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1、化工热力学化工热力学 Chemical Engineering Thermodynamics 2014年年9月月5日日 北京化工大学本科生化工热力学课程 主讲：阳庆元主讲：阳庆元 E-mail: qyyang 本人简介本人简介 20072007年获年获“全国优秀博士学位论文全国优秀博士学位论文”提名奖提名奖 20082008年入选北京市年入选北京市“科技新星人才计划科技新星人才计划” 20132013年获国家自然科学基金委第二届年获国家自然科学基金委第二届“优秀青年基金优秀青年基金”资助资助 1995, 9 2005, 6 北京化工大学、化学工程专业北京化工大学、化学工程专业 本科、硕士、博士
2、本科、硕士、博士 2005, 7 至今至今北京化工大学，讲师、副教授、教授北京化工大学，讲师、副教授、教授 2010, 1 2011, 12 法国蒙彼利埃第二大学，访问学者法国蒙彼利埃第二大学，访问学者 有机有机- -无机杂化多孔材料的设计无机杂化多孔材料的设计、合成与应用合成与应用 研究研究 Metal-organic frameworks, MOFs 学习教材学习教材 郑丹星教授郑丹星教授 流体与过程热力学流体与过程热力学（第二版）化学工业出版社，（第二版）化学工业出版社，20102010年年 学习教材学习教材 J. M. Smith, and H. C. Van Ness, Introd
3、uction Chemical Engineering Thermodynamics, 6th Ed. New York: McGraw-Hill Book Co., 2000 (cf: S. I. Sandler, Chemical and Engineering Thermodynamics. 3rd Ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1999 (cf: http:/www.che.udel.edu/thermo/thermobook.htm) 化工热力学例题与习题，化工热力学例题与习题，陈钟秀陈钟秀. .顾飞燕，化学工业出版社顾飞燕，化学工业出
4、版社 Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P. OConnell, The Properties of Gases and Liquids, 5th Ed., McGRAW-HILL, 2001) 参考书籍参考书籍 教与学教与学 注重概念和学科的逻辑主线注重概念和学科的逻辑主线 详细讲解典型例题习题详细讲解典型例题习题 贴紧教材贴紧教材 加强互动（提问加强互动（提问/ /课间作业课间作业/ /学生学生pptppt） 欢迎及时反馈欢迎及时反馈 鼓励参加科研实践（工程楼鼓励参加科研实践（工程楼A308A308） 作业：每个同学作业：每个同学必须独立完成
5、必须独立完成作业作业 每周二上课前收作业每周二上课前收作业(课代表统一收齐课代表统一收齐) 各班批改各班批改50% 考试：考试：闭卷闭卷考试（期末）考试（期末） 期中：习题课期中：习题课 作业要求与考核方式作业要求与考核方式 最终成绩评定：最终成绩评定： 平时平时(作业作业+课堂表现课堂表现)：30 期末考试：期末考试：70 教材必须有教材必须有 勘误表在勘误表在 therm05 (psw:abc123) 考试四个班一致考试四个班一致 我的联络方式：我的联络方式： E-mail: qyyang Tel (O): 64418935 地址：工程楼地址：工程楼A308室室 课程内容课程内容(56学时
6、学时) 第一章第一章绪论绪论 （1学时）学时） 第二章第二章流体的流体的PVT关系关系 （7学时）学时） 第三章第三章流体的热力学性质：焓与熵流体的热力学性质：焓与熵 （10学时）学时） 第四章第四章能量利用过程与循环能量利用过程与循环 （6学时）学时） 第五章第五章过程热力学分析过程热力学分析 （6学时）学时） 第六章第六章流体的热力学性质：逸度与活度（流体的热力学性质：逸度与活度（8学时）学时） 第七章第七章流体相平衡流体相平衡 （8学时）学时） 第八章第八章化学平衡化学平衡 （6学时）学时） 流体性质 1.1 化工热力学的发展 热力学性质 传递性质 ：物质处于平衡状态时压力、 体积、温度
7、、组成、内能、焓、 热容、熵、自由能等。 ：物质或能量传递过程的非平 衡特性，如导热系数、粘度、 扩散系数等。 第一章第一章 绪论绪论 热力学研究热力学研究能量、能量、以及与能量转换有关的以及与能量转换有关的能量转换能量转换 物性间相互关系。物性间相互关系。 从十八世纪末到十九世纪初开始，随着从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机蒸汽机在在 生产中的广泛应用，如何充分利用生产中的广泛应用，如何充分利用热能来推动机械作热能来推动机械作 功功成为重要的研究课题。成为重要的研究课题。 1798年，英国物理学家和政治学家年，英国物理学家和政治学家Benjamin Thompson (1753-181
8、4)通过跑堂钻孔实验开始对通过跑堂钻孔实验开始对功转功转 换为热进行定量研究换为热进行定量研究。 1799年，英国化学家年，英国化学家Humphry Davy (1778-1829) 通过冰的摩擦实验研究通过冰的摩擦实验研究功转换为热功转换为热。 1824年年，法国工程师法国工程师Carnot 发表了发表了 “ 关于火的动力研究关于火的动力研究” 的的 论文论文。 Carnot (1796 - 1832) 他通过对自己构想的理想热机的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分析得出结论：热机必须在两个热源 之间工作之间工作，理想热机的效率只取决于理想热机的效率只取决于 两
9、个热源的温度两个热源的温度，工作在两个一定热工作在两个一定热 源之间的所有热机源之间的所有热机，其效率都超不过其效率都超不过 可逆热机可逆热机，热机在理想状态下也不可热机在理想状态下也不可 能达到百分之百能达到百分之百。这就是这就是卡诺定理卡诺定理。 法国工程师法国工程师 Clapeyron (1799 - 1864)把卡诺循把卡诺循 环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研环以解析图的形式表示出来，并用卡诺原理研 究了气液平衡，究了气液平衡， dpH dTT V = 导出了导出了克拉佩隆方程克拉佩隆方程。 1843-1848年，年， 英国酿酒商英国酿酒商 Joule 用焦耳实验论述了能量守恒
10、和转用焦耳实验论述了能量守恒和转 化定律。化定律。焦耳的热功当量实验室焦耳的热功当量实验室 热力学第一定律的实验基础。热力学第一定律的实验基础。 Joule (1818 - 1889) UQW=+ 1850年年，德国物理学家德国物理学家Clausius 指出：指出： Clausius (1822 - 1888) 热不能热不能自动自动地从低温物体传到高温物体。地从低温物体传到高温物体。 这个结论称为热力学第二定律。这个结论称为热力学第二定律。 18541854年给出了热力学第二定律的数学年给出了热力学第二定律的数学 表达式；表达式； 18651865年提出“熵”的概念。年提出“熵”的概念。 18
11、51 年，英国物理学家年，英国物理学家 Kelvin 指出：指出： 不可能从单一热源取热使之完全变为有用功不可能从单一热源取热使之完全变为有用功 而不产生其他影响而不产生其他影响。 Kelvin (1824-l907) 这是热力学第二定律的另一种说法。这是热力学第二定律的另一种说法。 1875年发表了年发表了 “论多相物质论多相物质 之平衡之平衡” 的论文的论文。 Gibbs (1839 - 1903) 他在熵函数的基础上，引出了平他在熵函数的基础上，引出了平 衡的判据；奠定了化学热力学的重要衡的判据；奠定了化学热力学的重要 基础。基础。 第一章第一章 绪论绪论 化工热力学的概念化工热力学的概
12、念 热力学热力学（Thermodynamics） 研究热现象中物质的研究热现象中物质的状态转变和能量转换状态转变和能量转换规律的学科规律的学科 着重研究物质在平衡状态下的物理着重研究物质在平衡状态下的物理、化学过程化学过程 平衡热力学平衡热力学（equilibrium thermodynamics） 以宏观体系作为研究对象以宏观体系作为研究对象, ,只能说明只能说明宏观宏观的热现象的热现象，不不 考虑物质内部的具体结构考虑物质内部的具体结构，不涉及变化的速度和过程的不涉及变化的速度和过程的 机理机理 1.2 化工热力学的范畴 热力学四大特征：热力学四大特征： （1 1）严密性严密性: :表现在
13、热力学具有严格的理论基础表现在热力学具有严格的理论基础 热力学上证明可行，热力学上证明可行，实际中才能够行的通；实际中才能够行的通； 热力学上证明不可行，实际中无论采用什么措施，也实施热力学上证明不可行，实际中无论采用什么措施，也实施 不了不了 （2 2）完整性完整性: :由于热力学具有由于热力学具有 热力学第零定律热力学第零定律 热平衡定律（如果两个热力学系统中的每热平衡定律（如果两个热力学系统中的每 一个都与第三个热力学系统处于热平衡一个都与第三个热力学系统处于热平衡( (温度相同温度相同) )，则它们彼此，则它们彼此 也必定处于热平衡）。也必定处于热平衡）。 热力学第一定律热力学第一定律
14、能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律 ( (量守恒量守恒) ) 热力学第二定律热力学第二定律 熵增原理、热效率熵增原理、热效率 ( (质不守恒质不守恒) ) 热力学第三定律热力学第三定律绝对熵定律绝对熵定律 这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学 （3 3）普遍性普遍性: :普遍性表现在热现象在日常生活中必不普遍性表现在热现象在日常生活中必不 可缺少。可缺少。 热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际 生产中的问题，还能够解决日常生活中的问题，甚生产中的问题，还能够解决日常生活中的问题，甚 至
15、用于宇宙问题的研究。至用于宇宙问题的研究。 （4 4）精简性精简性: :表现在热力学能够表现在热力学能够定性、定量地定性、定量地解决实解决实 际问题际问题 热力学四大特征：热力学四大特征： 热力学（英文：热力学（英文：Thermodynamics） 热（热（Thermo）动力（动力（Dynamics） 由热产生动力，反映了热力学起由热产生动力，反映了热力学起 源于对热机的研究源于对热机的研究 热与力合起来即为能量 热力学的分支热力学的分支 (1) 工程热力学（工程热力学（Engineering Thermodynamics） 19世纪后半期：进一步提出改善热机性能途径，建立了世纪后半期：进一步
16、提出改善热机性能途径，建立了 工程热力学，将工程热力学，将热力学的基本理论应用于工程技术领域热力学的基本理论应用于工程技术领域 主要研究主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应 用。用。比如：研究工质的基本热力学性质及各种装置的工比如：研究工质的基本热力学性质及各种装置的工 作过程，探讨提高能量转换效率的途径作过程，探讨提高能量转换效率的途径 特点：特点： A.制冷、热能的利用（发电等）制冷、热能的利用（发电等） B.介质简单：水蒸汽、氨、氟里昂等介质简单：水蒸汽、氨、氟里昂等 (2) 化学热力学（化学热力学（Chemical Thermodynamics） 将热力学基本原理应用于化学领域；将热力学基本原理应用于化学领域； 主要研究主要研究
