化工热力学 绪论

ChemicalEngineeringthermodynamics化工(huàgōng)热力学教师：武建军院系：化工(huàgōng)学院E－mail：jjuw@163.com精品资料教学(jiāoxué)参考书1．朱自强(zìqiánɡ)等，化工热力学，化学工业出版社，19912．陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，20013.陈钟秀等，化工热力学，化学工业出版社，19954．JM．史密斯等，化工热力学导论（苏裕光等译人化学工业出版社，19825．张联科主编，化工热力学，化学工业出版社，1989

精品资料作业(zuòyè)要求认真独立完成采用16开单张纸每次作业一周内完成平常(píngcháng)不做，最后补交拒收精品资料

成绩考核(kǎohé)

按课程考试成绩，结合平时作业和课堂练习考查结果，综合评分

课程考试形式：闭卷精品资料绪论化工热力学研究的对象化工热力学的研究方法基本概念,名词(míngcí)与定义精品资料化工热力学----化学工程学的重要组成部分，是化工过程研究、开发和设计的理论基础(jīchǔ)。本课程是在学生学过物理化学，完成化工厂生产实习，并具备化工过程和设备的知识基础(jīchǔ)上讲授。为学习后续课程及毕业后参加实际工作奠定基础(jīchǔ)。精品资料第一节化工热力学研究(yánjiū)的对象热力学在研究热现象的应用中产生的。19世纪中期，热力学第一、第二定律的相继确立标志着热力学理论的建立。这两个基本定律以及其他一些基本概念构成了热力学理论的基础。在热力学基本定律的应用中，又提出了反映物质特性(tèxìng)的热力学函数，确立了热力学函数与各种物质的性质之间的关系，进一步研究了各种物质在相变和化学变化中的具体规律等，从而充实与发展了热力学的理论。精品资料2.热力学发展(fāzhǎn)热力学：是研究能量、能量转换以及与转换有关的物性间相互关系的科学.热力学基本定律是自然界的客观规律，是人类实践经验的科学总结，具有极大的普遍性和可靠性。由此形成了工程热力学、化学热力学、化工热力学等重要(zhòngyào)的分支。工程热力学：主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应用。化学热力学：应用热力学原理来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题精品资料3.化工(huàgōng)热力学化工热力学：将热力学原理应用于化学工程技术领域。主要任务：是以热力学第一、第二定律为基础，研究化工过程中各种能量的相互转化及有效(yǒuxiào)利用，研究各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件和状态。重要性：化工热力学是化学工程学的重要组成部分，是化工过程研究、开发与设计的理论基础。精品资料发展趋势：近年来，电子计算机的应用(yìngyòng)已将繁杂的计算变为可能，新的计算工具引进新的观点、方法与理论，深化和拓宽了化工热力学的研究范畴，特别是热力学数学模型的建立与完善，不仅促进了化工热力学学科的发展，也更充分地发挥热力学理论在化工技术中的作用。精品资料第二节化工(huàgōng)热力学的研究方法宏观研究方法微观研究方法与物理化学(wùlǐhuàxué)的比较精品资料一、宏观(hóngguān)研究方法研究大量分子中发生的平均变化，而不是单个分子的精细变化。它把由大量粒子组成的物质视为一个整体，用宏观物理量来描述它的状态，以宏观观点考察物质间的相互作用。特点：普遍性与可靠性通过对大量宏观现象的直接观察与实验，总结出具有普遍性的规律，即热力学的基本定律，热力学的一切结论(jiélùn)也是从热力学基本定律出发，通过严密的逻辑推理而得到。精品资料优点：简单、可靠、解决工程问题比较容易缺点：不能解释微观本质(běnzhì)及其发生的内部原因经典热力学：以宏观方法研究平衡态体系的热力学精品资料二、微观研究(yánjiū)方法建立在大量粒子群的统计性质的基础上它是从不同物质的微观结构观察与分析问题，预测与解释平衡(pínghéng)情况下物质的宏观特性。对热力学原理也获得较深入的理解。特点：针对性和预测性优点：能解释微观本质及其发生的内部原因这种研究方法已越来越得到重视，取得了显著的效果。例如，考虑分子间相互作用可近似地推导PVT状态方程；推导液相活度系数关联式等。精品资料缺点：工程应用有一定的局限性由于微观研究方法(fāngfǎ)对物质的结构须采用假设的模型，这假设的模型只是物质实际结构的近似描写统计（分子）热力学：深入到物质的结构，用微观观点与统计方法(fāngfǎ)研究热力学的规律.精品资料三化工热力学与物理化学(wùlǐhuàxué)的比较物理化学化工热力学1概念化接近实际2理想状态非理想状态3封闭系统(能量交换)敞开系统(能质交换)精品资料第三节基本概念,名词(míngcí)与定义体系与环境平衡状态(zhuàngtài)与状态(zhuàngtài)函数过程与循环温度与热力学第零定律热与功精品资料一.热力(rèlì)系统1、系统与边界热力系统(热力系、系统)：人为(rénwéi)地研究对象外界：系统以外的所有物质边界(界面)：系统与外界的分界面系统与外界的作用都通过边界精品资料边界(biānjiè)特性固定(gùdìng)、活动真实、虚构精品资料热力学系统分类系统与外界的划分:有无是否传质开口系闭口(bìkǒu)系是否传热非绝热系绝热系是否传功非绝功系绝功系是否传热、功、质非孤立系孤立系精品资料热力学系统的其它(qítā)分类方式其它(qítā)分类方式物理化学性质工质种类相态单元系非单元系均匀系非均匀系单相多相精品资料简单(jiǎndān)可压缩系统简单(jiǎndān)可压缩系统只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化最重要的系统压缩功体积功精品资料二状态(zhuàngtài)和状态(zhuàngtài)参数状态(zhuàngtài)：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态(zhuàngtài)参数：描述热力系状态(zhuàngtài)的物理量状态(zhuàngtài)参数的特征：1、状态(zhuàngtài)确定，则状态(zhuàngtài)参数也确定，反之亦然2、状态(zhuàngtài)参数的积分特征:状态(zhuàngtài)参数的变化量与路径无关，只与初终态有关3、状态(zhuàngtài)参数的微分特征:全微分精品资料状态参数的积分(jīfēn)特征状态参数变化量与路径(lùjìng)无关，只与初终态有关数学上:点函数、状态函数1a2b例如:温度变化山高度变化精品资料状态参数的微分(wēifēn)特征设Z=Z(x,y)dz是全微分(wēifēn)充要条件:可判断是否是状态参数精品资料状态参数与广延(ɡuǎnɡyán)参数强度参数(cānshù)：与物质的量无关的参数(cānshù)如压力p、温度T广延参数：与物质的量有关的参数可加性

如

质量m、容积V、内能U、焓H、熵S

比参数:比容比内能比焓比熵单位：/kg

/kmol，具有强度量的性质精品资料三基本(jīběn)状态参数压力(yālì)p、温度T、比容v（容易测量）1、压力

p

物理中压强，单位:Pa,N/m2常用单位：

1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665104Pa精品资料绝对压力(yālì)与相对压力(yālì)当P>PbP=Pe+Pb表压力(yālì)Pe当P<PbP=Pb-Pv真空度PvPPePbPvp精品资料环境压力与大气压力环境压力指压力表所处环境注意：环境压力一般为大气压，但不一定(yīdìng)。大气压随时间、地点变化。物理大气压1atm=760mmHg精品资料温度T的一般(yībān)定义传统：冷热程度的度量(dùliàng)。感觉，导热，热容量微观：衡量分子平均动能的量度T0.5mv21)同T,0.5mv2不同，如碳固体和碳蒸气2)0.5mv2总0,T03)T=00.5mv2=0分子一切运动停止，零点能精品资料热力学第零定律(dìnglǜ)温度(wēndù)的热力学定义(热力学第零定律)F.W.Fowler如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。ABCB必然平衡热平衡热平衡温度测量的基础B温度计精品资料温度(wēndù)的热力学定义处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量温度温度是确定一个系统是否(shìfǒu)与其它系统处于热平衡的物理量精品资料温度(wēndù)的测量温度计物质(wùzhì)（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标精品资料常用(chánɡyònɡ)温标绝对(juéduì)K摄氏℃

华氏F朗肯R100373.150.01273.160273.15-17.80-273.15212671.6737.8100032-459.670459.67491.67冰熔点水三相点盐水沸点发烧水沸点559.67精品资料温度计华氏温度计产生于1714年，德国科学家华伦海用水银代替酒精，由于水银在零下三十九度才开始凝固，三百五十度才开始沸腾气化，故扩大(kuòdà)了测温度的范围，一直沿用到现在。他把水在一个大气压下的冰点定为三十二度，把沸点定为二百一十二度，中间划分为一百八十格，每格定为一度，这就是华氏温度。摄氏温度计产生于1742年，这是把一个大气压下水的冰点定为零度，沸点定为一百度，中间分为一百格，每格一度，这就是我们常用的摄氏温度。以绝对零度为起点的华氏温标称为朗肯温标精品资料摄氏度的由来“摄氏度”是目前世界使用比较广泛的一种温标，它是18世纪瑞典天文学家摄尔维斯提出来的。他把冰点定为一百度，沸点定为零度(línɡdù)，但是，在使用中，人们感到很不方便。摄尔维斯第二年就把该温度表的刻度值颠倒过来使用。又隔两年，著名博物学家林耐也使用了这种把刻度颠倒过来的温度表，并在信中宣称：“我是第一个设计以冰点为零度(línɡdù)，以沸点为一百度的温度表的”。这种温度表仍然称为摄氏温标(又叫百分温标)。后人为了纪念摄尔维斯，用他的名字第一个字母“C”来表示。精品资料开尔文1848年，英国科学家威廉·汽姆逊·开尔文勋爵(xūnjué)（1824～1907）建立了一种新的温度标度，称为绝对温标，它的量度单位称为开尔文（K）。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度，相当于摄氏零下273度（精确数为-273.15℃），称为绝对零度。因此，要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。那时，人们认为温度永远不会接近于0K，但今天，科学家却已经非常接近这一极限了。精品资料自然界最冷的地方不是冬季的南极，而是在星际空间的深处，那里的温度是绝对温度3度（3K），即只比绝对零度高3度。在实验室中人们可以做得更好，能进一步地接近于绝对零度，1995年，科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子(yuánzǐ)达到了令人难以置信的温度，即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度（2×10-8K）。在常温下，气体的原子(yuánzǐ)以每小时1600公里的速度运动着，而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着，而在2×10-8K的情况下，原子(yuánzǐ)运动的速度就慢得难以测量了。在20nK下还可以发现物质呈现的新状态，这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色（1894～1974）预见了。事实上，在这样的非常温度下，物质呈现的既不是液体状态，也不是固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子(yuánzǐ)”，它表现为一个单一的实体。精品资料温标(wēnbiāo)的换算精品资料比容v［m3/kg]工质聚集(jùjí)的疏密程度物理上常用(chánɡyònɡ)密度［kg/m3]精品资料四平衡(pínghéng)状态1、定义：在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果(rúguǒ)系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。平衡的本质：不存在不平衡势

温差

—

热不平衡势

压差

—

力不平衡势

化学反应—化学不平衡势精品资料平衡(pínghéng)与稳定稳定：参数不随时间(shíjiān)变化稳定但存在不平衡势差去掉外界影响，则状态变化稳定不一定平衡，但平衡一定稳定精品资料平衡(pínghéng)与均匀平衡(pínghéng)：时间上均匀：空间上平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的精品资料为什么引入平衡(pínghéng)概念？如果(rúguǒ)系统平衡，可用一组确切的参数（压力、温度）描述但平衡状态是死态，没有能量交换能量交换状态变化破坏平衡精品资料状态(zhuàngtài)公理闭口(bìkǒu)系：不平衡势差状态变化能量传递消除一种不平衡势差达到某一方面平衡消除一种能量传递方式而不平衡势差彼此独立独立参数数目N=不平衡势差数=能量转换方式的数目=各种功的方式+热量=n+1n

容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等精品资料状态方程简单(jiǎndān)可压缩系统：N=n+1=2状态方程基本(jīběn)状态参数（p,v,T)之间的关系精品资料状态方程的具体(jùtǐ)形式理想气体(lǐxiǎnɡqìtǐ)的状态方程实际工质的状态方程？？？状态方程的具体形式取决于工质的性质精品资料座标(zuòbiāo)图简单(jiǎndān)可压缩系N=2，平面坐标图pv1）系统任何平衡态可表示在坐标图上说明：2）过程线中任意一点为平衡态3）不平衡态无法在图上用实线表示常见p-v图和T-s图精品资料一般(yībān)过程p1=p0+重物(zhònɡwù)p，Tp0T1=

T0突然去掉重物最终p2

=p0T2

=T0pv12..精品资料准静态(jìngtài)过程p1=p0+重物(zhònɡwù)p，Tp0T1

=T0假如重物有无限多层每次只去掉无限薄一层pv12...系统随时接近于平衡态精品资料可逆过程的定义(dìngyì)系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复(huīfù)到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。注意：可逆过程只是指可能性，并不是指必须要回到初态的过程。精品资料可逆过程的实现(shíxiàn)通过摩擦使功变热的效应(xiàoyìng)(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等）

不平衡势差

不可逆根源

耗散效应：

准静态过程耗散效应无不平衡势差可逆过程无耗散效应+=精品资料典型(diǎnxíng)的不可逆过程不等温传热(chuánrè)T1T2T1>T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••精品资料典型(diǎnxíng)的不可逆过程节流过程(阀门(fámén)）p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★精品资料引入可逆过程的意义(yìyì)准静态(jìngtài)过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。可逆过程的功与热完全可用系统内工质

的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。

实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，

考虑用系统参数加以分析，然后不可逆因素加以修正。精品资料五功量1、力学定义(dìngyì):力在力方向上的位移2、热力学定义a、当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一(wéiyī)效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。

b、功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。精品资料功的表达式功的一般(yībān)表达式热力学最常见的功容积(róngjī)变化功其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等精品资料六热量与熵1、热量定义：热力系通过边界(biānjiè)与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度(wēndù)的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。精品资料容积(róngjī)变化功与热量能量传递方式容积(róngjī)变化功传热量性质

过程量过程量推动力

压力

p

温度

T标志

dV

,

dv

dS

,

ds公式条件

准静态或可逆可逆精品资料熵（Entropy）的定义(dìngyì)reversible熵的简单(jiǎndān)引入比参数[kJ/kg.K]ds:可逆过程

qrev除以传热时的T所得的商

清华大学刘仙洲教授命名为“熵”广延量[kJ/K]精品资料刘仙洲

刘仙洲（1890-1975）是我国当代杰出的机械工程学家和著名的工程教育家。

在教育思想上，刘仙洲一贯主张理论与实际联系，学理与实验并重。他常说：只“巧心”而不“劳手”，是只有学理而无实验，充其量不过是一位理论工程家，可以做文章，可以勉强教书，但一遇到具体问题，就难免不切实际；相反，如果只“劳手”而不“巧心”，就是只有实验而无学理，充其量不过是一位熟练的老工匠，可以按图制造，可以照着仿做，但一问其所以然，便会茫然不知所措。因此，他主张培养既会“劳手”又能“巧心”的人。

北洋大学校长,

清华大学校长研究中国古代机械工程发明(fāmíng)史，治学严谨，一丝不苟，锲而不舍精品资料熵的说明(shuōmíng)1、熵是状态参数2、熵的物理意义(yìyì)：熵体现了可逆过程传热的大小与方向3、符号规定系统吸热时为正

Q>0dS>0系统放热时为负

Q<0dS<04、用途：判断热量方向计算可逆过程的传热