第1章_绪论-1

1、1化工(hugng)热力学 主讲(zhjing) 姜占坤化学化工学院化工系 QQ号：125028215手机三十九页2化 工 热 力 学第三版朱自强(z qin) 吴有庭 编著化学工业出版社2009共三十九页3马沛生.化工热力学，化学工业(huxu gngy)出版社，2005 . 浙大、清华合编，朱自强主编，化工热力学. 化学工业出版社参 考 书共三十九页4共三十九页5共三十九页6 1 绪论 1. 化工热力学在课程链上的位置 2. 热力学发展简史 3. 热力学的特性和分支 4. 化工热力学在化学工程中的地位(dwi) 5. 化工热力学的基本内容 共三十九页7 1 化工热

2、力学在课程链上的位置 基础课： 高等数学、外语、大学物理、无机化学、有机化学分析化学、生物化学、化工制图、物理化学等。 化学热力学 化学动力学专业基础课：化工原理、化工热力学.化学反应工程、化工分离工程等。共三十九页8 2. 热力学发展简史 热现象是人类最早接触到的自然现象之一 远古时代 钻木取火四大发明19世纪，把生产实践和实验结果提到(t do)理论的高度，确立了关于能量转化和守恒的热力学第一定律以及关于热效率的热力学的第二定律。共三十九页92. 热力学发展(fzhn)简史 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

3、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。 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(j q)作功成为重要的研究课题。 共三十九页102. 热力学发展(fzhn)简史 1824年，法国陆军工程师Nicholas Lonard Sadi Carnot发表了“关于火的动力研究(ynji)”的论文。 他通过对自己构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，工作在两个一定温度热源之间的所有热机，其效率都不会超过可逆热机，在理想状态下也不可能达到百分之

4、百。这就是卡诺定理。 Carnot(1796 - 1832)共三十九页11 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(lnzhng)了能量守衡和转化定律。 Helmholtz(1821 - 1894) 2. 热力学发展(fzhn)简史共三十九页122. 热力学发展(fzhn)简史 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

5、定律的实验基础。 Joule (1818 - 1889) 共三十九页132. 热力学发展(fzhn)简史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(diji)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。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“墒”的概念。 Clausius (1822 - 1888) 共三十九页142. 热力学发展(fzhn)简史 1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1

6、824-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(ni nn)联系起来，给出了热力学第一定律的数学表达式。共三十九页152. 热力学发展(fzhn)简史 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，引出了平衡的判据；提出热力学势的重要(zhngyo)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

7、。 Gibbs (1839 - 1903) 共三十九页16化学热力学主要(zhyo)讨论热化学、相平衡和化学平衡理论。工程热力学主要研究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。化工热力学是以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热工转换、化学及相平衡。2. 热力学发展(fzhn)简史共三十九页17 3.1 热力学及其特性 热力学主要是研究(ynji)热现象和能量转换的。严密性 完整性 普遍性 精简性 共三十九页18严密性 表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证明是不可行的事

8、情，在实际当中无论采用(ciyng)什么措施，也实施不了。 3.1 热力学及其特性(txng) 共三十九页19 完整性 完整性是由于热力学具有 热力学第一定律 能量(nngling)守恒定律 第二定律 熵增原理、热效率 第三定律 绝对熵定律 第零定律 热平衡定律 这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。 3.1 热力学及其特性(txng) 共三十九页20普遍性 表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际生产中的问题(wnt)，还能够解决日常生活中的问题(wnt)，甚至用于宇宙问题(wnt)的研究。精简性 表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题

9、。 3.1 热力学及其特性(txng) 共三十九页21 1 绪论 1. 化工热力学在课程链上的位置 2. 化工热力学发展简史 3. 化工热力学的特性和分支 4. 化工热力学在化学工程中的地位 5. 化工热力学的基本(jbn)内容 共三十九页224. 化工(hugng)热力学在化学工程中的地位 4.1 过程工业与过程工程 4.2 化工热力学与其他化学工程分支学科的关系 共三十九页234.1 过程工业与过程工程(gngchng) 制造业 过程工业 机电工业（或产品生产工业） 化学工程 过程工程 Process Engineering 4. 化工(hugng)热力学在化学工程中的地位共三十九页24

10、4. 化工热力学在化学工程中的地位 4.2 化工热力学与其他化学工程分支学科的关系 化工过程示意图 原料 反应 分离提纯(tchn) 产品 反应工程 分离工程 化学动力学 催化剂工程 化工热力学 化学工艺学 共三十九页25导热系数计算密度计算焓的计算粘度计算表面张力计算第一级物性常数和热力学性质计算1相平衡 计算化学反应平衡计算物料平衡计算热平衡计算泡点露点计算第二级平衡计算化工热力学2反应速度计算传质计算传热计算流体力学计算第三级 传递和反应工程 学3 第六级过程开发工艺学与系统工程学全流程的最佳化设计和控制6吸收塔计算反应器计算换热器计算蒸馏塔计算第四级 设备设计设备模型化4第五级流程配置

11、化工模拟系统吸收系统模拟反应系统模拟蒸馏系统模拟5 4.2化工热力学和其他(qt)化学工程分支学科间的关系共三十九页26 可见(kjin)化工热力学是化学工程学科的基础，是由上图的第一二级构成的，像高层建筑的基石，缺少基础数据和平衡计算的高层次学科是无法工作的。4. 化工热力学在化学工程(hu xu n chn)中的地位共三十九页27 5 .化工(hugng)热力学的基本内容 化学工程师的工作中，常涉及到下面四类问题: (1)进行过程的能量及物料衡算 (2)判断过程进行的方向和限度 (3)研究化工过程能量的有效利用 (4)热力学数据与物性数据的研究 共三十九页28 (1)进行过程的物料、能量衡

12、算 物料衡算与建立在热力学第一定律基础上的能量衡算是所有化工工艺设计的基础。 进、出设备每股物料的数量、组成、温度、压力，从而求得设备中的传热量(rling)、传质量或反应量。 确定生产过程中所需设备的尺寸和台数 （如换热面积等） 5 .化工热力学的基本(jbn)内容 共三十九页29 (2)判断过程进行的方向和限度(xind) 建立在热力学第二定律基础上的一些热力学函（S、.G等）是判定过程进行方向与限度、确定平衡状态的依据。 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、多组元相平衡数据的求取均是不可少的内容。 5 .化工(hugng)热力学的基本内容 共三十九页30 (3)

13、 研究化工过程能量的有效利用 化工生产要消耗大量的能源。石油(shyu)、天然气、煤是化学工业的燃料，也是化工产品的的原料。 利用热力学的原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近30年来最重要的进展。计算各种热力过程的理想工、损耗工、有效能等，找出应能节能没有被利用而造成损失的薄弱环节和设备，然后采取措施，达到节能的目的。对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的手段。5 .化工(hugng)热力学的基本内容 共三十九页315 .化工热力学的基本内容 (3) 研究(ynji)化工过程能量的有效利用 近来，能源紧张已引起人们(rn men)的重视，因此在流程确定，设备设计，工艺条件的选择以节

14、能为目标函数进行优化，为节能不惜设备投资(如增加设备等)。 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%。 共三十九页32 (3) 研究化工过程能量的有效利用 例2：最杰出和典型(dinxng)的节能化工过程是化肥厂的合成氨工艺，吨氨能耗大大降低。其在过程中采取了一系列的节能措施，如蒸汽梯级利用网络、吹风气回收装置、热泵（Heat Pump）系统、 热-电装置等。 因此，有人认为，凡是有能量交换的地方，就有热力学问题。这里的能量交换包括热、功、动能、位能和化学能（化学反应）等的交换。 5 .

15、化工(hugng)热力学的基本内容 共三十九页33 (4)热力学数据与物性数据的研究 上述三个问题的解决离不开热力学数据与物性数据。 但是，热力学的有效应用（如过程模拟与放大），往往(wngwng)由于缺乏热力学基础数据而发生困难。根据统计，现有十万种以上的无机化合物和近六百万种有机化合物而热力学性质已研究得十分透彻的元素和化合物却只一百种左右。 物质热力学性质的计算、气体状态方程的研究、普遍化方法求算热力学函数5 .化工热力学的基本(jbn)内容 共三十九页34目前，特别是对于混合物的数据更缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的热力学性质的研究和计算，目前已成为化工热力学的主攻方向之一。从覆

16、盖面来讲在深度(shnd)和广度上都已覆盖了传统的各个领域。 (4)热力学数据与物性(w xn)数据的研究共三十九页35 1、除了继续进行基础数据的测定外，建立具有可靠理论基础的状态方程是相当活跃的领域。要求方程适用于极性物质、含氢键物质和高分子化合物，并能同时用于气相、液相和临界区域。 2、非常见物质的汽液平衡、液液平衡和固液平衡，以及与超临界流体萃取新技术有关的汽液平衡和固液平衡，与气体吸收、湿法冶金和海洋能源开发有关的电解质溶液的研究及高分子系统(xtng)、吸附和界面现象等，吸引了许多人的兴趣。（5）化工(hugng)热力学的发展展望共三十九页36 3、由于非平衡态热力学理论的发展，开

17、始打破(d p)经典热力学不涉及过程速率的局限性 4、化工生产与资源、能源、环境和生态问题的密切关联，为化工过程的热力学分析理论提出了一系列新的研究和应用课题-。 可以预见，这些发展都将对人类社会的进步产生十分积极的影响。 （5）化工(hugng)热力学的发展展望共三十九页37 小 结 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、G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(tiojin)、状态。 “焓焓”糊糊“熵”脑筋 共三十九页38结合所采用的教材，有： 热力学数据与物性数据的研究 P、V、T、H、S、G、f、 第2、3、4、7章 解决化工过程所需的热、功及其传递(chund)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 方向和限度 第8、9章