化工热力学1全解

1、化工热力学,Chemical Engineering,Thermodynamics,大连工业大学轻化学院,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

2、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

3、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,3,4,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

4、学工程与工艺专业：专业基础技术课程,必修课和核心课程,42,学时,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,化,工,模,拟,系,统,设,备,模,型,化,三,传,和,反,应,工,程,化学反,应平衡,计算,导热系,数计算,表面张,力计算,相平衡,计算,反应速,度计算,热量平,衡计算,物料平,衡计算,粘度计,算,密度计,算,传质计,算,传热计,算,焓的计,算,熵平衡,计算与,分析,流体力,学计算,吸收系,统模拟,反应器,计算,吸收塔,计算,蒸馏系,统模拟,蒸馏塔,计算,反应系,统模拟,换热器,计算,全流程的

5、,最优化设,计和控制,物,性,学,和,热,力,学,化,工,热,力,学,第,一,级,物,性,常,数,和,热,力,学,性,质,计,算,第,六,级,过,程,发,展,第,五,级,流,程,配,置,第,四,级,设,备,计,算,第,三,级,三,传,一,反,第,二,级,平,衡,计,算,图,1,1,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,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

6、（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

7、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

8、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,T,A,W,R,表示可逆过程,W,体积功,p,Q,H,V,Q,U,化工热力学研究的主要方法,0,0,S,孤立系统,自发过程,平衡过程,0,0,T,p,G,自发过程,平衡过程,0,0,i,i,i,自发过程,平衡过程,0,0,i,i,自发过程,平衡过程,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

9、，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,d,U,Q,W,R,d,Q,S,T,0,0,S,自发过程,平衡过程,t,t,t,d,d,d,d,i,i,i,G,S,T,V,p,n,1,2,i,N,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

10、,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

11、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,ln,i,i,i,RT,p,真实气体化学位,ln,i,i,i,RT,f,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

12、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

13、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、

14、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,TS,H,G,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,RT,TS,H,RT,G,R,R,R,p,f,ln,ln,反映真实溶液和理想溶液性质之差,称为过,量,Gibb

15、s,函数。与活度或活度系数的关系为,ln,ln,i,i,i,j,i,E,f,i,f,x,i,T,p,n,nG,RT,n,实验数据的热力学一致性检验,相平衡和化学平衡,t,0,G,T,p,恒定,有效能的综合利用：理想功与有效能也是一种,Gibbs,函数,id,W,H,T,S,G,T,p,T,X,E,H,H,T,S,S,G,T,p,T,p,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,c,p,c,v,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

16、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