化工热力学_01绪论

1、2022/7/25化工(hugng)热力学Chemical Engineering Thermodynamics共三十二页2022/7/251.1 热力学的发展(fzhn)简史1.2 热力学的分支1.3 化工热力学的基本内容1.4 化工热力学在化学工程中的地位1.5 教材的结构体系1.6 教材中基本的名词及定义共三十二页2022/7/251.1 热力学的发展(fzhn)简史 热力学是研究能量、能量转换及与能量转换有关的物性间相互关系的科学，是从观察和实验中总结出来的热现象规律。热力学(thermodynamics)一词的意思是热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产生(chnsh

2、ng)动力，反映了热力学起源于对热机的研究。 1593年，伽利略研究出第一支温度计，开始定量研究热学。共三十二页2022/7/25 18世纪中期以前，热质说认为：热是一种物质。19世纪末至19世纪中叶，开始热动说：热是由物体内部运动(yndng)激发起来的一种能量。 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(rnng)来推动机器作功成为重要的研究课题。共三十二页2022/7/25 1824年，法国陆军工程师Carnot发表了“关于(guny)火的动力研究” 的论文。 Carnot(1796 - 1832) 对构想的理想热机进行分析得出结论：热机必须(bx)在

3、两个热源之间工作，理想热机的效率只取决与两个热源的温度，工作在两个一定热源之间的所有热机，其效率都不超过可逆热机，热机在理想状态下也不可能达到百分之百。这就是卡诺定理。共三十二页2022/7/25 卡诺的论文发表后，没有(mi yu)马上引起人们的注意。过了十年，法国工程师Benlt Paul Emile 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。共三十二页2022/7/25 1847年， 德国物理学家和生物学家 Helmholtz (1821 - 1894) 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全面论证了能量守

4、衡和转化(zhunhu)定律。 Helmholtz(1821 - 1894) 共三十二页2022/7/25 1843-1848年， 英国酿酒商 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(jio r)的热功当量实验是热力学第一定律的实验基础。 Joule (1818 - 1889) 共三十二页2022/7/25共三十二页2022/7/25 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(zh ch)，热不可能独自地、

5、不付任何代价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。 Clausius (1822 - 1888) 克劳胥斯在1854年给出了热力学第二(d r)定律的数学表达式，1865年提出“熵”的概念。共三十二页2022/7/25 1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源(ryun)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。共三十二页2022/7/25 1875年，美国耶鲁大学数学物理学教授 Josiah Willard Gi

6、bbs发表了 “论多相物质之平衡” 的论文。他在熵函数的基础上，引出了熵平衡的判据；提出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(tiojin)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。 Gibbs (1839 - 1903) 共三十二页2022/7/25 热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这些定律为基础进行演绎(yny)、逻辑推理而得到的热力学关系与结论,显然具有高度的普遍性、可靠性与实用性,可以应用于机械工程、化学、化工等各个领域,由此形成了化学热力学、工程热力学、化工热力学、统计热力学等重要的分支

7、。1.2 热力学的分支(fnzh)共三十二页2022/7/25（1）化学热力学：Chemical Thermodynamics 热力学基本定律应用于化学领域，形成(xngchng)化学热力学，主要内容有热化学、相平衡和化学平衡的理论（2）工程热力学：Engineering Thermodynamics热力学基本定律应用于热能动力装置，如燃气轮机、冷冻机等，形成工程热力学，主要内容是研究工质的基本热力学性质以及各种装置的工作过程，探讨提高(t go)能量转换效率的途径共三十二页2022/7/25 化工热力学具有化学热力学和工程热力学的双重特点。它既要解决能量的利用问题，又要研究相际(xin j)

8、之间质量传递与化学反应方向与限度等问题。（3）化工(hugng)热力学： Chemical Engineering Thermo-dynamics共三十二页2022/7/251.3 化工(hugng)热力学的基本内容化工热力学常涉及的四类(s li)问题： 物料衡算与能量衡算主要解决： a：进出设备每股物料的数量、组成、温度和压力，从而求得设备中的传热量、传质量或反应量。 b: 确定生产过程中所需设备的尺寸和台数。 c: 在设计方案评比、操作条件分析、工艺设备改进时，常以物料、热量衡算结果为依据。 （1）进行过程的物料衡算和能量衡算共三十二页2022/7/25（2）研究化工过程能量(nngli

9、ng)的有效利用 利用热力学原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种热力学过程的理想功、损耗功、有效能等，找出可能节能而没有节能的环节和设备，采取措施，达到节能的目的。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(fn dun)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%。共三十二页2022/7/25（3）判断过程进行的方向和限度 建立在热力学第二定律上的一些热力学函数（ S， G等）是判断过程进行方向与限度、确定平衡状态(zhungti)的依据。而在化工单元操作及反应器设计中，平衡状态(zhungti

10、)的确定、平衡组成的计算，多元相平衡数据的求取都是不可少的内容。 例2：最杰出和典型的节能化工工程(gngchng)是濮阳中原化肥厂的AM合成氨工艺，能耗从常规的900 Gcal/t 降到590Gcal/t 氨。其在过程中采取了一系列的节能措施，包括热泵（Heat Pump）系统。因此，凡是有能量交换包括热、功、动能、位能和化学能（化学反应）的交换,就有热力学问题。共三十二页2022/7/25（4）热力学数据和物性数据的研究 描述体系处于一定状态是用一系列的宏观热力学性质（如T、P、Cp、H、S、G等）表示。这些热力学性质离不开热力学数据与物性数据。如计算体系发生变化与环境交换的热量、功量；计

11、算理想(lxing)功、损耗功和有效能等。 总之，化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程(kchng)，即焓熵计算及其应用。共三十二页2022/7/251.4 化工(hugng)热力学在化学工程中的地位 化工热力学是化工过程研究、开发和设计的理论基础，一个(y )化工过程主要包括化学反应过程和产品的分离纯化过程。1 反应问题可行性问题：A和B作用，能否得到目标产物C？需要什么工艺条件？解决方法：化工热力学用GT，P0作判据化学平衡问题：什么条件下目标产物C的产率最高？需要什么工艺条件？解决方法：化工热力学用GT，P=0作判据共三十二页2022/7/252 分离(fnl)问题含A、B、C、D

12、、E 的混合物A和B（进一步参加(cnji)反应）纯C（所需产品）D和E（副产品）怎样分离才能得到纯物质C相平衡能量有效利用共三十二页2022/7/25表面张力计算导热系数计算密度计算粘度计算焓的计算相平衡计算化学反应平衡计算物料平衡计算热平衡计算露点泡点计算反应速度(fn yng s d)计算传质(chun zh)计算传热计算流体力学计算吸收塔计算反应器计算换热器计算蒸馏塔计算设备模型化吸收系统模拟反应系统模拟蒸馏系统模拟全流程的最优化设计和控制化工模拟系统三传和反应工程学化工热力学物性学和热力学第四级设备设计第五级流程配置第六级过程发展第三级”三传一反“第二级平衡计算第一级物性常数和热力学

13、性质计算 化工热力学在化工中的作用以及与其他分支学科的关系：共三十二页2022/7/25（1）热力学数据与物性数据的研究(ynji)。p,V,T, H, S, G, f,(第二、三、五、七章)1.5 教材的结构(jigu)体系（2）解决化工过程所需要的热、功及其传递方向和能量的合理利用问题。(第四章)（3）解决相平衡、化学平衡的状态，确定质量传递方向。(第六章)共三十二页2022/7/251.6 化工热力学处理(chl)问题的方法化工(hugng)热力学的“聪明”之处化学热力学的方法反映系统特征的模型共三十二页2022/7/25演绎法是化工热力学理论体系的基本科学(kxu)方法，演绎过程主要以

14、数学方法进行1 化工热力学往往从局部的实验数据加半经验模型来推算(tu sun)系统完整的信息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）来推算较难测定或不可测定的数据（y、H、S、G）4 从纯物质的性质利用混合规则求取混合物的性质5 以理想态为标准态加以校正，求取真实物质的性质共三十二页2022/7/25参考资料1、马沛生, 李永红.化工(hugng)热力学（第二版） 化学工业出版社 2011年2、陈新志, 蔡振云.化工热力学习题精解 科学出版社 2008年3、冯新，宣爱国.化工热力学 化学工业出版社 2010年共三十二页2022/7/25作业(z

15、uy)：1. 一个绝热刚性容器,总体积为Vt, 温度为T, 被一个体积可忽略的隔板分为A、B两室。两室装有不同的理想气体。突然将隔板抽走，气体自发达到平衡。计算该过程的Q、W、U，最终的T、P。初始压力(yl)为（a）两室均为p0；（b）A室为p0 ， B室为真空。解答: （a） Q、W、U均为0, T、P不变（b） Q、W、U均为0, T不变, P = P/2共三十二页2022/7/252. 某一服从p (v -b)=RT状态方程（b为正常数）的气体，在从2b等温可逆膨胀至4b，所做的功应是理想气体经过相同(xin tn)过程所做功的多少倍？解答(jid):共三十二页2022/7/253 判

16、断题（1） 当n 摩尔气体反抗一定的压力做绝热膨胀时，其内能总是减少的。（2）理想气体的焓和热容(r rn)仅是温度的函数。（3）理想气体的熵和吉氏函数仅是温度的函数。（1）答：对。绝热：Q=0；反抗(fnkng)外压作功：W0；U=QW=W0。（2）答：对（3）答：错。理想气体的熵和吉氏函数不仅与温度有关，还与压力或摩尔体积有关。共三十二页2022/7/254 选择题（1） 对封闭体系而言，当过程的始态和终态确定后，下列哪项的值不能确定:A Q B Q + W, U C W（Q=0）, U D Q（W=0）, U （2） 下列各式中哪一个不受理想气体(l xin q t)条件的限制AH = U+PV BCP m CV m=RCpv= 常数 DW = -nRTln(V2/V1） 共三十二页2022/7/25（3）对于内能是体系的状态的单值函数概念的错误理解是:A体系处于(chy)一定的状态,具有一定的内能B对应于某一状态,内能只能有一数值,不能有两个以上的数值C状态发生变化,内能也一定跟着变化D对应于一个内能值,可以有多个状态（4）真实气体在 的条件下，其行为与理想气体相近。A高温高压B低温低压 C 低温高压 D