时代,煤，石油，天然气，可燃冰,多能源时代,核能，太阳能，氢能，风能，潮汐能,没有节能意识,1.1 化工热力学的地位和作用,能源问题在国家关系中的地位,保证能源供应，关系国家存亡,中国的能源问题：严重的能源危机,煤荒，煤炭价格直线上升,海湾问题： 中/俄/日三国能源问题,1993，中国由石油纯出口国变石油纯进口国！,油荒，原油涨价，柴油汽油涨价。,节约能源：,中国的能源浪费十分惊人,单位能耗创造财富低于发达国家;,节能灯,风力发电机,新的能源,太阳能电池,低压尾汽发电,每GDP的能耗为世界平均水平的34倍,日本的11倍，美国的4.3倍，德国法国的7.7倍,太阳能路灯,化工热力学的地位和作用,化工热力学： 化工学科的重要分支和基础学科 化学工程与工艺专业：专业基础技术课程、 必修课和核心课程(48学时、3学分) 内容： 化学热力学：热力学性质的推算 相平衡和化学平衡 工程热力学：热功转化、有效能利用问题,基础：热力学第一定律、第二定律和第三定律,1.2 化工热力学研究内容与主要方法,研究内容：,主要讨论热力学第一定律、第二定律在化工过程中的应用，以及与上述内容有关的基础数据确定方法。,化工热力学将第一定律应用到系统与环境间既有能量交换，又有物质交换的敞开系统中，如精馏（蒸馏）、吸收、萃取等化工单元操作过程，化学反应过程，压缩、冷冻循环热力过程等不同情况下，计算过程进行时所需要热与功的数量。,热力学第二定律应用到化工传质分离过程的计算中，可以确定相平衡的条件，计算平衡各相的组成；应用到化学反应工程中，可以研究过程的工艺条件对平衡转化率的影响，选择最佳工艺条件；应用到化工过程的热力学分析中，可以确定能量损耗的数量、分布及其原因，提高能量的利用率。,与化学热力学相比，化工热力学研究的对象更结合工程实际。,研究方法：,分子热力学 从微观角度，将经典热力学、统计物理、量子力学及有限的实验数据结合起来，通过建立数学模型、拟合模型参数，对实际系统热力学性质进行计算与预测。,经典热力学 建立在热力学第一、第二定律基础上的，是人类大量实践经验的总结，是自然界和人类各种活动中的普遍规律。因而，热力学所给出的结论、宏观性质间关联式的正确性，具有普遍的意义。,1) 物性数据的测定、推算与评价：无机物与有机物（单质与化合物、混合物） 2) 从可测量的物性，如流体的p-V-T-x关系及 计算不可测量的物性，如U、H、S、A、G等。 3) 工艺过程的技术改造与革新 4) 化工过程设计（如物料与热量衡算）的基础，热力学第一定律 5) 过程的节能，热力学第一及第二定律,应用,状态函数法：热力学的独特方法,关于过程的能量转换和过程的方向与限度这两方面的问题，热力学都是以状态函数(宏观性质)关联式的形式给出答案的。,R表示可逆过程，,：体积功,化工热力学研究的主要方法,，,，,，,以上所列关系式将过程的方向和限度与系统的初、终态状态函数变化的比较联系起来。,状态函数的变化只与系统的初、终态有关，与过程进行的途径无关。,可利用物质的热力学性质数据，去计算一些实际难测而需要的数据，如化学反应的热效应与反应平衡等。也可以对不可逆过程的状态函数变化，按易于计算的可逆过程状态函数变化进行，如对过程不可逆程度的计算等。,状态函数与全微分关系：热力学能U、温度T、熵S三个基本状态函数都是全微分，以演绎和推理的方法导出了包括全部基本原理的方程式。如：,热力学第二定律定义的熵：,熵判据：,多元多相系统的基本方程：,热力学第一定律：,热力学演绎方法：热力学的基本方法,演绎法的核心是以热力学定律作为公理，如将它们应用于物理化学系统中的相变化和化学变化等过程，通过严密地逻辑推理，得出许多必然性的结论。,特点：1）以热力学基本定律作为基点,如从热力学基本定律出发，运用演绎推理方法，就有可能得到适用于相变化和化学变化的具体规律。,2）以数学作为工具和手段,热力学基本定律表达的方程或不等式具有普遍规律，针对各类具体问题时，需对这些方程、不等式中相关物理量代入特定的形式(或确定性质)，经过数学演绎，可得到适用于某类问题的结论。,理想化方法：热力学的重要方法,理想化方法包括：系统状态变化过程的理想化和理想化的模型。,1）系统状态变化过程的理想化：“可逆过程”,2）二个理想化模型：理想气体和理想溶液,理想化的作用：,不是用来解释系统的性质，而是在一定条件下，代替真实系统，以保证热力学演绎推理的简洁易行和目的明确。,在理想条件下得到的许多结轮，可作为某些特定条件下实际问题的近似处理。,引入理想系统的意义在于对实际系统性质的研究建立纽带和桥梁。,理想气体的化学位,真实气体化学位,1.3 化工热力学的局限性,热力学所给出的结论、宏观性质间的的关联式的正确性，具有普遍的意义，且对于物质结构的理论具有相当大的独立性。,经典热力学处理的对象是系统处于平衡时的状态特征，它不研究物质结构，不考虑过程机理和细节，不能解决过程进行的阻力。,由于速率等于推动力除以阻力，因而经典热力学不能解决过程进行的速率，速率则要由化学动力学来解决。,1.4 在化工研究与开发中的重要应用,化工热力学：运用经典热力学的原理，结合反映系统特征的模型，解决工业过程(特别是化工过程)中热力学性质的计算和预测、相平衡和化学平衡计算、能量的有效利用等实际问题。,1) 物性数据的测定、关联和预测,化学工程师要处理大量的物质，100万种无机物，400万种有机物。现已研究得十分透彻的元素和化合物只有100种左右。物性估算是基础。,理论计算、实验测定、半理论半经验的估算方法。,研究方法:,2) 化工过程、装置设计与优化的理论基础,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。,化工热力学也是大型模拟计算仿真、实时控制系统软件的基础。较为流行的大型化工模拟软件，如Aspen Plus、PROII、CHEMCAD等热力学模型和物性数据库是其核心基础。,3) 是资源利用与解决环境问题的基础,当今世界人类面临着人口膨胀和资源、能源短缺和有效利用的问题。,不可再生的一次性资源：煤炭、石油、天然气等矿物资源、农林牧渔业的资源,人类面临的三大环境问题：温室气体效应、大气臭氧层的破坏和水资源的污染。,污染物的控制释放、回收处理资源化和开发新的替代物是治理环境问题的主要措施和手段。,新型制冷剂（Freons-134A、Freons-152A等）的开发生产和物性数据的测定和使用性能的评价；大气污染物二氧化硫和二氧化碳的回收治理过程中离不开吸收、吸附平衡数据的测定，生产工艺和装置节能需要有效能的计算和评价等，这些都离不开化工热力学这门基础学科的理论。,1.5 如何学好化工热力学,化工热力学针对解决的问题：,客观物质世界的实际系统，具有高度的非理想性（非理想气体与非理想溶液）,化工热力学,=,基本概念,数学模型,+,=,应用,内涵+外延,思维对象的本质属性,思维对象的范围(即概念的适用范围),课程学习的主线:,Gibbs函数(G函数),应用,反映真实气体与理想气体性质之差，称之为剩余G函数。与逸度或逸度系数的关系：,反映真实溶液和理想溶液性质之差,称为过量Gibbs函数。与活度或活度系数的关系为,实验数据的热力学一致性检验,相平衡和化学平衡,有效能的综合利用：理想功与有效能也是一种Gibbs函数。,理想功,有效能,平衡状态下压力,体积,温度,组成和其它热力学函数的变化规律,p, V, T，n,U, H, cp, cv , S, G, A,传递性质,物质和能量传递过程的非平衡特性,热导,扩散系数,粘度,系统（system）,封闭系统,敞开系统,孤立系统,均相封闭系统,非均相封闭系统,流动系统,1.6 热力学基本概念,环境(surroundings),热力学性质,强度性质与容量性质,与系统的尺寸(物质的量的多少) 的性质,T, p，,无关,强度性质,有关,容量性质,总体积,总热力学能等,单位摩尔的容量性质为强度性质,状态函数与过程函数,与系统状态变化途径无关,仅取决于初态和终态的量,强度性质或容量性质 ?,平衡状态和可逆过程,平衡状态,静止状态,此时系统与环境间物质与能量交换为零。,可逆过程,系统经过一系列平衡状态变化所完成的,其功耗与沿相同路径逆向完成该过程所获得的功是等量的。,实际过程都是不可逆的。,热力学过程与循环,系统的变化从一个平衡状态到另一个平衡状态。,等温,等压,等容,等熵,绝热,可逆,1、施云海主编，化工热力学学习指导与模拟试题集萃，上海：华东理工大学出版社，2007.3 2、J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Chemical Engineering Thermodynamics(Six Edition), 北京：化学工业出版社，2002年。 3、朱自强，徐迅合编，化工热力学(第二版)，北京：化学工业出版社，1991年。 4、陈钟秀、顾飞燕、胡望明编，化工热力学(第二版)，北京：化学工业出版社，2001年。 5、朱自强，姚善泾，金彰礼，流体相平衡原理及应用，杭州：浙江大学出版社，1990年。 6、胡英，近代化工热力学应用研究的新进展，上海：上海科学技术出版社，1994年。 7、马沛生等编，化工热力学(通用型)，北京：化学工业出版社，2005年。 8、陈新志，胡望明，蔡振云编， 化工热力学（面向21世纪教材）（第二版），北京：化学工业出版社，2005.8,Reference,